計(jì)算機(jī)技術(shù)在口腔頭影測(cè)量中的應(yīng)用及發(fā)展

李成日 張曉東 張文君 駱厚卓 賈立輝

(沈陽(yáng)軍區(qū)總醫(yī)院口腔內(nèi)科，110840)

1 引言

Broadbent和Hofruth在1931年創(chuàng)立了頭影測(cè)量分析的定位正側(cè)位X線片的拍攝方法和技術(shù)。它可以量化個(gè)體或人群的顱面部參數(shù)，區(qū)分正常與異常的解剖形態(tài)，對(duì)治療前后進(jìn)行對(duì)比[1-2]。

隨著電子計(jì)算機(jī)及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，1958年，丹麥皇家牙學(xué)院的Bjrk和Solow首次將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于X線頭影測(cè)量和臨床工作中。20世紀(jì)70年代計(jì)算機(jī)技術(shù)大量應(yīng)用于頭影測(cè)量分析和輔助診斷。美國(guó)科學(xué)家Walker首次應(yīng)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)化地進(jìn)行頭影測(cè)量分析。我國(guó)于80年代開(kāi)始應(yīng)用計(jì)算機(jī)。Rudolpf等將頭影測(cè)量技術(shù)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展過(guò)程分為3個(gè)階段：手工X線頭影測(cè)量分析，計(jì)算機(jī)輔助X線頭影測(cè)量分析，計(jì)算機(jī)自動(dòng)X線頭影測(cè)量分析。本文將對(duì)后兩個(gè)階段的應(yīng)用和發(fā)展作以綜合論述。

2 計(jì)算機(jī)輔助X線頭影測(cè)量分析

2.1 計(jì)算機(jī)輔助X線頭影測(cè)量的二維分析 二維分析是利用側(cè)位X線頭影測(cè)量對(duì)顱頜面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。20世紀(jì)80、90年代，學(xué)者們認(rèn)為計(jì)算機(jī)輔助X線頭影測(cè)量與傳統(tǒng)的人工測(cè)量所得結(jié)果無(wú)顯著性差異，肯定了臨床應(yīng)用的可行性[3]。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，學(xué)者們進(jìn)行了更深的研究，他們認(rèn)為計(jì)算機(jī)輔助頭影測(cè)量改變了以往必須要在頭影描圖上進(jìn)行測(cè)量的方法，避免了描繪頭影圖跡過(guò)程中可能出現(xiàn)的誤差。同時(shí)，對(duì)于計(jì)算機(jī)輔助頭影測(cè)量準(zhǔn)確性的研究得出：計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備的精度將直接影響系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。Macri等報(bào)道，應(yīng)用黑白攝像機(jī)作為圖像輸入設(shè)備時(shí)，由于其空間分辨率不足，影響圖像質(zhì)量和測(cè)量精確度，所以數(shù)字圖像上定點(diǎn)的可靠性低于傳統(tǒng)的X線頭顱側(cè)位片[4]。掃描儀是較理想的圖像輸入設(shè)備，可將圖像資料直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，并保持較高的精度。Schulze等對(duì)使用CCD攝像裝置獲得的數(shù)字影像與X線頭顱側(cè)位片進(jìn)行標(biāo)志點(diǎn)定位的比較，得出在相同的焦距下，數(shù)字圖像和X線頭顱側(cè)位片上標(biāo)志點(diǎn)定位的精確性和可重復(fù)性是相當(dāng)?shù)腫5]。

