三維頭影測(cè)量系統(tǒng)建立的研究進(jìn)展*

張 濤 綜述，周 諾 審校

(廣西醫(yī)科大學(xué)附屬口腔醫(yī)院口腔頜面外科，南寧 530021)

·綜 述·

三維頭影測(cè)量系統(tǒng)建立的研究進(jìn)展*

張 濤 綜述，周 諾△審校

(廣西醫(yī)科大學(xué)附屬口腔醫(yī)院口腔頜面外科，南寧 530021)

三維頭影測(cè)量；三維圖像；坐標(biāo)系；定點(diǎn)

自從美國(guó)Broadbent和歐洲的Hofrath提出X射線頭影測(cè)量技術(shù)以來(lái)，頭影測(cè)量一直是口腔正畸和正頜對(duì)畸形診斷、分析及治療前后療效評(píng)價(jià)的重要手段。但是傳統(tǒng)的頭影測(cè)量存在對(duì)三維立體空間體現(xiàn)不足，部分標(biāo)志點(diǎn)的定位不準(zhǔn)，圖像易變形失真等問(wèn)題。同時(shí)，由于頜面部軟組織、頜面部骨骼及牙列可以認(rèn)為是構(gòu)成顱頜面部的三個(gè)元素，是三位一體的，傳統(tǒng)的投影測(cè)量未能同時(shí)考慮三個(gè)要素。隨著三維技術(shù)的發(fā)展，建立一個(gè)新的三維頭影測(cè)量系統(tǒng)成為必然。目前還沒(méi)有任何一種成像技術(shù)可以同時(shí)顯示三要素且讓三者達(dá)到最佳效果，只能通過(guò)不同方法分別獲取三者的圖像，通過(guò)融合技術(shù)來(lái)創(chuàng)造一個(gè)同時(shí)包含三者的虛擬頭像。

建立三維頭影測(cè)量分析系統(tǒng)，包括三維數(shù)據(jù)的獲取、三維數(shù)據(jù)的整合、三維坐標(biāo)系的選擇及三維頭影測(cè)量系統(tǒng)的定點(diǎn)。

1 三維數(shù)據(jù)的獲取

1.1 頜面部骨骼結(jié)構(gòu)的獲取 從二維到三維是一個(gè)巨大的進(jìn)步，CT是目前對(duì)微小的骨骼結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究的最好技術(shù)。關(guān)于CT影像測(cè)量的可信度方面，早有研究證明了其測(cè)量精確性高且可重復(fù)性好[1]。但是CT對(duì)面部掃描的不足在于：(1)費(fèi)用較高；(2)輻射較大；(3)口內(nèi)金屬物體存在干擾；(4)在面及顳骨區(qū)域分辨率不夠。為了克服這些缺點(diǎn)，低花費(fèi)且低輻射的在顱骨產(chǎn)生高分辨率圖像的設(shè)備錐形束(CBCT)出現(xiàn)了。Dillenseger等[2]從測(cè)量線距、幾何準(zhǔn)確性、同質(zhì)性和空間分辨率幾個(gè)方面比較后認(rèn)為在頜面部區(qū)域CBCT是螺旋CT(MSCT)較好的替代選擇。國(guó)內(nèi)外大量研究已經(jīng)表明，CBCT的準(zhǔn)確性和可靠性可以用于臨床[3]。同時(shí)CBCT最重要的優(yōu)勢(shì)是可以在個(gè)人電腦上展示和處理3D數(shù)據(jù)。CBCT作為一個(gè)里程碑式的發(fā)明，為頜面部骨骼的獲取提供了新的契機(jī)。

1.2 頜面部軟組織的獲取 三維頭影測(cè)量基于CBCT影像，但由于CT或CBCT對(duì)軟組織成像差且不能包含皮膚的色彩紋理信息，因此需要同其他頜面部外形輪廓及紋理色彩數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)，才能得到完整的軟組織信息。這些技術(shù)包括激光掃描，立體攝影技術(shù)，結(jié)構(gòu)光技術(shù)等。

