對(duì)基于標(biāo)志點(diǎn)的顱面部三維影像重疊方法的改進(jìn)及新的上頜骨三維影像重疊方法

翁 瑤，王紫儀，張曉東

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

對(duì)基于標(biāo)志點(diǎn)的顱面部三維影像重疊方法的改進(jìn)及新的上頜骨三維影像重疊方法

翁 瑤，王紫儀，張曉東*

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

目的 優(yōu)化現(xiàn)有的基于標(biāo)志點(diǎn)的三維影像重疊方法，并在此基礎(chǔ)上提出一種更為簡(jiǎn)便的用以重疊上頜骨三維影像方法。方法 對(duì)9名志愿者均間隔1年拍攝2幅錐形束CT(CBCT)影像，比較兩種數(shù)學(xué)運(yùn)算方法(6點(diǎn)優(yōu)化法和8點(diǎn)優(yōu)化法)對(duì)建立ELSA共坐標(biāo)系誤差的優(yōu)化效果。以前后鼻棘點(diǎn)(ANS、PNS)建立用以重疊上頜骨的共坐標(biāo)系(ANS、PNS共坐標(biāo)系)。挑選數(shù)個(gè)標(biāo)志點(diǎn)檢測(cè)影像的重疊誤差，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。結(jié)果 在未優(yōu)化、6點(diǎn)優(yōu)化、8點(diǎn)優(yōu)化3種方法中，ELSA共坐標(biāo)系建立的平均線距和角度誤差分別為(0.60±0.47)mm和(0.49±0.38)°、(0.44±0.39)mm和(0.48±0.37)°、(0.41±0.34)mm和(0.41±0.32)°，8點(diǎn)優(yōu)化法對(duì)ELSA共坐標(biāo)系建立的平均線距誤差小于無優(yōu)化和6點(diǎn)優(yōu)化法(P<0.05)。ELSA共坐標(biāo)系下各標(biāo)志點(diǎn)重疊的平均線距和角度誤差分別為(0.95±0.50)mm和(1.06±0.65)°、(0.92±0.54)mm和(0.92±0.58)°、(0.80±0.43)mm和(0.87±0.59)°，3種方法差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.000 1)。經(jīng)8點(diǎn)優(yōu)化后，在ELSA、ANS、PNS共坐標(biāo)系中用以重疊上頜骨的各標(biāo)志點(diǎn)的平均線距和角度誤差分別為(0.92±0.47)mm和(1.14±0.66)°、(0.99±0.47)mm和(1.33±0.64)°、(1.00±0.62)mm和(1.08±0.70)°。結(jié)論 本研究提出的8點(diǎn)優(yōu)化法可顯著提高ELSA共坐標(biāo)系的準(zhǔn)確性，且所提出的上頜骨三維影像重疊方法的誤差已基本達(dá)到進(jìn)行臨床病例分析的要求范圍。

錐形束計(jì)算機(jī)體層攝影術(shù)；三維頭影重疊；優(yōu)化；算法；頭影測(cè)量學(xué)

在正畸和口腔其他領(lǐng)域，錐形束CT(cone-beam computed tomography， CBCT)的應(yīng)用已經(jīng)越來越普及[1]。CBCT可用于三維頭影測(cè)量分析、上氣道和顳下頜關(guān)節(jié)的測(cè)量、評(píng)估牙體牙髓的病變和埋伏牙等，三維頭影重疊可測(cè)量顱骨生長(zhǎng)發(fā)育以及預(yù)測(cè)治療效果[2-3]。由于人為確定解剖標(biāo)志點(diǎn)的誤差對(duì)重疊的準(zhǔn)確性產(chǎn)生極大的影響[4]，目前優(yōu)化此方法主要是通過增加額外標(biāo)志點(diǎn)(控制點(diǎn))并假定其位置在生成的坐標(biāo)系中不變而實(shí)現(xiàn)[5-7]。目前，使用基于標(biāo)志點(diǎn)的重疊方法進(jìn)行臨床分析的研究較少，本研究對(duì)基于標(biāo)志點(diǎn)的重疊方法進(jìn)行優(yōu)化，并在此基礎(chǔ)上提出一種更為簡(jiǎn)便的重疊上頜骨三維影像的方法。

1 資料與方法

1.1一般資料 2015年2月—2016年2月間招募9名志愿者，其中男2名，女7名，年齡24～51歲，平均(28.9±8.6)歲。所有志愿者均間隔1年接受2次錐形束CT檢查(T1、T2)。