近年來(lái)學(xué)者們致力于在圖像處理技術(shù)的基礎(chǔ)上研究各種功能軟件的開(kāi)發(fā)。1998年，Schulate G等研究開(kāi)發(fā)出頜面預(yù)測(cè)的圖像視頻軟件，該軟件運(yùn)用頭影測(cè)量技術(shù)將25例正頜手術(shù)病例術(shù)前預(yù)測(cè)的軟組織改變與術(shù)后的實(shí)際結(jié)果進(jìn)行比較，得出該軟件預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性高達(dá)80%以上[6]。同年，惠光艷等研制出可以任意顯現(xiàn)軟硬組織，模擬正頜外科手術(shù)及預(yù)測(cè)術(shù)后容貌的一種新的X線頭影測(cè)量分析系統(tǒng)。它采用彩色圖像掃描儀作為輸入裝置，直接獲取頭顱X線片信息，輸入并存入計(jì)算機(jī)，利用Visual C語(yǔ)言編制程序，對(duì)X線片的再現(xiàn)與增強(qiáng)來(lái)選取標(biāo)志點(diǎn)。1999年，Tsang KH[7]等人在數(shù)字圖形工作站中通過(guò)聲波數(shù)字化系統(tǒng)來(lái)測(cè)量X線頭顱側(cè)位片。用此方法對(duì)30例病人的15項(xiàng)角度及一項(xiàng)線距進(jìn)行測(cè)量，然后將測(cè)量結(jié)果與傳統(tǒng)方法的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，差異顯著。2000年徐蕓等[8]研制出外寄生式X線頭影測(cè)量分析系統(tǒng)，利用高分辨率的掃描儀輸入頭影測(cè)量X線片，對(duì)患者進(jìn)行輔助診斷及預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了包括圖形顯示，治療前后的圖形重疊對(duì)比等一整套用戶界面?，F(xiàn)在頭影測(cè)量軟件的種類很多，國(guó)外的軟件開(kāi)發(fā)比較成熟，運(yùn)行比較穩(wěn)定，且許多軟件可以定義標(biāo)準(zhǔn)值及測(cè)量項(xiàng)目。

2.2 計(jì)算機(jī)輔助X線頭影測(cè)量的三維分析 牙頜顱面結(jié)構(gòu)本身是三維立體結(jié)構(gòu)，頭影測(cè)量的三維分析就是將其解剖形態(tài)以三維的形式形象化，目前口腔頜面錐形束CT(CBCT)[9-10]在頭影測(cè)量學(xué)中的研究成為熱點(diǎn)。

CBCT技術(shù)采用錐形X線束投照，只一次掃描即可獲得滿足各個(gè)方向重建所需的容積數(shù)據(jù)，依靠特殊的反投影算法重建出三維圖像[11]。三維圖像重建可避免解剖重疊和放大率造成的問(wèn)題，使得定點(diǎn)更加準(zhǔn)確[12-13]。用干顱骨拍攝CBCT，對(duì)所拍影像定點(diǎn)測(cè)量，與手工卡尺測(cè)量值相比較，發(fā)現(xiàn)CBCT圖像測(cè)量值和手工測(cè)量值差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，而頭顱側(cè)位片、正位片的測(cè)量值有差異[14]。劉怡等研究對(duì)比正畸患者CBCT轉(zhuǎn)化頭顱側(cè)位片與傳統(tǒng)頭顱側(cè)位片的定點(diǎn)精確性發(fā)現(xiàn)前者定點(diǎn)精確性更高[15]。目前，三維頭影測(cè)量分析仍無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，在使用CBCT進(jìn)行的頭影測(cè)量分析時(shí)，行頭影測(cè)量仍是將其轉(zhuǎn)換為二維圖像進(jìn)行測(cè)量。使用軟件將CBCT所得數(shù)據(jù)生成頭顱正側(cè)位片，并輸出到頭影測(cè)量分析軟件中進(jìn)行數(shù)字化描記和測(cè)量。

近年來(lái)，學(xué)者們研究開(kāi)發(fā)了多種三維頭影測(cè)量分析軟件。Simplant，invivo就是其中有代表性的軟件。Vandana等[16]應(yīng)用Invivo軟件，將三維測(cè)量與二維測(cè)量相比較，12個(gè)線距、5個(gè)角度中除了FMA均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

