基于CBCT影像的新圖像配準(zhǔn)技術(shù)在顳下頜關(guān)節(jié)疾病診療中的運(yùn)用

張偉華 馮斌 汪郡 王香萍 戴金晨 項(xiàng)明娣 胡萬(wàn)龍

【摘 要】目的 基于CBCT影像的新圖像配準(zhǔn)技術(shù)在顳下頜關(guān)節(jié)疾病診療的流程，并對(duì)其可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)。方法 選取2022年1月-2023年1月于本院行正頜手術(shù)治療的34例患者為研究對(duì)象，采集患者術(shù)前術(shù)后錐形束CT（CBCT）圖像，在開(kāi)源軟件（3D Slicer）中，運(yùn)用基于體素的圖像配準(zhǔn)技術(shù)，測(cè)量髁突的位置和形態(tài)學(xué)變化，并采用同類相關(guān)系數(shù)（ICC）對(duì)該方法的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果 髁突軸向旋轉(zhuǎn)的ICC為0.976，軸向平移的ICC為0.984，表面變化測(cè)量的ICC為0.947。結(jié)論 基于CBCT圖像新配準(zhǔn)技術(shù)在測(cè)量髁突旋轉(zhuǎn)、位移和形態(tài)變化方面具有很大的穩(wěn)定性，為顳下頜關(guān)節(jié)疾病的診療提供了可靠的評(píng)估。

【關(guān)鍵詞】CBCT；顳下頜關(guān)節(jié)；髁突

中圖分類號(hào)：R783.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-4949（2023）11-0153-04

基金項(xiàng)目：2021年浙江省教育廳項(xiàng)目（編號(hào)：Y202147266）

Application of New Image Registration Technology Based on CBCT images in the Diagnosis and Treatment of Temporomandibular Joint Diseases

ZHANG Wei-hua， FENG Bin， WANG Jun， WANG Xiang-ping， DAI Jin-chen， XIANG Ming-di， HU Wan-long

（Department of Imaging， the Stomatology Hospital， Zhejiang University School of Medicine/ School of Stomatology， Zhejiang University/Clinical Research Center of Oral Diseases of Zhejiang Province/Key Laboratory of Oral Biomedical Research of Zhejiang Province/Zhejiang University Cancer Center， Hangzhou 310000， Zhejiang， China）

【Abstract】Objective To evaluate the reliability of a new image registration technique based on CBCT images in the diagnosis and treatment of temporomandibular joint diseases. Methods The preoperative and postoperative cone beam CT （CBCT） images of 34 patients who underwent orthognathic surgery in our hospital from January 2022 to January 2023 were selected. In the open source software （3D Slicer）， the voxel-based image registration technique was used to measure the position and morphological changes of the condyle， and the stability of the method was evaluated by the same type of correlation coefficient （ICC）. Results The ICC of axial rotation was 0.976， the ICC of axial translation was 0.984， and the ICC of surface change was 0.947. Conclusion The new registration technique based on CBCT images has great stability in measuring condylar rotation， displacement and morphological changes， which provides a reliable evaluation for the diagnosis and treatment of temporomandibular joint diseases.

