顱面部ＣＴ三維模型復雜結構輔助定點法

[摘要]目的：介紹一種在CT三維模型復雜結構上輔助定點的方法，解決這些部位定點困難的問題。方法：間接使用計算機輔助設計（Computer-aided design，CAD）點與被測點重合的方法，通過讀取CAD點的坐標值反映被測點的精確坐標。 結果：輔助定點法能夠精確地對復雜的組織結構例如髁突頂點甚至是骨組織內部結構定點，誤差小于0.3mm。結論：此方法簡單易學，重復性好，信度高，是一種確實可行的精確定點方法。

[關鍵詞]三維重建；三維模型定點；三維測量

[中圖分類號]R783 [文獻標識碼]A [文章編號]1008-6455（2008）03-03

Aided identifying landmark of the complicated structure on cranio-facial CT three-dimensional model

GAO Feng1，GU Ze-xu1，LIU Lan2，GUO Yan3，KONG Liang1，DUAN Yin-zhong1

(1.Department of Orthodontics， Stomatological College，the Fourth Military Medical University，Xi'an 710032，Shaanxi，China;2.Department of Stomatology， Shanxi Provincial Corps Hospital，Chinese People's Armed Police Forces;3.Health Center，Haixi Military Subarea，Military Zone of Qinghai Province，Chinese People's Liberation Army)

Abstract: Objective In order to resolve the problem of precise identifying landmark on cranio-facial CT three-dimensional model， we introduce a new method of aided identifying landmark.MethodsAfter the CAD(Computer-aided design) point coincident with the common landmark，we acquired the coordinate of common landmark by reading the coordinate of CAD point. Results The aided identifying landmark method could identify the complicated structure such as the condylar condylion and the internal structure of bone. The error was less than 0.3 millimeter. Conclusion The aided identifying landmark method is easy to learn and the reliability is good.

Key words:three-dimensional reconstruction;three-dimensional identifying landmark;three-dimensional measurement

顱面部CT在現今顱面部醫(yī)學中得到越來越普及的應用。隨著CT三維重建技術逐漸成熟，CT三維模型的研究越來越多。CT三維測量具有客觀準確的特性，據Mattenson[1]等的研究報道，測量值之間的平均差值為0.19mm，角度差值為0.38°，具有很高的準確性和良好的可重復性。Hidebolt[2]比較顱骨實體測量與三維重建測量也得出相同結論。更重要的是CT三維模型可以客觀地反應實際情況[3-4]，能夠從立體空間上反映三維物體，避免了二維平面的不足。所以近年來，三維模型的測量分析已經開始指導臨床診斷治療[5-7]。

確定測量點是三維模型測量分析的首要步驟。就如同在X線平片上進行測量分析一樣，首先需要精確定位測量點，以此為基礎進行測量分析。同時，三維模型不同于二維X線片，本身具有其空間的特殊性，測量點的確定受到組織結構復雜、直接定位困難等多因素的影響導致精確度不足，所以三維模型上的定點一直是三維測量中的困難問題。目前對三維模型的測量分析大多使用鼠標直接在三維模型上定點，理論上講如果我們能使用真正三維的空間顯像技術，就可以準確地對三維模型定點（就像在頭顱模具上精確定點一樣）。但是，由于我們使用的是平面顯示器，觀察三維模型時縱深感覺差，立體影像重疊，就會在產生明顯的視覺誤差，需要反復調整定點，時間花費長，誤差大。因此在CT三維模型上直接定點受到限制，那么我們使用間接定點的方法。

1材料和方法

1.1機型和掃描參數：使用TOSHIBA/Aquilion型CT機。CT掃描參數：電壓120KV，電流160mA，掃描層厚0.5mm，像素大小0.448×0.448mm，圖像格式為512×512matrix，16bits，顯示視野（DFOV）為25cm?；颊哐雠P位，眶耳平面與水平面垂直。1.2方法：實驗采用輔助定點法對CT三維模型間接定點。利用定位容易可以精確調整的輔助點與被測點重合，通過讀取輔助點的坐標值間接反映被測點的坐標值。實驗中，我們采用容易調整的CAD點作為輔助定位點，利用Mimics8.1軟件的MedCAD功能來實現這一方法，使用軟件自建的坐標系讀取CAD點坐標值，從而反映出被測點的坐標值。操作方法：在Mimics軟件中導入CT Dicom數據后可以從3個不同的軸向（矢狀向、水平向、垂直向）顯示CT斷層。由于三維模型與二維斷層相互對應（二維斷層經過重建形成三維模型，三維模型可以在二維斷層上找到原始位置），所以我們將在三維模型上使用的CAD點可以在3個不同的軸向斷層上顯示出來。此時三個軸向斷層上組織結構清晰，使用平面顯示器就可以在斷層上確定調整CAD點在3個軸向斷層上的位置（如圖1）。首先在相關性最大的二維平面上初步定點，爾后調節(jié)其余兩個二維平面，在漸變的二維影像中調整定點位置。最終，利用二維斷層可以簡便準確定點，從而精確調整三維模型上CAD點的位置（如圖2）。

實驗選取頭顱部CT三維模型定點中具有代表性的標志點，包括難以標定的左右髁突頂點Co以及位于骨組織內部的下頜體骨性聯(lián)合部之中心點D。實驗中加入常規(guī)測量點：鼻根點N，蝶鞍點S，枕骨大孔前緣之中點Ba，測量使用Mimics默認坐標系，對設立的點分別進行5次定位，取得各個測量點三維坐標值（見表1）。

