Galileo錐形束CT影像線性測(cè)量放大率的研究

徐 戈，施生根，，閆 澍，吳寶江

(北京100101:1.安徽醫(yī)科大學(xué)解放軍第306臨床學(xué)院;2.解放軍第306醫(yī)院)

數(shù)字化技術(shù)常用于顱頜面的精確測(cè)量，其中包括骨密度、骨缺損量以及將傳統(tǒng)的線性二維測(cè)量轉(zhuǎn)變?yōu)槿S測(cè)量［1］;借助錐形束CT影像數(shù)據(jù)可以進(jìn)行三維有限元建模以用于口腔生物力學(xué)分析。目前，三維數(shù)字化模型數(shù)據(jù)的采集方法主要分為2類:容積成像技術(shù)(CT、CBCT)和表面獲取技術(shù)(激光掃描)［2］，兩種技術(shù)相結(jié)合可以更加準(zhǔn)確的將口腔軟硬組織信息轉(zhuǎn)化成數(shù)字化信息［3］，其中通過(guò)CT、CBCT技術(shù)采集的影像數(shù)據(jù)是建立牙頜硬組織數(shù)字化模型的基礎(chǔ)上，若數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，其計(jì)算結(jié)果、結(jié)論的可靠性將大打折扣。Baumgaertel等［4］用 CBCT對(duì)覆牙合、覆蓋、上下頜尖牙及磨牙間寬度、牙弓長(zhǎng)度等進(jìn)行測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)，CBCT測(cè)量值比用游標(biāo)卡尺在頭骨上的實(shí)際測(cè)量值偏小;而馬竟等［5］報(bào)道，上頜后牙區(qū)種植體的CBCT影像測(cè)量值顯著大于實(shí)際長(zhǎng)度，放大率達(dá)到8.71%。CBCT的影像測(cè)量值與實(shí)際值的差異究竟如何，尚需進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究。本文通過(guò)含72條10.0 mm長(zhǎng)阻射線的實(shí)驗(yàn)?zāi)＞?，觀察了基于Galileo錐形束CT影像的阻射線測(cè)量值與實(shí)際值之間的差異，并建立了校正CBCT影像線性放大的回歸方程。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)＞?/h3>

實(shí)驗(yàn)?zāi)＞呷鐖D1所示，觀測(cè)平面含72條10.0 mm長(zhǎng)的阻射線。模具制作方法:選擇邊長(zhǎng)120 mm的正方形有機(jī)玻板1塊(厚20 mm)，用數(shù)控機(jī)床在其表面制備凹槽(槽長(zhǎng)10.0 mm，深0.3 mm)，并在每條凹槽內(nèi)充填氧化鋅水門汀使之形成阻射線。當(dāng)觀測(cè)平面中心與CBCT掃描視野(FOV)中心重合時(shí)，與掃描視野冠狀面平行的線為X軸向線，與矢狀面平行的線為Y軸向線，與水平面垂直的線為Z軸向線。觀測(cè)平面內(nèi)兩個(gè)軸交叉形成4個(gè)象限，每個(gè)象限內(nèi)的X、Y或Z軸向線各9條(對(duì)稱交叉設(shè)計(jì))。線段止點(diǎn)(簡(jiǎn)稱E)至矢狀面、冠狀面、水平面的距離設(shè)3檔:10 mm、30 mm、50 mm。阻射線按線段所在象限、線段止點(diǎn)、與X、Y、Z軸的平行關(guān)系命名，如LA象限內(nèi)與E6相連的X軸向線稱作E6X，Y軸向線稱作E6Y。

1.2 主要儀器

Galileo錐形束CT(簡(jiǎn)稱CBCT)及其配套的圖像三維重建處理軟件Galaxis3D(Sirona，德國(guó))。

1.3 方法

1.3.1 CBCT掃描

模具置于非金屬托架上，并使含阻射線的觀測(cè)平面與CBCT的FOV中心水平面重合(通過(guò)水平測(cè)量?jī)x校準(zhǔn))，兩平面中心重合后，定義該觀測(cè)平面為H平面進(jìn)行掃描;將模具豎立，并使觀測(cè)平面與CBCT的FOV中心水平面垂直，且觀測(cè)平面與冠狀面平行，兩平面中心重合后，定義該觀測(cè)平面為C平面進(jìn)行掃描。掃描條件:管電壓78 kV，管電流35 mAs，曝光時(shí)間為14 s，F(xiàn)OV 為15 cm×15 cm，體素大小為300 μm，層厚為0.3 mm。