激光掃描可以在較小的損傷下獲得頜面部的外形，但是激光掃描存在以下問(wèn)題：掃描時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，掃描過(guò)程中頭位的移動(dòng)會(huì)影響結(jié)果；對(duì)眼睛的傷害，尤其是發(fā)育期的兒童；不能掃描到表面的色彩紋理信息，對(duì)某些基于表面色彩確定的標(biāo)志點(diǎn)帶來(lái)定點(diǎn)困難。

立體攝影技術(shù)指在同一個(gè)平面從2個(gè)不同位置對(duì)同一個(gè)物體進(jìn)行拍攝，然后重建出三維表面的過(guò)程。目前立體攝影技術(shù)已經(jīng)較為廣泛地應(yīng)用于臨床。但是因?yàn)榻M織的反光，頭發(fā)和眉毛的干預(yù)，拍攝過(guò)程中位置的變化均會(huì)影響面部圖像的準(zhǔn)確性。因?yàn)楣獠荒苓M(jìn)入彎曲的和反光的物體表面，特定的結(jié)構(gòu)如眼睛和耳朵，成像質(zhì)量會(huì)較差。

結(jié)構(gòu)光技術(shù)同樣可以獲得頜面部的三維外形，臨床常規(guī)采用的是光面結(jié)構(gòu)光技術(shù)。將二維的結(jié)構(gòu)光圖案投射到待測(cè)物體表面上，數(shù)碼相機(jī)獲取待測(cè)物體的表面圖像，同時(shí)結(jié)構(gòu)光獲取待測(cè)物體表面不同的深度值，基于結(jié)構(gòu)光圖案與待測(cè)物表面的點(diǎn)在三維坐標(biāo)系中的置換就可以實(shí)現(xiàn)三維重建。最初的結(jié)構(gòu)光技術(shù)只要一臺(tái)相機(jī)和光源即可完成，但是往往很難獲得從一側(cè)耳朵到另一側(cè)180°范圍的圖像。Curry等[4]將結(jié)構(gòu)光技術(shù)同立體攝影相結(jié)合，采用兩臺(tái)照相機(jī)和一個(gè)投影儀獲得了可應(yīng)用于臨床的三維面部數(shù)據(jù)。

1.3 牙列的獲取 由于CBCT重建后的牙列模型不能準(zhǔn)確反映頰側(cè)牙槽骨[5]，因此需要與外源的牙列數(shù)據(jù)相結(jié)合。相比于石膏模型分析，數(shù)字化的牙列模型分析能夠帶來(lái)更多復(fù)雜、精細(xì)的分析方法。

獲取牙列三維模型最常用的方法為micro-CT重建或者牙列掃描系統(tǒng)。micro-CT重建可掃描整個(gè)牙列模型包括牙齒下面的區(qū)域，但是重建的時(shí)候需要醫(yī)生自己確定區(qū)分閾值，同時(shí)micro-CT對(duì)常規(guī)臨床應(yīng)用太貴，限制了它的使用。牙列掃描系統(tǒng)則分為直接法和間接法[6]。間接法主要是通過(guò)掃描印模材料或者石膏模型獲得，而直接法則是用口內(nèi)掃描器直接掃描口內(nèi)牙列[7-8]。隨后對(duì)二者進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和曲面重建，獲得一個(gè)接近真實(shí)牙列、 包含形狀信息的三維數(shù)字化牙頜模型[9]。最早的設(shè)備均采用間接法，隨著設(shè)備的改進(jìn)及算法的完善，出現(xiàn)了口內(nèi)牙列掃描器。van der Meer等[10]和 Akyalcin等[8]通過(guò)口內(nèi)掃描機(jī)器得到了牙列的三維數(shù)據(jù)。Seelbach等[11]測(cè)試了3款口內(nèi)牙列掃描儀器，結(jié)果顯示即使是口內(nèi)有固定修復(fù)體的復(fù)雜情況下，依然可以獲得數(shù)據(jù)。Kihara等[12]則證明了使用非接觸式掃描系統(tǒng)可以精確地獲得虛擬頜間記錄，可以用于臨床?；诒砻鎾呙杷惴ǖ牟煌?，不同的掃描設(shè)備會(huì)有技術(shù)差異[8,13]。目前研究表明，數(shù)字化牙列作為正畸檢查模型分析的重要資料，在進(jìn)行牙的大小、牙列擁擠度、牙列間隙、尖牙間牙弓寬度、磨牙間牙弓寬度、Bolton分析等常規(guī)在石膏模型上進(jìn)行的測(cè)量分析時(shí)，其與傳統(tǒng)石膏牙頜模型相比，二者測(cè)量數(shù)據(jù)的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[14]。