【Key words】CBCT； Temporomandibular joint； Condylar process

顳下頜關(guān)節(jié)（temporomandibular joint）在頜骨活動(dòng)、語(yǔ)言和情感表達(dá)中的作用十分重要[1]。顳下頜關(guān)節(jié)疾病患者行正頜手術(shù)前，對(duì)其髁突位置和形態(tài)變化形成進(jìn)一步了解可為治療工作的順利進(jìn)行提供必要幫助。另外，在臨床診斷、治療和隨訪期間，仍有必要對(duì)髁突做出及時(shí)且準(zhǔn)確的評(píng)估。臨床中，錐形束計(jì)算機(jī)斷層掃描（CBCT）有效彌補(bǔ)了二維射線攝影的不足，且能夠?qū)崿F(xiàn)三維圖像的重建，因此被廣泛用于骨形態(tài)和位置變化的評(píng)估中。對(duì)于CBCT圖像上髁突的位置變化，大多數(shù)研究是根據(jù)術(shù)前和術(shù)后CBCT圖像的冠狀面、軸面、矢狀面關(guān)節(jié)空間距離的變化來(lái)計(jì)算位移的[2-4]，研究者測(cè)量了關(guān)節(jié)在前、后、上、內(nèi)側(cè)和外側(cè)區(qū)域的關(guān)節(jié)間隙的變化，以評(píng)估髁突相對(duì)于關(guān)節(jié)窩的位置變化。在形態(tài)變化研究方面，部分學(xué)者對(duì)髁突三維模型進(jìn)行了分析[5，6]，并借助顏色距離圖對(duì)手術(shù)前后髁突之間的表面距離展開(kāi)評(píng)估，亦可通過(guò)對(duì)髁突前后部高斯曲率變化的計(jì)算對(duì)形態(tài)學(xué)變化進(jìn)行描述。此外，也有臨床研究中將兩髁突模型疊加[7]，并對(duì)髁突頭區(qū)域進(jìn)行劃分，借助彩色編碼地圖測(cè)量方式將髁突表面附著和吸收情況顯示出來(lái)。隨著時(shí)間的推移，顳下頜關(guān)節(jié)的變化往往很微妙，因此，基于體素的配準(zhǔn)有望更早地發(fā)現(xiàn)這些變化。為了全面評(píng)估髁突位置和形態(tài)的變化，將CBCT序列圖像通過(guò)基于地標(biāo)、基于表面或基于體素的配準(zhǔn)疊加在解剖穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)上，如下頜支和顱底，推薦作為正頜患者體素基配準(zhǔn)的感興趣區(qū)。然而基于CBCT圖像配準(zhǔn)技術(shù)在顳下頜關(guān)節(jié)疾病診療中的流程及其可靠性尚未得到詳細(xì)闡述和全面的評(píng)價(jià)。因此，本研究提出了一種新的髁突治療前后的評(píng)估方法，即使用基于體素的新配準(zhǔn)方法來(lái)測(cè)量下頜骨髁突的位置和形態(tài)變化，旨在評(píng)估該方法的可靠性。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選取2022年1月-2023年1月于浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬口腔醫(yī)院行正頜手術(shù)治療的34例患者。納入標(biāo)準(zhǔn)：正頜手術(shù)前后髁突位置發(fā)生改變；髁突頭發(fā)生輕微或明顯骨性改變；無(wú)正畸治療史；無(wú)顳下頜關(guān)節(jié)外傷史；無(wú)風(fēng)濕、類風(fēng)濕及其他系統(tǒng)病史；知情同意并簽署知情同意書。排除標(biāo)準(zhǔn)：CBCT影像模糊者；顳下頜關(guān)節(jié)疾病嚴(yán)重者；顳下頜關(guān)節(jié)畸形者；合并其他可能影響到頜面部的全身系統(tǒng)性疾病者；有精神障礙類疾病，無(wú)法配合者。研究對(duì)象中男18例，女16例，年齡20～45歲，平均年齡（30.34±0.33）歲。采集患者治療前（T0）和治療后（T1）的CBCT圖像，T0和T1的間隔時(shí)間約為3個(gè)月。

1.2 CBCT掃描設(shè)備參數(shù) 掃描設(shè)備J.Morita 3D Accuitomo，模式STD，管電壓90 kV，管電流8 mA，層厚0.125 mm，視野6 cm×6 cm，旋轉(zhuǎn)360°，曝光時(shí)間17.5 s。