以H平面為基準(zhǔn)，以20 mm為單位降、升掃描視野進(jìn)行掃描，分別獲得高于和低于H平面20、40 mm的掃描數(shù)據(jù)，其平面分別定義為 U20、U40、D20、D40，得X、Y軸向阻射線影像;同理以C平面為基準(zhǔn)，以20 mm為單位前、后向移動(dòng)模具進(jìn)行掃描，分別獲得C平面前、后各20、40 mm的掃描數(shù)據(jù)，其平面分別定義為A20、A40、P20、P40，得Z軸向阻射線影像。定義H平面、C 平面為中心平面，U20、D20、A20、P20平面為20平面，U40、D40、A40、P40 為40 平面。

1.3.2 阻射線CBCT測(cè)量值的獲取

將所有圖像數(shù)據(jù)傳至圖像工作站，并使用Galaxis3D軟件進(jìn)行多平面重建，得到各阻射線分別在中心平面、20平面、40平面上的影像后，由操作者進(jìn)行長(zhǎng)度測(cè)量。具體測(cè)量方法:通過(guò)調(diào)整軸位、矢狀位、冠狀位影像的位置，使影像斷層與阻射線重合后，用Galaxis3D的距離測(cè)量工具測(cè)量線段起止點(diǎn)的距離作為其CBCT測(cè)量值，所有測(cè)量工作均由同一名操作者完成，間隔1周后重復(fù)測(cè)量1次，共6次。

1.3.3 放大率(簡(jiǎn)稱M)的計(jì)算

上述測(cè)量結(jié)束后，分別計(jì)算X、Y、Z各軸向線的M，其中X軸向線放大率記為Mx，Y軸向線放大率記為My，Z軸向線放大率記為Mz。具體計(jì)算公式如下。

1.3.4 阻射線中心的確立及其偏離FOV中心距離的計(jì)算

X、Y、Z軸向阻射線的中點(diǎn)記為阻射線中心，阻射線中心至FOV中心的距離(以下簡(jiǎn)稱R值)通過(guò)三角函數(shù)關(guān)系計(jì)算獲得。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

使用SPSS 16.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用兩因素方差分析比較CBCT影像上呈對(duì)稱分布的阻射線放大率之間以及同一阻射線影像6次測(cè)量值放大率之間的差異;采用析因設(shè)計(jì)資料的方差分析比較偏離水平面、正中矢狀面、冠狀面不同距離對(duì)阻射線影像放大率的影響;采用單因素方差分析比較同一R值處X、Y、Z不同軸向線放大率之間以及同一軸向不同R值的阻射線放大率之間的差異，兩兩比較采用SNK-q檢驗(yàn);對(duì)放大率與R值作相關(guān)性分析，檢驗(yàn)水準(zhǔn)α=0.05。

2 結(jié)果

2.1 阻射線的影像放大率

X軸向線的最大放大率為3.4%，R值為78.3 mm;最小放大率為-0.4%，R值為11.2 mm。Y軸向線的最大放大率為3.3%，R值為78.3 mm;最小放大率為-0.6%，R值為11.2 mm。Z軸向線的最大放大率為3.3%，R值為78.3 mm;最小放大率為-0.4%，R值為11.2 mm。X、Y、Z軸向線的平均放大率分別為1.2%、1.1%、1.1%。

2.2 對(duì)稱性分布阻射線的影像放大率

同一阻射線影像6次測(cè)量的放大率差異不顯著(P ＞0.05)，U40與 D40、U20與 D20、A40與P40、A20與P20平面間呈對(duì)稱性分布的阻射線影像放大率差異不顯著(P＞0.05)，同一平面4個(gè)象限內(nèi)呈對(duì)稱性分布的阻射線影像放大率差異不顯著(P＞0.05)，予以合并分析。