目前，三維頭影測(cè)量分析處于初始階段無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，三維影像測(cè)量分析方法需建立新的系統(tǒng)規(guī)范以明確其精確度和準(zhǔn)確性。新的三維測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)包括：坐標(biāo)原點(diǎn)、基準(zhǔn)平面、測(cè)量標(biāo)志點(diǎn)、三維參考平面和測(cè)量項(xiàng)目等[17-18]，因此在使用CBCT進(jìn)行的頭影測(cè)量分析時(shí)，行頭影測(cè)量仍是將其轉(zhuǎn)換為二維圖像進(jìn)行測(cè)量。使用軟件將CBCT所得數(shù)據(jù)生成頭顱正側(cè)位片，并輸出到頭影測(cè)量分析軟件中進(jìn)行數(shù)字化描記和測(cè)量。

3 計(jì)算機(jī)自動(dòng)X線頭影測(cè)量分析

隨著計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)在X線頭影測(cè)量分析研究中的不斷深入，尤其在標(biāo)志點(diǎn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別與定位方面的研究，為實(shí)現(xiàn)X線頭影測(cè)量分析完全計(jì)算機(jī)自動(dòng)化奠定了基礎(chǔ)。

Cohen于1984年首先介紹了自動(dòng)提取X線頭顱定位側(cè)位片相關(guān)標(biāo)志點(diǎn)的方法，成功獲得了兩個(gè)標(biāo)志點(diǎn)N點(diǎn)和S點(diǎn)，這預(yù)示著完全自動(dòng)化的X線頭影測(cè)量系統(tǒng)具有可能性。Mostafa在自動(dòng)X線頭影測(cè)量分析系統(tǒng)的研制中采用了不同的方法分別對(duì)X線的軟硬組織進(jìn)行圖形處理和邊界提取。2000年，Hutton等通過(guò)自動(dòng)塑型方法建立一套全自動(dòng)的頭影測(cè)量分析系統(tǒng)，對(duì)16個(gè)標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行了全自動(dòng)描繪，雖然其準(zhǔn)確性不高，存在一定的局限性，但為以后的研究提供了較好的基礎(chǔ)[19]。國(guó)內(nèi)張曉、魏明貴等相繼在自動(dòng)X線頭影測(cè)量系統(tǒng)中成功地自動(dòng)識(shí)別了軟硬組織標(biāo)志點(diǎn)10余個(gè)[20]。

目前國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的學(xué)者致力于計(jì)算機(jī)自動(dòng)化X線頭影測(cè)量的研究，完成自動(dòng)定點(diǎn)的數(shù)目越來(lái)越多，準(zhǔn)確度亦增高。因其操作便捷、測(cè)量的準(zhǔn)確性高、重復(fù)性好，未來(lái)完善的計(jì)算機(jī)自動(dòng)化頭影測(cè)量系統(tǒng)必將進(jìn)入臨床，促進(jìn)口腔各學(xué)科的發(fā)展。

4 計(jì)算機(jī)技術(shù)在口腔正畸頭影測(cè)量應(yīng)用的展望

實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)頭影測(cè)量，能夠避免人工描點(diǎn)，圖像輸入、輸出等造成的誤差，達(dá)到理想的精確度。未來(lái)，全自動(dòng)頭影測(cè)量分析系統(tǒng)的不斷完善將是我們的研究方向，越來(lái)越多的標(biāo)志點(diǎn)將會(huì)被計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別。同時(shí)，CBCT廣泛應(yīng)用于頭影測(cè)量分析系統(tǒng)，再現(xiàn)顱頜面的真實(shí)解剖結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)行全自動(dòng)的三維測(cè)量分析，也將是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。伴隨計(jì)算機(jī)硬軟件等高科技的發(fā)展，快速而準(zhǔn)確的全自動(dòng)頭影測(cè)量分析系統(tǒng)必將廣泛地應(yīng)用于臨床并得到日新月異的發(fā)展與完善。

[1]William E，Harrell Jr.3D diagnosis and treatment planning in Orthodontics[J].Semin Orthod，2009，15(1)：35-41.