1.3 圖像配準(zhǔn) 將T0和T1的CBCT圖像導(dǎo)入到醫(yī)學(xué)圖像的開(kāi)源軟件中（3D Slicer，版本4.13.0）。為T0和T1的CBCT圖像構(gòu)建了顱底和下頜支感興趣區(qū)域的兩個(gè)掩膜。步驟一：使用通用配準(zhǔn)模塊，采用基于顱底感興趣區(qū)域（白色區(qū)域）的配準(zhǔn)方法，將T0的CBCT圖像疊加到T1圖像上。在這個(gè)過(guò)程中，可以觀察到髁突的位置變化。步驟二：通過(guò)基于下頜支感興趣區(qū)域（白色區(qū)域）的配準(zhǔn)，將T0圖像疊加到T1圖像上。在此過(guò)程中，將治療前的髁突移至治療后的髁突的位置，可以觀察到治療期間髁突的形態(tài)變化，見(jiàn)圖1。

1.4 圖像評(píng)價(jià) 用歐拉公式變換矩陣分解為X、Y、Z軸上的旋轉(zhuǎn)和平移，計(jì)算髁突平移和旋轉(zhuǎn)的偏差，以評(píng)估基于兩步體素的CBCT圖像新配準(zhǔn)技術(shù)測(cè)量髁突位置變化的可靠性。通過(guò)基于下頜支的體素配準(zhǔn)將T0圖像疊加到T1圖像上后，將髁突表面輪廓三維構(gòu)建，以評(píng)估前后表面的形態(tài)學(xué)變化。表面距離以均方根（RMS）計(jì)算。使用3D Slicer擴(kuò)展中的形態(tài)分析模塊，通過(guò)彩色編碼距離圖來(lái)可視化髁突的表面變化。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用SPSS 25.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，描述性統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分別用平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、最大值和最小值表示，采用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)（ICC）計(jì)算。

2 結(jié)果

2.1 下頜骨髁突位置變化的評(píng)價(jià) 錐形束CT影像下，繞X軸、Y軸、Z軸旋轉(zhuǎn)的ICC為0.976；沿X、Y、Z軸平移的ICC為0.984，見(jiàn)表1。

2.2 下頜骨髁突形態(tài)學(xué)改變的評(píng)價(jià) 錐形束CT影像下，髁突表面的均方根值的表面變化的ICC為0.947，見(jiàn)表2。

3 討論

顳下頜關(guān)節(jié)屬于人體解剖結(jié)構(gòu)的重要組成，且關(guān)節(jié)功能相對(duì)復(fù)雜，骨性結(jié)構(gòu)髁突與關(guān)節(jié)窩的形狀缺乏規(guī)則性且形態(tài)復(fù)雜多變，個(gè)體差異相對(duì)明顯。臨床診斷顳下頜關(guān)節(jié)疾病的過(guò)程中，既有影像檢查方法受投照技術(shù)制約難以明確髁突位于顳下頜關(guān)節(jié)窩內(nèi)位置，因而很難與診治需求吻合。而錐形束CT是現(xiàn)階段新型口腔醫(yī)學(xué)影像檢查設(shè)備，輻射劑量少且具有較高分辨率，能夠在較短時(shí)間內(nèi)獲取所掃描對(duì)象的所有容積數(shù)據(jù)，并對(duì)顳下頜關(guān)節(jié)任一斷面重建CT圖像，清晰度較高，因此應(yīng)用價(jià)值顯著。選擇至于髁突的評(píng)估，感興趣區(qū)最好是一個(gè)保持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，術(shù)后沒(méi)有重塑。直接選擇感興趣區(qū)可能會(huì)帶來(lái)錯(cuò)誤，因?yàn)榭赡軙?huì)發(fā)生重構(gòu)或吸收，當(dāng)匹配相同的解剖體素時(shí)，基于體素的配準(zhǔn)可能會(huì)影響配準(zhǔn)的可靠性[8]。部分研究者僅選擇顱底作為髁突評(píng)估的感興趣區(qū)域。然而，此方法的不足之處在于無(wú)法對(duì)髁突的位移和重塑進(jìn)行準(zhǔn)確區(qū)分。而選擇近端節(jié)段下頜骨結(jié)構(gòu)，如冠狀突、乙狀切跡和下頜骨支作為感興趣區(qū)域難以將髁突的位置變化體現(xiàn)出來(lái)。因此，在本研究中，選擇基于體素的兩步三維配準(zhǔn)，使用顱底和下頜支來(lái)評(píng)估位置和形態(tài)的變化。當(dāng)基于顱底對(duì)術(shù)前和術(shù)后CBCT圖像進(jìn)行體素配準(zhǔn)時(shí)，顱底和關(guān)節(jié)窩的位置疊加良好，如果治療后髁突的位置改變，髁突的位置就不相同。因此，通過(guò)這種配準(zhǔn)很容易觀察到位置的差異[9]。當(dāng)基于下頜支對(duì)術(shù)前和術(shù)后CBCT圖像進(jìn)行基于體素的配準(zhǔn)時(shí)，下頜支和髁突頸的位置很好地疊加。在這種情況下，可以很容易地觀察到髁突頭的形態(tài)學(xué)變化[10]。