2.3 偏離水平面、正中矢狀面、冠狀面不同距離的阻射線影像放大率

同名阻射線的影像放大率在平面間的比較:40平面＞20平面＞中心平面，兩兩相比差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05);在線段止點(diǎn)間的比較:遠(yuǎn)離平面中心點(diǎn)的阻射線影像放大率顯著大于接近平面中心點(diǎn)(P＜0.05)(圖2)。

圖2 不同線段止點(diǎn)阻射線的影像放大率

2.4 不同R值阻射線的影像放大率

X、Y、Z 3個(gè)軸向線的放大率均隨著R值的變化而變化:當(dāng)R≤30.4 mm時(shí)，放大率幾乎為0，甚至為負(fù)值;當(dāng)R值＞30.4 mm時(shí)，放大率為正值，且隨著R值的增大而增大。單因素方差分析顯示:同一軸向不同R值的阻射線放大率之間的差異顯著(P＜0.05);組間兩兩相比，除R值為11.2、22.9、26.9、30.4(mm)組間的阻射線放大率差異不顯著(P＞0.05)外，其他R值組間的放大率均有顯著性差異(P＜0.05)，R值越大放大率越大(表1)。阻射線影像放大率與R值呈顯著正相關(guān)(rx=0.996，P＜0.05;ry=0.998，P＜0.05;rz=0.997，P＜0.05)，阻射線影像放大率與R值的關(guān)系為:Mx=0.0007R2-0.0177R+0.0343，My=0.0008R2-0.0225R+0.0499，Mz=0.0008R2-0.0238R+0.0689(圖3);同一R值不同軸向阻射線放大率之間，X軸向的放大率均明顯大于Y軸向、Z軸向的放大率(P＜0.05)，而Y軸向與Z軸向的放大率較為接近(P＞0.05)(表1)。

表1 不同軸向阻射線在不同R值處的影像放大率比較(%s)

表1 不同軸向阻射線在不同R值處的影像放大率比較(%s)

F1為同一R值X、Y、Z不同軸向線放大率方差分析統(tǒng)計(jì)量，*P＜0.05F2為同一軸向不同R值的阻射線放大率方差分析統(tǒng)計(jì)量，*P＜0.05

R值(mm)n X軸向 Y軸向 Z軸向 F1 78.3 48 3.15±0.174 3.00±0.173 3.01±0.166 1.265 70.2 48 2.27±0.124 2.21±0.133 2.21±0.129 4.444*68.7 48 2.17±0.142 2.11±0.130 2.13±0.125 2.197 67.3 72 2.02±0.126 1.98±0.119 1.98±0.140 2.437 64.2 48 1.81±0.142 1.71±0.157 1.79±0.124 6.409*61.0 48 1.61±0.133 1.57±0.134 1.54±0.116 3.682*59.4 48 1.48±0.118 1.44±0.142 1.44±0.116 1.585 57.7 48 1.48±0.133 1.39±0.136 1.39±0.137 7.012*55.9 72 1.37±0.128 1.24±0.169 1.23±0.179 15.383*54.1 72 1.19±0.156 1.04±0.158 1.06±0.138 20.971*50.3 120 0.99±0.127 0.89±0.165 0.87±0.142 20.496*48.2 48 0.80±0.124 0.77±0.127 0.73±0.108 3.257*46.1 24 0.81±0.083 0.65±0.147 0.64±0.131 13.936*43.9 48 0.65±0.134 0.56±0.087 0.56±0.092 12.749*41.5 48 0.48±0.128 0.54±0.136 0.50±0.146 2.734 39.1 24 0.44±0.088 0.30±0.067 0.29±0.065 34.781*36.1 48 0.27±0.114 0.18±0.190 0.24±0.147 3.891*33.5 48 0.04±0.170 0.08±0.217 0.08±0.184 0.651 30.4 24 0.03±0.171 0.00±0.160 0.01±0.138 0.355 26.9 24 -0.02±0.157 -0.02±0.179 -0.07±0.201 0.475 22.9 48 -0.02±0.169 -0.03±0.149 -0.03±0.195 0.049 11.2 24 -0.05±0.202 -0.04±0.210 -0.05±0.213 0.042 F2 1080 1718* 1427* 1576*