1.2 儀器與方法 采用KaVo iCat CBCT機(jī)，管電壓120 kV，管電流5 mA，曝光時(shí)間8.9 s，層厚0.3 mm，F(xiàn)OV 232 mm×170 mm，灰度值14位，圖像采集單次旋轉(zhuǎn)360°，圖像輸出格式DICOM 3.0。由同1名具有專業(yè)資格且經(jīng)驗(yàn)豐富的放射科醫(yī)師操作。

1.3 基于解剖標(biāo)志點(diǎn)的三維頭影重疊方法

1.3.1 解剖標(biāo)志點(diǎn) 本研究使用的各解剖標(biāo)志點(diǎn)如下：左右棘孔(Fs_L、Fs_R)及其中點(diǎn)(ELSA)；左右側(cè)耳點(diǎn)(Po_L、Po_R)；枕骨大孔后緣點(diǎn)(DFM)；左右卵圓孔點(diǎn)(LFO、RFO)；左右眶下孔點(diǎn)(IO_L、IO_R)；前鼻棘點(diǎn)(ANS)；后鼻棘點(diǎn)(PNS)；鼻根點(diǎn)(N)；顱底點(diǎn)(Ba)；切牙孔后緣點(diǎn)(Ifn)；左右頦孔點(diǎn)(Mf_L、Mf_R)；左右髁突內(nèi)側(cè)極點(diǎn)(MPC_L、MPC_R)；左右髁突外側(cè)極點(diǎn)(LPC_L、LPC_R)；左右下頜小舌點(diǎn)(Li_R、Li_L)；上頜左右腭大孔前緣點(diǎn)(GPF_L、GPF_R)。由同1名醫(yī)師采用InVivo5軟件(Anatomage, San Jose, CA)于同一屏幕上同時(shí)對(duì)T1、T2兩幅三維影像的解剖標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行定位。

1.3.2 建立ANS和PNS共坐標(biāo)系 在ELSA共坐標(biāo)系[4]的基礎(chǔ)上建立用以重疊上頜骨的ANS和PNS共坐標(biāo)系。ANS共坐標(biāo)系的建立：首先根據(jù)Lagravère等[4]的方法建立ELSA共坐標(biāo)系，然后在ELSA共坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上將所有標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)減去點(diǎn)ANS的坐標(biāo)，從而將ELSA共坐標(biāo)系平移至以解剖標(biāo)志點(diǎn)ANS為原點(diǎn)的坐標(biāo)系。如果有n個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，則坐標(biāo)系平移后每個(gè)標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算方法為：

(1)

(2)

其中矩陣[A1]為：

(3)

角使用坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)前的點(diǎn)PNS：

(4)

腳標(biāo)x、y、z表示相應(yīng)的坐標(biāo)軸，并經(jīng)以下運(yùn)算獲得角

(5)

以上即為第1次坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)。然后，以第1次旋轉(zhuǎn)后的坐標(biāo)系的z軸為旋轉(zhuǎn)軸再次旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，使點(diǎn)ANS的x軸坐標(biāo)為零，第2次旋轉(zhuǎn)后的點(diǎn)PNS以下式表示：

(6)

矩陣[A2]為：

(7)

角使用第1次坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)后的點(diǎn)PNS：

(8)

腳標(biāo)x、y、z表示相應(yīng)的坐標(biāo)軸，并經(jīng)以下運(yùn)算獲得

(9)

這兩步的坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)可被應(yīng)用于任一原ELSA共坐標(biāo)系下的標(biāo)志點(diǎn)，其式如下

(10)

上式中j表示第n個(gè)解剖標(biāo)志點(diǎn)。

經(jīng)2次坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)后，即成功建立用以重疊上頜骨的ANS共坐標(biāo)系。PNS共坐標(biāo)系的建立與ANS共坐標(biāo)系的建立基本相同，以PNS作為坐標(biāo)系的原點(diǎn)。