2 三維數(shù)據(jù)整合

成像和圖像結(jié)合技術(shù)用于正畸治療和正頜手術(shù)領(lǐng)域面部側(cè)貌、面部骨骼和牙列已經(jīng)超過(guò)一個(gè)世紀(jì)了。最初使用石膏模型來(lái)進(jìn)行術(shù)前設(shè)計(jì)，至今仍然是設(shè)計(jì)術(shù)后咬合的“金標(biāo)準(zhǔn)”。之后臨床開(kāi)始應(yīng)用測(cè)量學(xué)、照片、牙齒和面部的石膏模型結(jié)合來(lái)做治療計(jì)劃。隨著頭影測(cè)量的提出，由于更加準(zhǔn)確地顯示了牙列和頜面部骨骼的關(guān)系，成為了正畸、正頜治療的金標(biāo)準(zhǔn)。從這方面來(lái)說(shuō)，人們從三個(gè)元素中的其中兩個(gè)即牙列和頜面部骨骼開(kāi)始關(guān)注，隨著人們認(rèn)識(shí)到容貌和咬合同等重要，各種關(guān)于側(cè)貌的研究方法開(kāi)始提出，開(kāi)始將三者結(jié)合起來(lái)分析。

三維數(shù)據(jù)整合是未來(lái)三維技術(shù)需要解決的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，也是三維頭影測(cè)量成為一項(xiàng)真正技術(shù)的重要步驟。目前三維多源數(shù)據(jù)配準(zhǔn)的算法原理可大致分為兩類(lèi)：(1)基于標(biāo)志點(diǎn)的配準(zhǔn)；(2)迭代最近點(diǎn)配準(zhǔn)算法。對(duì)于配準(zhǔn)方法的選取，趙一姣等[15]認(rèn)為標(biāo)志點(diǎn)配準(zhǔn)法可操作性較強(qiáng)，標(biāo)志點(diǎn)的選擇、固定和轉(zhuǎn)移操作簡(jiǎn)單，對(duì)使用者軟件處理水平的要求不高，適用于對(duì)精度要求不高的領(lǐng)域。特別在成像質(zhì)量不高的情況下，標(biāo)志點(diǎn)配準(zhǔn)方法是較合適的選擇方案。迭代最近點(diǎn)配準(zhǔn)算法適用于成像質(zhì)量較高的配準(zhǔn)。各項(xiàng)研究表明，目前的多源三維數(shù)據(jù)配準(zhǔn)精確性已可以應(yīng)用于臨床[16]。

3 三維坐標(biāo)系的選擇

在側(cè)位頭影測(cè)量中，通常以眶耳連線定義基準(zhǔn)水平面作為X軸，再以過(guò)鼻根點(diǎn)的垂線作為Y軸，而在正位頭影中以?xún)蓚?cè)顴額縫連線為X軸，以過(guò)雞冠中心點(diǎn)的垂線為Y軸。兩個(gè)測(cè)量坐標(biāo)系的基準(zhǔn)平面和原點(diǎn)并不統(tǒng)一，并且正常的正位片圖像會(huì)顯示出定向的不對(duì)稱(chēng)性，側(cè)位片不能反映此種不對(duì)稱(chēng)性，這樣雙側(cè)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)到正中矢狀面距離將不同。因此，在三位頭影測(cè)量中需要建立新的坐標(biāo)系。