準(zhǔn)確的測(cè)量和分析髁突的形態(tài)和位置的變化對(duì)臨床診斷、治療計(jì)劃和隨訪至關(guān)重要。為了全面評(píng)估位置和形態(tài)隨時(shí)間的變化，使用序列CBCT圖像進(jìn)行疊加或配準(zhǔn)。對(duì)于正頜手術(shù)等引起髁突的位置和形態(tài)變化，因此配準(zhǔn)方法的可靠性是檢測(cè)這些變化的關(guān)鍵[11]。在本研究中，通過(guò)對(duì)開(kāi)源軟件上工作流程的介紹，使用基于體素的兩步三維配準(zhǔn)來(lái)測(cè)量下頜骨髁突的位置和形態(tài)變化。該方法具有較高的可重復(fù)性，可用于檢測(cè)治療過(guò)程中的髁突位置和形態(tài)學(xué)變化。本研究采用體素配準(zhǔn)進(jìn)行TMJ評(píng)估[12]。有一些配準(zhǔn)技術(shù)用于匹配和疊加CBCT掃描?；诒砻娴呐錅?zhǔn)技術(shù)在配準(zhǔn)過(guò)程中容易出現(xiàn)誤差，原因在于它依賴于三維表面構(gòu)造的精度，而這受到CBCT圖像不同分割過(guò)程的影響。對(duì)于基于體素的配準(zhǔn)，首先選擇感興趣區(qū)域，然后將CBCT掃描前和CBCT掃描后情況下的感興趣區(qū)域疊加[13]。因此，一個(gè)感興趣區(qū)域被重新定向到基線掃描的感興趣區(qū)域，這導(dǎo)致了基于這個(gè)轉(zhuǎn)換的整個(gè)圖像數(shù)據(jù)集的重新定位[14]。然而，本研究還存在一定的局限性，納入的樣本旦較小，研究對(duì)象僅限于正頜手術(shù)治療的患者，因此進(jìn)一步的研究與擴(kuò)大樣本量是必要的。本研究所提出的基于體素的兩步三維配準(zhǔn)方法所用時(shí)間較多，進(jìn)一步的通過(guò)人工智能和數(shù)字化技術(shù)自動(dòng)化該方法流程，將更有利于其臨床應(yīng)用[15]。

綜上所述，基于CBCT影像的體素三維配準(zhǔn)新方法為評(píng)估正頜手術(shù)前后下頜骨髁突位置和形態(tài)的變化提供了可靠的結(jié)果。這有利于早期發(fā)現(xiàn)和準(zhǔn)確評(píng)估髁突的變化，提示正頜手術(shù)術(shù)后髁突并發(fā)癥，如髁突特發(fā)性吸收的發(fā)生，從而可以早期干預(yù)治療，提高治療效果。

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編輯 扶田