1.4 對(duì)既往6點(diǎn)優(yōu)化法的改進(jìn) 為校正人為定點(diǎn)誤差，DeCesare等[3]于2013年提出了6點(diǎn)優(yōu)化法，其原理為對(duì)多個(gè)目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)化問題進(jìn)行求解，以求出T2圖像中的點(diǎn)Po_L、Po_R和DFM的校正向量。這些目標(biāo)函數(shù)分別為：①Po_L、Po_R、DFM之間及與RFO和LFO之間的相對(duì)距離；②Po_L、Po_R、DFM之間及與RFO和LFO之間的相對(duì)角度。而本研究提出的8點(diǎn)優(yōu)化法即在上述6點(diǎn)優(yōu)化法的基礎(chǔ)上額外增加兩個(gè)控制點(diǎn)(IO_L和IO_R)，如此文獻(xiàn)中的6點(diǎn)優(yōu)化法即變?yōu)椋?/p>

(11)

關(guān)于δuPo_L、δuPo_R、δuDFM的函數(shù)

(12)

邊界：(-5, -5, -5) < δuPo_L< (5, 5, 5)

(13)

(-5, -5, -5) < δuPo_R< (5, 5, 5)

(14)

(-5, -5, -5) < δuDFM< (5, 5, 5)

(15)

上式中fi指公式(11)的最優(yōu)化問題中的主要目標(biāo)函數(shù)；gi指公式(11)的最優(yōu)化問題中的次要目標(biāo)函數(shù)；δuPo_L、δuPo_R、δuDFM分別為Po_L、Po_R、DFM的校正向量，用以設(shè)置T2圖像的坐標(biāo)系；wf,i為fi的權(quán)重系數(shù)；wg,j為gi的權(quán)重系數(shù)。權(quán)重系數(shù)的分配基于目標(biāo)函數(shù)的重要性且滿足公式(16)：

(16)

(17)

(18)

(19)

1.5坐標(biāo)系有效性的測(cè)量

1.5.2 測(cè)量三維圖像的重疊誤差 在ELSA、PNS、ANS共坐標(biāo)系中分別計(jì)算以下參數(shù)：①計(jì)算各標(biāo)志點(diǎn)在T1和T2圖像間的歐氏距離，并取其平均值作為ELSA共坐標(biāo)系下三維圖像重疊的平均線距誤差；②計(jì)算各標(biāo)志點(diǎn)連線在T1和T2圖像中的角度，并取其平均值作為各共坐標(biāo)系下三維圖像重疊的平均角度誤差；③計(jì)算在不同優(yōu)化方法下(6點(diǎn)優(yōu)化法、8點(diǎn)優(yōu)化法)各坐標(biāo)系中(ELSA共坐標(biāo)系、PNS共坐標(biāo)系、ANS共坐標(biāo)系)T1、T2圖像間各標(biāo)志點(diǎn)在各坐標(biāo)軸(x,y,z)上的差異。

1.7試驗(yàn)流程 ①在InVivo5軟件中對(duì)9組樣本進(jìn)行解剖標(biāo)志點(diǎn)定位；②將9組樣本標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel軟件，并在Excel軟件中進(jìn)行ELSA共坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換運(yùn)算；③將ELSA坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換運(yùn)算的結(jié)果導(dǎo)入Matlab軟件中進(jìn)行優(yōu)化算法的運(yùn)算；④將優(yōu)化算法的運(yùn)算結(jié)果再次導(dǎo)入Excel軟件，完成優(yōu)化后的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換運(yùn)算，同時(shí)計(jì)算各優(yōu)化方法下各坐標(biāo)系的建立誤差和圖像重疊誤差；⑤采用SPSS軟件中完成統(tǒng)計(jì)分析。本研究中坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的運(yùn)算均采用Excel軟件，不需圖形化的操作。

2 結(jié)果

2.1 ELSA共坐標(biāo)系的建立誤差(表1) 未優(yōu)化、6點(diǎn)和8點(diǎn)優(yōu)化法建立ELSA共坐標(biāo)系的平均線距誤差的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.02)，但6點(diǎn)和8點(diǎn)優(yōu)化方法間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，8點(diǎn)優(yōu)化法平均線距誤差小于未優(yōu)化時(shí)(P<0.05)，從(0.60±0.47)mm降低至(0.41±0.34)mm。未優(yōu)化、6點(diǎn)和8點(diǎn)優(yōu)化方法對(duì)ELSA共坐標(biāo)系建立的平均角度誤差差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.06)。采用6點(diǎn)優(yōu)化法后，Mf_L、Mf_R、Ba的平均角度誤差均增大，只有N點(diǎn)的平均角度誤差減小。而采用8點(diǎn)優(yōu)化法時(shí)，所有檢測(cè)點(diǎn)的平均線距誤差和平均角度誤差均減小。各標(biāo)志點(diǎn)在T1、T2圖像間各坐標(biāo)軸的差異見圖1。8點(diǎn)優(yōu)化法效果示例見圖2。