圖3 阻射線影像放大率與阻射線偏離FOV中心距離的關(guān)系

3 討論

近年來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展帶動(dòng)了口腔醫(yī)療設(shè)備的全面更新?lián)Q代和醫(yī)療技術(shù)的巨大變革，數(shù)字化口腔醫(yī)療設(shè)備也隨之逐步普及。錐形束CT機(jī)的問(wèn)世預(yù)示著口腔醫(yī)學(xué)已進(jìn)入三維數(shù)字化時(shí)代，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造將逐漸取代傳統(tǒng)手工方法;目前，CAD/CAM技術(shù)、數(shù)字化印模、3D打印、快速成型等已越來(lái)越多的應(yīng)用于口腔醫(yī)療領(lǐng)域，特別是CBCT所得圖像數(shù)據(jù)及CAD軟件與快速成型技術(shù)相結(jié)合將逐步成為研究的趨勢(shì)及熱點(diǎn)。

CBCT影像數(shù)據(jù)是建立牙頜組織數(shù)字化模型的基礎(chǔ)，其數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性關(guān)系到研究結(jié)果的準(zhǔn)確和臨床療效的優(yōu)劣。雖然CBCT影像數(shù)據(jù)在頜面部的一般診斷分析中已足夠精確，但是當(dāng)其作為一種精準(zhǔn)的臨床和科學(xué)研究工具時(shí)，則需要更為準(zhǔn)確的結(jié)果。有研究表明，CBCT技術(shù)屬于容積成像技術(shù)，存在容積效應(yīng)誤差:當(dāng)物體處于兩個(gè)切面斷層面的交界區(qū)時(shí)，則會(huì)在2個(gè)斷層面上同時(shí)顯示該物體的圖像，從而導(dǎo)致物體在CBCT圖像上變大［6］。Sun等［7］對(duì)CBCT不同像素影像上測(cè)量的11個(gè)豬上頜牙槽骨不同高度和厚度的精確性進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，用0.4 mm像素圖像測(cè)量的牙槽骨高度和厚度均比實(shí)際值大。Periago等［8］使用CBCT和Dolphin3D軟件對(duì)23具干燥頭顱標(biāo)本進(jìn)行測(cè)量，并作線性投影測(cè)量分析，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)測(cè)量結(jié)果均與實(shí)際測(cè)量值存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，其中60%測(cè)量值的差異＞1 mm，10% ＜2 mm。

本研究采用Galileo錐形束CT獲取自制模具影像，并對(duì)其中的線距進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果顯示:X、Y、Z軸向線影像放大率的最大值分別為3.4%、3.3%、3.3%，最小值分別為 -0.4%、-0.6%、-0.4%，平均值分別為1.2%、1.1% 、1.1%。表明X、Y、Z 3個(gè)軸向的阻射線影像均存在放大現(xiàn)象，且X軸向的放大率明顯大于Y、Z軸向的放大率，而Y軸向與Z軸向的放大率較為接近。本結(jié)果與馬竟［5］所報(bào)道上頜后牙區(qū)種植體CBCT影像放大率可達(dá)8.71%不盡相同，可能與以下因素有關(guān):①掃描參數(shù)不同，因?yàn)閳D像的精確性與掃描層厚明顯相關(guān)，層厚越大，梯狀偽影越明顯，數(shù)據(jù)誤差也就越大，本研究采用Galileo錐形束CT，掃描層厚為0.30 mm，明顯低于后者的0.50 mm;②上頜牙槽突的傾斜角度對(duì)數(shù)據(jù)測(cè)量的影響;③實(shí)物本身外形的影響，本研究中 72條長(zhǎng) 10.0 mm、深0.3 mm的凹槽由數(shù)控機(jī)床加工而成，所形成的阻射線均為規(guī)整線段，且起止點(diǎn)均有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，而種植體外形則不規(guī)整，實(shí)物測(cè)量時(shí)可能出現(xiàn)誤差。