2結果

對實驗選取6個標志點的5次定位結果，計算坐標值與均數之差的離均差。離均差均數=0.2105，標準差=0.2701，95%置信期間為（0.1547-0.2663），誤差在0.3mm以下。證實輔助定點法是一種精確的，信度高的測量方法。

3討論

一直以來，CT三維模型復雜結構定點困難。對于建立準確的三維模型，進行了大量的研究，包括更薄層地CT掃描，研制算法更好的重建測量方法等[8]，但是對于測量最基本的定點卻成了容易忽略的問題。由于CT三維模型定點存在視覺誤差，避免這種誤差需要不斷旋轉三維模型進行大量的調整，而且定點容易受到操作者主觀判斷的影響，從而誤差較大，同時三維空間與二維平面存在差別。我們可以利用二維的平面顯示器對二維圖像精確定點，但是用二維的顯示器來判定三維模型時就受到了阻礙。我們常在三維模型上直接定點后，旋轉模型就發(fā)現定點不在正確的位置上。這是因為三維模型被二維顯示時存在透視差異。我們認為解決這一困難的方法有：①使用三維顯示裝置來顯示立體模型；②在平面的顯示器上處理二維的圖像，再綜合成三維數據。目前，后者是一種操作簡單，設備可行的辦法。

輔助定點法利用CAD點輔助定位，把平面顯示器上無法快速準確識別的三維圖像在3個二維斷層上判定取得測量點。具有客觀準確的優(yōu)點：定位點可以簡單直接地在3個軸向斷層上判定調整，符合常規(guī)讀片的判斷，操作者只要具備基本閱讀斷層片的能力就可以客觀準確定位，不需要大量空間判定的訓練，避免了觀察CT三維模型的視覺誤差，提高了定點的精度。這樣我們利用現有的平面顯示器在二維斷層上就解決了精確定點三維模型的問題。一般具備識別二維X光片的醫(yī)療工作者只要通過簡單的訓練就可以使用輔助定點法來精確定點，避免了對三維模型的生疏感，易于引導人們使用CT三維模型輔助診斷治療。

輔助定點法可以對一些很難定位甚至是無法定位的點進行定位。在受到拍攝條件、解剖結構、灰度選擇、重建算法的影響，三維模型上有的位置經常無法利用常規(guī)方法定位。例如髁突頂點位于三維模型的髁突窩內，要在計算機顯示器上直接對髁突頂點定位非常困難。我們需要不停的轉動三維模型在某個“縫隙”結構中利用鼠標插入定點，這樣常常由于周圍組織復雜，入路狹窄，定點往往粘附于其他位置造成定位不準，并且反復定位浪費操作時間。最極致的情況是有些三維模型受到組織的干擾根本無法定位髁突頂點，導致無法測量。而通過輔助定點法可以對模型上任意位置定點，甚至能夠對骨組織內部定點。實驗數據表明輔助定點法不僅可以對復雜結構定點，而且誤差小于0.3mm，是一種可信度高的定點方法。

輔助定點法可以在以后的三維測量中成為常規(guī)的定點方法。先直接使用CAD點在三維模型表面初步定位，然后在二維界面上精確調整，既發(fā)揮了直接定點直觀簡便的特性，又并入平面調整精確的特性。同時也給予我們提示，在以后的三維重建測量軟件的開發(fā)中，加入設計這種簡單有效的定點方法，可以在3個軸向的斷層中對定位點進行精確調整，將會很大程度的提高軟件重建測量的精度。這種定點的方法在MRI三維模型的定點中同樣適用。所以，這是一種既簡單又精確的三維定點方法。

4結論

精確的三維定點是獲得準確CT三維數據的首要步驟。CT三維模型輔助定點法是一種把三維變成二維，把復雜變成簡單的測量方法?？梢院唵斡行У貙θS模型復雜結構（例如髁突頂點）定點，具有良好的精確度與高信度，解決了CT三維模型復雜結構定點困難的問題。

[參考文獻]

[1]Matteson SR， Bechtold W， Phillips C， et al. A method for three-dimensional image reformation for quantitative cephalometric analysis[J]. J Oral Maxillofac Surg，1989，47(10):1053-1061.

[2]Hidebolt CF， Vannier MW， Knapp RH，et al.Validation study of skull three dimensional computerized tomography measurements[J].Am J Phys Anthropol，1990，82(3):283-294.

[3]Park SH，Yu HS，Kim KD，et al.A proposal for a new analysis of craniofacial morphology by 3-dimensional computed tomography[J].Am J Orthod Dentofacial Orthop，2006，129(5):600.e23-34.

[4]楊 斌，黃洪章，張滌生，等.顱面三維CT影像測量分析研究I-方法與原理[J].口腔頜面外科雜志，2000，10（2）：99-102.

[5]Macchi A，Carrafiello G，Cacciafesta V，et al.Three-dimensional digital modeling and setup[J].Am J Orthod Dentofacial Orthop，2006，129(5):605-610.

[6]Nakasima A， Terajima M， Mori N， et al. Three-dimensional computer-generated head model reconstructed from cephalograms，facial photographs， and dental cast models[J]. Am J Orthod Dentofacial Orthop，2005，127(3):282-292.

[7]荀文興，鄒敬才，郭慶科，等.Spiral CT三維重建圖像在復雜性頜面部骨折診斷中的應用[J].中國美容醫(yī)學，2002，11（4）：341-343.

[8]孫應明，段銀鐘，胡曉娟，等.計算機輔助正頜外科手術的預測和模擬系統(tǒng)-顱頜面硬組織的三維重建[J].中國美容醫(yī)學，2002，11（5）：473-475.

[收稿日期]2008-01-30 [修回日期]2008-03-03

編輯/何志斌