圖1 各標(biāo)志點(diǎn)在T1、T2圖像間各坐標(biāo)軸的差異 A.ELSA共坐標(biāo)系下所有標(biāo)志點(diǎn)在各坐標(biāo)軸上差異的三維散點(diǎn)圖； B.圖1A數(shù)據(jù)的箱式圖； C.采用8點(diǎn)優(yōu)化法后，上頜骨各標(biāo)志點(diǎn)在各坐標(biāo)系中坐標(biāo)軸差異的三維散點(diǎn)圖； D.圖1C數(shù)據(jù)的箱式圖 (箱式圖的上、下界分別為95%分位數(shù)和5%分位數(shù)，箱體的上、下界分別為1/4分位數(shù)和3/4分位數(shù)，箱體中的橫線為均值；a：Friedman檢驗(yàn)的結(jié)果；連線表示兩兩比較Dunn's檢驗(yàn)的結(jié)果；*：P<0.05；**：P<0.01；***：P<0.001；****：P<0.000 1)

檢測(cè)點(diǎn) 平均線距誤差(mm)平均角度誤差(°)Mf＿L 未優(yōu)化0．62±0．490．45±0．31 6點(diǎn)優(yōu)化法0．50±0．450．48±0．38 8點(diǎn)優(yōu)化法0．41±0．360．36±0．26Mf＿R 未優(yōu)化0．72±0．520．46±0．34 6點(diǎn)優(yōu)化法0．62±0．450．51±0．41 8點(diǎn)優(yōu)化法0．61±0．380．45±0．35N 未優(yōu)化0．44±0．390．50±0．35 6點(diǎn)優(yōu)化法0．31±0．260．33±0．22 8點(diǎn)優(yōu)化法0．32±0．290．35±0．24Ba 未優(yōu)化0．62±0．430．58±0．50 6點(diǎn)優(yōu)化法0．31±0．270．59±0．41 8點(diǎn)優(yōu)化法0．29±0．250．50±0．39總體平均值 未優(yōu)化0．60±0．470．49±0．38 6點(diǎn)優(yōu)化法0．44±0．390．48±0．37 8點(diǎn)優(yōu)化法0．41±0．34?0．41±0．32χ2值8．225．57P值<0．02>0．06

注：*：與未優(yōu)化比較P<0.05

2.2 三維圖像的重疊誤差

2.2.1 平均線距誤差 不同優(yōu)化方法ELSA共坐標(biāo)系各標(biāo)志點(diǎn)的平均線距誤差見表2。未優(yōu)化、6點(diǎn)優(yōu)化和8點(diǎn)優(yōu)化在ELSA共坐標(biāo)系下的平均線距誤差為(0.95±0.50)mm、(0.92±0.54)mm、(0.80±0.43)mm，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(χ2=56.80，P<0.000 1)。采用8點(diǎn)優(yōu)化法評(píng)價(jià)上頜骨重疊的標(biāo)志點(diǎn)在ELSA、ANS、PNS共坐標(biāo)系的平均線距誤差見表3。ELSA、ANS、PNS共坐標(biāo)系的平均線距重疊誤差分別為(0.92±0.47)mm、(0.99±0.47)mm、(1.00±0.62)mm，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(χ2=2.84，P>0.24)。

2.2.2 平均角度誤差 不同優(yōu)化方法ELSA共坐標(biāo)系各標(biāo)志點(diǎn)的平均角度誤差見表4。未優(yōu)化、6點(diǎn)優(yōu)化和8點(diǎn)優(yōu)化在ELSA共坐標(biāo)系下各標(biāo)志點(diǎn)重疊的平均角度誤差分別為(1.06±0.65)°、(0.92±0.58)°、(0.87±0.59)°，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(χ2=26.70，P<0.0001)。采用8點(diǎn)優(yōu)化法評(píng)價(jià)上頜骨骨重疊的標(biāo)志點(diǎn)在ELSA、ANS、PNS共坐標(biāo)系的平均角度誤差見表5。PNS共坐標(biāo)系的平均角度重疊誤差[(1.08±0.70)°]小于ANS共坐標(biāo)系[(1.33±0.64)°]，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(χ2=7.81，P<0.02)；PNS與ELSA[(1.14±0.66)°]、ANS與ELSA共坐標(biāo)系之間平均角度誤差差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)。

