淺談三維頭影測量中的一些技術(shù)問題

作者：劉怡 北京大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院·口腔醫(yī)院正畸科

CT的出現(xiàn)為三維頭影測量研究提供了硬件基礎(chǔ)，但CT由于輻射量過大，并不能常規(guī)用于正畸患者。錐形束CT在牙科的廣泛應(yīng)用，為正畸三維頭影測量帶來了新的機遇與挑戰(zhàn)。錐形束CT提供開放的三維數(shù)據(jù)，可真正實現(xiàn)顱頜面三維分析，越來越多的正畸研究使用錐形束CT影像進(jìn)行三維頭顱分析，但至目前為止，似乎還沒有一個完整的三維頭影測量系統(tǒng)出現(xiàn)。臨床的三維分析只是一種基于CT或者錐形束CT三維影像，使用三維分析軟件進(jìn)行的測量與分析。對于未來三維頭影測量的發(fā)展，筆者認(rèn)為可能需要考慮以下幾點因素，供同仁參考。

一、三維頭影測量的多源數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

隨著CT及錐形束CT在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的大量應(yīng)用，三維硬組織數(shù)據(jù)（骨骼、牙齒)的獲得變得非常容易，越來越多的研究致力于以錐形束CT影像為基礎(chǔ)的三維頭影測量。但頭影測量的定義包括骨骼測量、牙齒測量、軟組織測量，不同組織均有專業(yè)的三維成像方式，而不僅僅局限于放射影像。牙冠三維結(jié)構(gòu)的CT成像精度較差，牙冠數(shù)據(jù)可以來源于牙頜模型或印模掃描，也可以直接口內(nèi)掃描牙齒；面部軟組織表面數(shù)據(jù)可以來源于三維面部成像；肌肉、脂肪等軟組織數(shù)據(jù)可以來源于MRI影像。這些多源的三維數(shù)據(jù)均可以與CT或錐形束CT數(shù)據(jù)整合，從而實現(xiàn)數(shù)字化頭顱模型的建立，這種模型將是未來三維頭影測量的基礎(chǔ)。若再將下頜運動數(shù)據(jù)整合于其中，那么不僅可以進(jìn)行三維形態(tài)學(xué)分析，還可以實現(xiàn)下頜功能分析?？蓵簳r將這種模型稱為功能性虛擬牙頜面模型，這種模型不但可用于三維頭影測量，而且可用于先天顱頜面畸形與缺損的分析、顱頜面手術(shù)設(shè)計與治療、顳下頜關(guān)節(jié)異常診斷、尖牙阻生等嚴(yán)重錯畸形診斷、牙周炎引起的骨缺損和牙槽骨形態(tài)分析等。

二、三維影像中頭位的確定

無論是拍攝醫(yī)學(xué)CT時患者處于仰臥位，還是拍攝錐形束CT時患者采用直立位，為防止移動兩者均需要頭部固定，但這些都不是傳統(tǒng)頭影測量拍攝時使用頭顱定位架確定頭部的參考位置。因此CT或錐形束CT得到的三維顱面數(shù)據(jù)，患者頭部并沒有標(biāo)準(zhǔn)的定位。三維頭影測量的第一步就是需要建立標(biāo)準(zhǔn)化的三維頭顱定位方法，也稱為頭顱的再定位。已有研究顯示，不同的再定位方式測得的不對稱偏移量存在顯著差異，再定位的方式直接關(guān)系到如何準(zhǔn)確客觀地評價患者。

頭顱再定位的方式有許多種，可以將再定位的參考平面分為內(nèi)在參考平面與外在參考平面。內(nèi)在參考平面使用顱面骨性標(biāo)志點構(gòu)建，如眶耳平面（FH平面)、前顱底平面（SN平面)等。外在參考平面包括相互垂直的正中矢狀面、冠狀面和橫斷面。通常情況下，冠狀面可以在正中矢狀面與橫斷面確定后構(gòu)建，因此正中矢狀面和橫斷面的確定對顱面三維分析至關(guān)重要。