本研究結(jié)果還顯示，U40與D40、U20與D20、A40與P40、A20與P20平面內(nèi)呈對(duì)稱性分布的阻射線影像放大率的差異均不顯著(P＞0.05)，同一平面4個(gè)象限內(nèi)呈對(duì)稱性分布的阻射線影像放大率差異也不顯著(P＞0.05);表明在CBCT掃描視野內(nèi)對(duì)稱性空間部位的影像放大率差異不顯著。同名阻射線的影像放大率平面間比較:40平面(U40、D40、A40、P40)＞ 20 平面(U20、D20、A20、P20)＞中心平面(H、C)，兩兩間差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05);線段止點(diǎn)間比較:遠(yuǎn)離平面中心點(diǎn)的阻射線影像放大率顯著大于接近平面中心點(diǎn)者(P＜0.05)。該結(jié)果表明，偏離水平面、正中矢狀面、冠狀面不同距離對(duì)阻射線放大率的影響較為顯著，同時(shí)也說(shuō)明CBCT掃描視野中央?yún)^(qū)域放大率較小，外側(cè)區(qū)域放大率則較大。這一特點(diǎn)可能和FDK算法有關(guān)，F(xiàn)DK算法僅在中心平面是精確重建，而偏離中心平面時(shí)則是近似重建;另外由于錐形束CT的X線管的焦點(diǎn)為面光源，呈錐形放射，根據(jù)光學(xué)的幾何投照原理，當(dāng)光線垂直照射物體時(shí)，其影像放大誤差主要受光源與被測(cè)物體之間距離的影響，距離越近，放大越明顯［9］。

本研究中的影像放大率與阻射線的R值呈顯著正相關(guān)，當(dāng)R≤30.4 mm時(shí)，放大率幾乎為0甚至為負(fù)值，且 R 值為 11.2、22.9、26.9、30.4 mm，各組的阻射線放大率兩兩相比，差異均不顯著(P＞0.05);當(dāng)R＞30.4 mm時(shí)，放大率為正值，且組間阻射線的放大率差異顯著(P＜0.05)，R值越大放大率越大。這也證明了在CBCT掃描視野中可能存在區(qū)域劃分，中央?yún)^(qū)域放大率較小，外側(cè)區(qū)域放大率較大。依據(jù)影像放大率與阻射線R值的關(guān)系，還獲得了以R值估計(jì)影像線性放大率M的方程，借助于該方程可反推出實(shí)際值的大小:實(shí)際值=CBCT測(cè)量值/(1+M)，從而為三維有限元建模、生物力學(xué)分析、CAD/CAM技術(shù)、3D打印以及臨床設(shè)計(jì)提供更加真實(shí)的解剖學(xué)數(shù)據(jù)。

綜上所述，錐形束CT影像較實(shí)體有放大，其放大率與被測(cè)物體偏離FOV中心的距離顯著正相關(guān)，但利用方程和R值所估算的被測(cè)物影像實(shí)際值逼近真實(shí)值的程度如何，尚待進(jìn)一步研究。

［1］鄧夢(mèng)昭.錐形束CT在口腔頜面部測(cè)量中的應(yīng)用［J］.國(guó)際口腔醫(yī)學(xué)雜志，2013，40(4):480-482.

［2］Swennen GR，Mommaerts MY，Abeloos J，et al.A cone-beam CT based technique to augment the 3D virtual skull model with a detailed dental surface ［J］.Int J Oral Maxillofacial Surge，2009，38(1):48-57.

［3］Yan S，Shi SG，Niu ZY ，et al.Soft tissue image reconstruction using cone beam computed tomography combined with laser scanning:a novel method to evaluate the Masticatory mucosa［J］.Oral Surg Oral Med Oral Pathol Oral Radiol，2014，118(1):725-731.

［4］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.

［5］馬竟，顧曉明，董晗，等.關(guān)于口腔種植影像測(cè)量的精確性研究［J］.中國(guó)醫(yī)學(xué)工程，2011，19(5):78-80.

［6］Whiteman M，Espinoza L，Post MJ，et al.Central nervous system tuberculosis in HIV-infected-patients:clinical and radiographic findings［J］.AJNR，1995，16(6):1319-1327.

［7］Sun Z，Smith T，Kortam S，et al.Effect of bone thickness on alveolar bone-height measurement From cone beam computed tomography images ［J］.Am J Orthod Dentofacial Orthop，2011，139(2):e117-e127.

［8］Periago DR，Scarfe WC，Moshiri 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.

［9］Bruno FG，Marcos NG，Diogo CF，et al.Accuracy and reliability of craniometric measurements on lateral cephalometry and 3D measurements on CBCT scans［J］.Angle Orthodontist，2011，81(1):26-35.