3 討論

目前，兩種三維頭影重疊方法分別為基于體素的重疊方法[2,8-9]和基于解剖標(biāo)志點(diǎn)的重疊方法[4,6-7]?；隗w素的重疊方法是使用計(jì)算機(jī)技術(shù)自動(dòng)重疊參照結(jié)構(gòu)，之后計(jì)算目標(biāo)結(jié)構(gòu)中所有像素點(diǎn)的位置差異，并用不同的顏色加以標(biāo)示，最終生成一幅色譜圖以顯示骨的位置變化。

圖2 8點(diǎn)優(yōu)化法效果示例 A.ELSA共坐標(biāo)系未優(yōu)化時(shí)圖像的重疊情況； B.采用8點(diǎn)優(yōu)化法優(yōu)化ELSA共坐標(biāo)系后圖像的重疊情況 (綠色和黃色影像的拍攝間隔1年，藍(lán)色標(biāo)志點(diǎn)來自綠色影像，紅色標(biāo)志點(diǎn)來自黃色影像

目前基于體素的重疊方法已大量應(yīng)用于臨床資料分析，并顯示其較高的準(zhǔn)確性。理論上該方法可徹底消除測(cè)量者的操作誤差[10-12]。而基于標(biāo)志點(diǎn)的重疊方法則是利用解剖標(biāo)志點(diǎn)所確定的平面來重疊圖像，與傳統(tǒng)的二維重疊方法相似，因此更易被正畸醫(yī)師們接受[3]。其原理為使用一系列定義明確的解剖標(biāo)志點(diǎn)確定兩個(gè)相互垂直的平面，并以此生成一個(gè)共同的三維直角坐標(biāo)系[4]。其主要缺陷是測(cè)量者的定點(diǎn)誤差會(huì)

影響影像重疊的準(zhǔn)確性[7]，因而需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法進(jìn)行優(yōu)化[3,7]，并且對(duì)標(biāo)志點(diǎn)有很高的要求，如定位穩(wěn)定、位置不受生長(zhǎng)發(fā)育影響等[3,13]。目前，使用基于標(biāo)志點(diǎn)的重疊方法的研究[5]較少，本研究對(duì)基于標(biāo)志點(diǎn)的重疊方法進(jìn)行優(yōu)化，并在此基礎(chǔ)上提出一種更為簡(jiǎn)便的三維上頜骨重疊方法。

3.1 各優(yōu)化方法的效果評(píng)價(jià) 本研究發(fā)現(xiàn)在未應(yīng)用優(yōu)化方法時(shí)，ELSA共坐標(biāo)系建立的平均線距誤差僅(0.60±0.47)mm，與DeCesare等[3]的研究結(jié)果相差較大[(1.64±0.62)mm]，可能是由于本研究中實(shí)驗(yàn)者同時(shí)在前后兩幅CT圖像上同時(shí)定點(diǎn)所致。6點(diǎn)優(yōu)化法并未顯著改善坐標(biāo)系的建立誤差，8點(diǎn)優(yōu)化法在優(yōu)化坐標(biāo)系建立的線距誤差時(shí)與其他2種方法差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。8點(diǎn)優(yōu)化法對(duì)影像重疊的角度誤差的優(yōu)化效果[(0.87±0.59)°]優(yōu)于6點(diǎn)優(yōu)化法[(0.92±0.58)°]。同時(shí)，僅8點(diǎn)優(yōu)化法對(duì)各標(biāo)志點(diǎn)y軸誤差的優(yōu)化差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(圖1B)，且8點(diǎn)優(yōu)化法后各坐標(biāo)軸上的誤差范圍更小(<±2 mm)。根據(jù)DeCesare等[3]優(yōu)化方法的原理，控制點(diǎn)越多其優(yōu)化效果越好，但同時(shí)更多的控制點(diǎn)將包含更多的人為定點(diǎn)誤差，所以其數(shù)量勢(shì)必存在一個(gè)均衡點(diǎn)，本研究結(jié)果提示采用4個(gè)控制點(diǎn)為最優(yōu)選擇。

表2 不同優(yōu)化方法ELSA共坐標(biāo)系下(19個(gè)點(diǎn))的平均線距誤差(mm， ±s)

表3 8點(diǎn)優(yōu)化法三維影像重疊(用以評(píng)價(jià)上頜骨重疊的標(biāo)志點(diǎn))在不同坐標(biāo)系的平均線距誤差±s)