[2]Ayoub AF，Xiao Y，Khambay B，et al.Towards building a photo-realistic virtual human face for craniomaxillofacial diagnosis and treatment planning[J].Int J Oral Maxillofac Surg，2007，36(5)：423-428.

[3]陳惠珍，石四箴.數(shù)字化頭影測(cè)量中標(biāo)志點(diǎn)定位方法的探討[J].上海醫(yī)學(xué)，2004，27(12)：949-951.

[4]Macri V，Wenzel A.Reliability of landmark recording on film and digital lateral cephalograms[J].Eur J Orthod，1993，15(2)：137-148.

[5]Schulze RK，Gloede MB，Doll GM.Landmark identification on direct digital versus film-based cephalometric radiographs：a human skull study[J].Am J Orthod Dentofacial Orthop，2002，122(6)：635-642.

[6]Schultes G，Gaggl A，Karcher H.Accuracy of cephalometric and video imaging program dentafacial planner plus in or thognathic surgical planning[J].Comuter Aided Surg，1998，3(3)：108.

[7]Tsang KH，Cooke MS.Comparison of cephalometric analysis using a non-radiographic sonic digitizer with conventional radiography[J].Eur J Orthod，1999，21(1)：1.

[8]徐蕓，趙越.外寄生式X線頭影測(cè)量分析系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和研制[J].昆明醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，21(2)：31-34.

[9]王婷，厲松.Cone-beam CT技術(shù)及其在口腔正畸學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)展[J].北京口腔醫(yī)學(xué)，2011，19(2)：113.

[10]谷妍，嚴(yán)斌，趙春洋，等.錐狀束CT在正畸學(xué)中的應(yīng)用研究[J].口腔生物醫(yī)學(xué)，2010，1(2)：90.

[11]馬緒臣.口腔頜面錐形束CT的臨床應(yīng)用[M].北京：人民衛(wèi)生出版社，2011：94-109.

[12]Periagoa DR，Scarfeb WC，Moshiric M，et al.Linear accuracy and reliability of cone beam CT derived 3-dimensional images constructed using an orthodontic volumetric rendering program[J].Angle Orthod，2008，78(3)：387-395.

[13]Olmez H，Gorgulu S，Akin E，et al.Measurement accuracy of a compuer-assisted three-dimensional analysis and a conventional two-dimensional method[J].Angle Orthod，2011，81(3)：375-382.

[14]Baumgaertel S，Palomo JM，Palomo L，et al.Reliability and accuracy of cone-beam computed tomography dental measurements[J].Am J Orthod Dentofacial Orthop，2009，136(1)：19-25.

[15]劉怡，趙健慧，丁云，等.錐形束CT轉(zhuǎn)化頭顱側(cè)位片定點(diǎn)精確性的研究[J].中華口腔正畸學(xué)雜志，2010，17(2)：61-65.

[16]Vandana K，John L，Lucia Hs，et al.Invivo comparison of conventional and cone beam CT synthesized cephalograms[J].Angle Orthodontist，2008，78(5)：873-879.

[17]衡士超，程勇，李波，等.錐形束CT結(jié)合simplant軟件在頜面部三維測(cè)量中的初步研究[J].口腔醫(yī)學(xué)研究，2011，27(1)：60-63.

[18]Gribel BF，Gribel MN，F(xiàn)razao DC，et al.Accuracy and reliability of craniometric measurements on lateral cephalometry and 3D measurements on CBCT scans[J].Angle Orthod，2011，81(1)：28-37.

[19]Hutton TJ，Cunningpham S，Hammond P.An evaluation of active shape models for the automatic identification of cephalometric landmarks[J].Eur J Orthod，2000，22(5)：499.

[20]魏明貴，周正炎.X線頭影標(biāo)志點(diǎn)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別初步研究[J].口腔頜外科雜志，2000，10(4)：283.