1．自然頭位的確定：

自然頭位是個體放松、平視前方無窮遠(yuǎn)時頭部的生理位置。定位三維影像于自然頭位的常見方式較多：在自然頭位下獲取面部表面掃描數(shù)據(jù)，通過與CT數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，進(jìn)行三維影像自然頭位下定位，這種方式精確度較高，但需要增加面部掃描及三維數(shù)據(jù)的融合配準(zhǔn)過程，操作較繁瑣，臨床上并不實用。另外一種常見方式是使用輔助裝置在三維方向上記錄自然頭位，這種輔助裝置主要包括數(shù)字化定位傳感器、面弓與個性化咬合記錄3個部分，患者通過數(shù)字化定位傳感器記錄自然頭位，通過面弓標(biāo)志點的匹配將數(shù)字化傳感器數(shù)據(jù)融入CT影像，根據(jù)傳感器記錄進(jìn)行頭位調(diào)整，以實現(xiàn)定位三維影像于自然頭位下。這種方式價格相對低，但存在制作復(fù)雜、嚴(yán)重改變CT影像上下唇狀態(tài)的問題。

2．水平參考平面的確定：

3．正中矢狀面的確定：

理想的正中矢狀面是使三維頭面部解剖結(jié)構(gòu)出現(xiàn)最大范圍的雙側(cè)對稱的虛擬幾何平面。構(gòu)建或提取正中矢狀面有多種方式：對于面部不對稱的患者，結(jié)合使用眼周軟組織標(biāo)志點，如內(nèi)眥點等，可對面部不對稱患者錐形束CT影像進(jìn)行有效分析。也可以使用穩(wěn)定且分布平衡的參考點構(gòu)建正中矢狀參考平面，如鼻根點、盲孔（foramen cecum)、蝶鞍點、顱底點、顱后點（opisthion)，或使用鼻根點-蝶鞍點-顱底點構(gòu)建正中矢狀面以及通過正中特定標(biāo)志點與FH平面垂直來確定正中矢狀面。

還有一些研究認(rèn)為可以基于形態(tài)學(xué)的最大結(jié)構(gòu)對稱（鏡像法)確定正中矢狀面，鏡像法提取最大矢狀面（maximum sagittal plane，MSP)的基本過程是：將原始數(shù)據(jù)以任意矢狀方向平面為鏡面獲得的鏡像數(shù)據(jù)，在三維空間內(nèi)按照某種特定算法，如迭代最近點算法（iterative closest points，ICP)或普氏分析算法。對鏡像前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，聯(lián)合配準(zhǔn)后得到新的數(shù)據(jù)，依此得到原始數(shù)據(jù)的對稱參考平面。

非對稱性顱面部的正矢狀面確定方法，可影響三維頭影測量的分析結(jié)果，確定這類患者的正中矢狀面應(yīng)慎重，解釋需更客觀、合理。

三、三維頭影測量的定點

與三維頭影測量定點精確性相關(guān)的因素還有CT設(shè)備的精度、標(biāo)志點的定義、測量者的經(jīng)驗與三維定點軟件。與低劑量螺旋CT相比，錐形束CT影像定點的精度和可靠性可以滿足三維頭影測量的需要，至少對于大多數(shù)標(biāo)志點而言，定點比傳統(tǒng)頭顱側(cè)位X線片更可靠，如鼻根點、蝶鞍點、顱底點、頦前點、頦下點、頦頂點、前鼻棘點、下頜角點、眶點等，但也有研究認(rèn)為蝶鞍點、頦下點、后鼻棘點、眶上點、右側(cè)顴點（right zygion)和牙性標(biāo)志點可靠性較低，易受測量者因素影響。

與傳統(tǒng)二維頭影測量不同，三維影像不存在影像重疊問題，標(biāo)志點的選擇范圍也更加豐富，左右兩側(cè)解剖結(jié)構(gòu)可以獨立定點測量，尤其是牙體結(jié)構(gòu)影像清晰，理論上可以定義每一顆牙齒的位置。利用三維的優(yōu)勢，也可引入頦孔、眶下孔、盲孔、顱后點、頦尖（genion)、下頜中切牙牙槽嵴頂點（infradentale)等新解剖標(biāo)志點，其在錐形束CT影像上容易識別，可重復(fù)性較好。即便是傳統(tǒng)解剖結(jié)構(gòu)如耳點、眶點等，也可以在三維影像中實現(xiàn)左右獨立定點。

三維頭影測量標(biāo)志點定點方式受軟件影響，目前主要有3種方式：在三維渲染模型上直接定點、多維圖聯(lián)合定點與閾值分割后定點。一般認(rèn)為多維圖聯(lián)合定點較三維渲染模型定點更精確可靠，但定點耗時較長，臨床醫(yī)師也需要學(xué)習(xí)適應(yīng)的過程。三維影像定點多為手工定點，未來在錐形束CT影像中實現(xiàn)自動定點，可以解決手工定點受經(jīng)驗因素影響、定點過程繁瑣耗時等問題。