表4 不同優(yōu)化方法ELSA共坐標(biāo)系下(14個(gè)角)的平均角度誤差(°， ±s)

注：*：與未優(yōu)化比較,P<0.05；**：與未優(yōu)化比較,P<0.000 1

表5 8點(diǎn)優(yōu)化法三維影像重疊(用以評(píng)價(jià)上頜骨重疊的角)在不同坐標(biāo)系的平均角度誤差±s)

注：*:與ANS坐標(biāo)系比較,P<0.05

本研究中，采用8點(diǎn)優(yōu)化方法后，用以建立坐標(biāo)系的4個(gè)點(diǎn)基本上完全重合，而控制點(diǎn)中只有RFO點(diǎn)的重疊誤差較大(圖2)，可能是由于其本身的定點(diǎn)誤差所致，所以哪種控制點(diǎn)的組合對(duì)優(yōu)化的效果最好，也有待進(jìn)一步研究。

3.2 ELSA共坐標(biāo)系下圖像的重疊誤差 Lagravère等[14]認(rèn)為，標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別的平均誤差<1 mm即可被臨床認(rèn)可應(yīng)用，誤差為1～2 mm則可謹(jǐn)慎地用于各種頭部影像分析中，如果誤差>2 mm則認(rèn)為此標(biāo)志點(diǎn)的識(shí)別度很差而不可應(yīng)用于臨床。本研究的結(jié)果顯示，經(jīng)8點(diǎn)優(yōu)化方法后，在ELSA共坐標(biāo)系中，ANS和PNS的平均線距誤差和平均角度誤差均小于1 mm和1°，為使用此2點(diǎn)建立用以重疊上頜骨三維影像的坐標(biāo)系提供了足夠的支持。此外，在PNS和ANS共坐標(biāo)系下各標(biāo)志點(diǎn)的線距及角度誤差基本在1 mm和1°左右，提示本研究提出的重疊上頜骨的方法可謹(jǐn)慎用于臨床病例的各種頭部影像分析。

本研究發(fā)現(xiàn)，在ELSA共坐標(biāo)系下，點(diǎn)MPC_L、MPC_R、LPC_L、LPC_R及其連線MPC_L—MPC_R、LPC_L—LPC_R均有良好的穩(wěn)定性和精確性。但Uzel等[15]采用與上述類似的方法測(cè)量髁突位置并與髁突記錄儀的結(jié)果對(duì)比，結(jié)果表明該CBCT方法在測(cè)量髁突位置時(shí)準(zhǔn)確性不佳。Uzel等[15]使用的測(cè)量方法(首先在三維影像數(shù)據(jù)中選取幾個(gè)作為參照的解剖標(biāo)志點(diǎn)，之后通過這些點(diǎn)來確定一個(gè)或多個(gè)二維的工作平面，最后在這個(gè)或這些工作平面進(jìn)行二維測(cè)量)，不僅丟失了三維數(shù)據(jù)中的大量信息，而且在這些研究中用來確定工作平面的解剖結(jié)構(gòu)為一些定義不明確的標(biāo)志點(diǎn)(如最突點(diǎn)、最凹點(diǎn)等光滑骨表面的結(jié)構(gòu))，增大了測(cè)量誤差。本研究采用的點(diǎn)MPC_L、MPC_R、LPC_L、LPC_R的定義相對(duì)明確，且其定位也不需要周圍比較模糊的關(guān)節(jié)窩中的解剖結(jié)構(gòu)輔助。Lemieux等[13]使用顱骨標(biāo)本進(jìn)行CBCT研究，發(fā)現(xiàn)點(diǎn)Li_R、Li_L在三維影像上的定位與干顱骨上的實(shí)際位置相差較大(空間位置誤差>1 mm)，但本研究顯示點(diǎn)Li_R、Li_L的定位穩(wěn)定、可靠，若不考慮影像上此點(diǎn)與實(shí)際解剖結(jié)構(gòu)的差異，有望將用其來建立重疊下頜骨三維影像的共坐標(biāo)系。