4 三維頭影測(cè)量系統(tǒng)的定點(diǎn)

目前對(duì)于建立準(zhǔn)確的三維模型進(jìn)行了大量的研究，但是對(duì)于測(cè)量最基本的定點(diǎn)卻成了容易忽略的問(wèn)題。三維頭影測(cè)量系統(tǒng)中的定點(diǎn)分為頜面部骨骼定點(diǎn)、頜面部軟組織定點(diǎn)及牙列三維模型定點(diǎn)。

4.1 頜面部骨骼定點(diǎn) 三維圖像是在二維的顯示器上顯示出深度而出現(xiàn)的，所以三維定點(diǎn)存在視覺(jué)誤差，而且定點(diǎn)易受觀測(cè)者主觀判斷的影響，同時(shí)三維空間與二維平面存在差別。比如頦下點(diǎn)，在二維坐標(biāo)系可以很明確地確定，在真實(shí)顱骨上卻是難以定位的。還有在真實(shí)的顱骨上并不存在下頜角點(diǎn)等。因此三維測(cè)量與傳統(tǒng)頭影測(cè)量在標(biāo)志點(diǎn)的選擇、標(biāo)志點(diǎn)的定義及標(biāo)志點(diǎn)的定位方法上都是有所不同的，需要建立一套新的標(biāo)志點(diǎn)的定位要求。Naji等[3]研究顯示，CBCT影像中可靠性和可重復(fù)性最高的解剖標(biāo)志點(diǎn)是頦孔、眶下孔、翼突溝下段、樞椎齒突、寰椎橫突孔、下頜骨髁突內(nèi)部及外部、床突上部、中床突。

4.2 軟組織定點(diǎn) 明度、對(duì)比度等的不同均會(huì)影響定點(diǎn)的準(zhǔn)確性，何穎等[21]測(cè)試了59個(gè)樣本的23個(gè)軟組織標(biāo)記點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)軟組織標(biāo)記點(diǎn)定位重復(fù)性最差的依次為頦下點(diǎn)，顴突點(diǎn)和下頜角點(diǎn)。

4.3 牙列三維模型定點(diǎn) Hayashi等[6]研究認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)化的定點(diǎn)可以消除部分人為誤差，可以提高測(cè)量精度。但是，目前尚未得出統(tǒng)一的定點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)，這需要在臨床工作中積極地探索與進(jìn)一步研究。

5 臨床應(yīng)用與展望

通過(guò)頜面部的骨骼、軟組織及牙頜的三維數(shù)字化模型建立，借助融合交互技術(shù)，可以準(zhǔn)確地將三種數(shù)字化三維信息整合，除了可以使醫(yī)生對(duì)牙頜面畸形做出更全面精確的判斷與分析、進(jìn)行模擬治療、為教學(xué)和科研提供豐富的資料等外，隨著精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的發(fā)展，未來(lái)每個(gè)患者都將建立一個(gè)“虛擬的自身”，任何的醫(yī)學(xué)操作都可以模擬以后再進(jìn)行。

作者認(rèn)為未來(lái)三維頭影測(cè)量系統(tǒng)的發(fā)展方向依賴(lài)于高精度大范圍低放射量的CBCT的發(fā)展，圖像交互融合配準(zhǔn)算法的進(jìn)步及三維顯示技術(shù)的發(fā)展。最終達(dá)到一次成像即可獲得精準(zhǔn)的頜面部骨骼、頜面部軟組織及牙列的數(shù)據(jù)。

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10.3969/j.issn.1671-8348.2017.06.040

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(81360166)。

張濤(1990-)，住院醫(yī)師，碩士，主要從事口腔頜面外科三維數(shù)字化研究?！?/p>

，E-mail:nuozhou@hotmail.com。

R782.2

A

1671-8348(2017)06-0842-03

2016-10-06

2016-11-05)