四、三維頭影測量方法的建立與正常值

雖然商業(yè)軟件中已有三維頭影測量的模塊，但這些方法沒有經(jīng)過充分的驗證和被臨床廣泛認(rèn)可。目前較多三維頭影測量研究還只是基于CT影像的二維測量。二維頭影測量方法已然成為正畸診斷的金標(biāo)準(zhǔn)，三維頭影測量的發(fā)展不會取代二維診斷的經(jīng)典，三維是對二維的完善和補充。在這一發(fā)展過程中，將三維影像轉(zhuǎn)化成為二維的頭顱側(cè)位片是實現(xiàn)三維向二維過渡的理想方法。應(yīng)該指出，轉(zhuǎn)化的頭顱側(cè)位片比傳統(tǒng)二維頭顱側(cè)位X線片有更精確、詳細(xì)的診斷信息，而不僅是單純的轉(zhuǎn)化。轉(zhuǎn)化后二維頭影測量中線距與角度的測量項目仍可以繼續(xù)使用，由于錐形束CT沒有放大率，測量值理論上是真實的大小。也有研究顯示，與傳統(tǒng)二維頭影測量值相比，轉(zhuǎn)化片的角度測量與線距比例測量的差異無顯著性，這就意味著傳統(tǒng)二維頭影測量的正常值仍然可在轉(zhuǎn)化片中繼續(xù)使用。當(dāng)然也有研究認(rèn)為二維測量與三維測量的可比性較差，出現(xiàn)這種結(jié)果時首先應(yīng)考慮的是定點的精確性。實際操作中，我們并不建議兩種影像混用，尤其是在長期觀察的病例中，均質(zhì)的影像可以保證觀察結(jié)果的可比性，如果不得已需要對比兩種不同的側(cè)位片時，可通過合理的放大率計算進(jìn)行。

由于三維影像的信息量增加，單純的轉(zhuǎn)化二維測量并不足以體現(xiàn)三維的優(yōu)勢?？蓽y量的項目會比二維測量增加許多，這些新增加的測量內(nèi)容，還需要研究來支持并建立相關(guān)正常值，如三角形方式的對性分析、幾何面積分析、下頜曲度分析等。

雖然已有部分研究初步建立了三維頭影測量的一些正常值，但在這些正常值得到應(yīng)用前，首先需要醫(yī)師接受的是研究的三維測量方法，簡單地將二維測量的方法在三維影像中實現(xiàn)，只是三維頭影測量的第一步，是否需要以及如何建立正常值，還需要商榷。

五、三維影像重疊

三維影像的重疊是精確分析牙齒、骨骼等結(jié)構(gòu)生長或者治療變化的基礎(chǔ)，協(xié)助預(yù)測治療效果。目前，三維影像重疊的方式主要有以下3種。

1．使用標(biāo)志點生成參考平面進(jìn)行重疊：

2．基于灰度的重疊：

是一種全自動化的重疊方式，可消除由于操作者引起的誤差；其基本程序包括創(chuàng)建三維模型、匹配或重疊模型、計算三維模型間表面距離?；驹硎峭ㄟ^閾值分割出顱底區(qū)域，比較分割區(qū)域每個體素的灰度值，進(jìn)行影像重疊匹配。匹配完成后，通過軟件以顏色編碼影像直觀顯示、量化評估兩者差異。這種重疊方式也是實現(xiàn)錐形束CT影像自動定點的基礎(chǔ)。對于視野較小的錐形束CT，也可用顴弓區(qū)域進(jìn)行灰度重疊。

3．表面重疊：

適用于下頜骨重疊，選擇下頜骨體部下緣與升支后緣作為重疊區(qū)域，對下頜骨進(jìn)行面對面的最佳匹配。表面重疊簡單可靠、重復(fù)性更高。

六、展望

隨著錐形束CT輻射的不斷降低，三維數(shù)據(jù)獲取越來越容易。其中錐形束CT是最常用以獲取顱頜面骨骼等硬組織三維數(shù)據(jù)的方式。與傳統(tǒng)二維頭影測量相比，錐形束CT數(shù)據(jù)的獲取途徑存在輻射劑量相對較大、費用相對較高和設(shè)備不夠普及等缺點，牙齒清晰度也較差。因此低輻射劑量錐形束CT與錐形束CT影像質(zhì)量的提高是三維頭影測量硬件基礎(chǔ)的未來發(fā)展方向。

來源：中華口腔醫(yī)學(xué)雜志2016年第51卷第6期