3.3 本研究提出的新的上頜骨重疊方法 鑒于本研究顯示出8點(diǎn)優(yōu)化可精準(zhǔn)建立ELSA共坐標(biāo)系，并考慮到顱面部各解剖結(jié)構(gòu)間的位置關(guān)系存在的內(nèi)在規(guī)律，如在8點(diǎn)優(yōu)化后的ELSA共坐標(biāo)系下，如二維頭影重疊僅使用一條參考線即可重疊顱面部的三維的解剖結(jié)構(gòu)，本研究也對(duì)該法進(jìn)行了初步的探索。本研究結(jié)果顯示即使經(jīng)過8點(diǎn)優(yōu)化法后，點(diǎn)ANS的重疊誤差[(0.97±0.44)mm]依然大于點(diǎn)PNS[(0.83±0.38)mm]。且ANS共坐標(biāo)系下x軸和z軸的重疊誤差更大，且差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05，圖1D)。3種共坐標(biāo)系間的平均線距重疊誤差差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但PNS共坐標(biāo)系的平均角度重疊誤差較ANS共坐標(biāo)系更小且差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。PNS共坐標(biāo)系略優(yōu)于ANS共坐標(biāo)系。但PNS共坐標(biāo)系和ANS共坐標(biāo)系均僅使用2個(gè)點(diǎn)建立，因此重疊的平均角度誤差應(yīng)被重點(diǎn)考慮。筆者推薦在經(jīng)8點(diǎn)優(yōu)化法優(yōu)化后的ELSA共坐標(biāo)系下重疊上頜骨三維影像時(shí)，使用以PNS為原點(diǎn)的PNS共坐標(biāo)系。

總之，本研究所提出的上頜骨三維影像的重疊方法，除標(biāo)志點(diǎn)定點(diǎn)外，其余步驟均不需進(jìn)行影像重建，也無需對(duì)某一解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的人工分割，與傳統(tǒng)的二維頭影重疊方法相似，但可在三維方向分析上頜牙列相對(duì)于上頜骨的位置變化，很大程度降低了對(duì)硬件的要求，并因此提高了批量重疊影像的效率。

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Optimization for landmarks-based three-dimensional cephalometric superimposition and a method for superimposition of three-dimensional image of maxilla

WENGYao,WANGZiyi,ZHANGXiaodong*

(DepartmentofStomatology,theGeneralHospitalofShenyangMilitaryRegion,Shenyang110840,China)

Objective To optimize the existed landmarks-based-superimposition technique, and to propose a new simple method for regional superimposition of the maxillary complex. Methods Totally 9 volunteers were included, who were performed twice cone beam CT (CBCT) in one-year interval. ELSA co-ordinate were corrected using two kind of numerical optimization algorithm (6-point method and 8-point method), and the operator error of landmark location were compared. The anterior and posterior nasal spine (ANS and PNS) co-ordinate system were constructed only using two anatomical landmarks (ANS and PNS) for regional superimposition of the maxillary complex. Several landmarks were pick up to evaluate the error of superimposition and analyze the difference by statistic method. Results In correction, 6-point method and 8-point method, the average error of linear and angle measurement of the ELSA co-ordinate were (0.60±0.47)mm and (0.49±0.38)°, (0.44±0.39)mm and (0.48±0.37)°, (0.41±0.34)mm and (0.41±0.32)° respectively. The average error of linear measurements significantly decreased (P<0.05) in 8-point method. The average error of superimposition of all picked landmarks on ELSA co-ordinate were (0.95±0.50)mm and (1.06±0.65)°, (0.92±0.54)mm and (0.92±0.58)°, (0.80±0.43)mm and (0.87±0.59)° respectively. The differences had statistical significance (P<0.000 1). In optimized by 8-point method, the average error of superimposition of all picked landmarks on ELSA, ANS and PNS co-ordinate were (0.92±0.47)mm and (1.14±0.66)°, (0.99±0.47)mm and (1.33±0.64)°, (1.00±0.62)mm and (1.08±0.70)° respectively. Conclusion Significant improvement of superimposition is observed using 8-point method. The improved method is accuracy to analyze the clinical data.

Cone-beam computed tomography; Three-dimensional superimposition; Optimization; Algorithm; Cephalometrics

遼寧省自然科學(xué)基金(2015020428)。

翁瑤(1989—)，女，遼寧沈陽人，碩士，醫(yī)師。研究方向：口腔正畸。E-mail: hsbr@icloud.com

張曉東，沈陽軍區(qū)總醫(yī)院口腔內(nèi)科，110840。E-mail: zxd99233@163.com

2016-06-18

2016-10-17

R814.42

A

1003-3289(2017)01-0124-08

10.13929/j.1003-3289.201606089