張 濤 綜述，周 諾 審校

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

·綜 述·

三維頭影測量系統(tǒng)建立的研究進展*

張 濤 綜述，周 諾△審校

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

三維頭影測量；三維圖像；坐標系；定點

自從美國Broadbent和歐洲的Hofrath提出X射線頭影測量技術以來，頭影測量一直是口腔正畸和正頜對畸形診斷、分析及治療前后療效評價的重要手段。但是傳統(tǒng)的頭影測量存在對三維立體空間體現(xiàn)不足，部分標志點的定位不準，圖像易變形失真等問題。同時，由于頜面部軟組織、頜面部骨骼及牙列可以認為是構成顱頜面部的三個元素，是三位一體的，傳統(tǒng)的投影測量未能同時考慮三個要素。隨著三維技術的發(fā)展，建立一個新的三維頭影測量系統(tǒng)成為必然。目前還沒有任何一種成像技術可以同時顯示三要素且讓三者達到最佳效果，只能通過不同方法分別獲取三者的圖像，通過融合技術來創(chuàng)造一個同時包含三者的虛擬頭像。

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

1 三維數(shù)據(jù)的獲取

1.1 頜面部骨骼結構的獲取 從二維到三維是一個巨大的進步，CT是目前對微小的骨骼結構進行研究的最好技術。關于CT影像測量的可信度方面，早有研究證明了其測量精確性高且可重復性好[1]。但是CT對面部掃描的不足在于：(1)費用較高；(2)輻射較大；(3)口內金屬物體存在干擾；(4)在面及顳骨區(qū)域分辨率不夠。為了克服這些缺點，低花費且低輻射的在顱骨產生高分辨率圖像的設備錐形束(CBCT)出現(xiàn)了。Dillenseger等[2]從測量線距、幾何準確性、同質性和空間分辨率幾個方面比較后認為在頜面部區(qū)域CBCT是螺旋CT(MSCT)較好的替代選擇。國內外大量研究已經表明，CBCT的準確性和可靠性可以用于臨床[3]。同時CBCT最重要的優(yōu)勢是可以在個人電腦上展示和處理3D數(shù)據(jù)。CBCT作為一個里程碑式的發(fā)明，為頜面部骨骼的獲取提供了新的契機。

1.2 頜面部軟組織的獲取 三維頭影測量基于CBCT影像，但由于CT或CBCT對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)結合起來，才能得到完整的軟組織信息。這些技術包括激光掃描，立體攝影技術，結構光技術等。

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題：掃描時間過長，掃描過程中頭位的移動會影響結果；對眼睛的傷害，尤其是發(fā)育期的兒童；不能掃描到表面的色彩紋理信息，對某些基于表面色彩確定的標志點帶來定點困難。

立體攝影技術指在同一個平面從2個不同位置對同一個物體進行拍攝，然后重建出三維表面的過程。目前立體攝影技術已經較為廣泛地應用于臨床。但是因為組織的反光，頭發(fā)和眉毛的干預，拍攝過程中位置的變化均會影響面部圖像的準確性。因為光不能進入彎曲的和反光的物體表面，特定的結構如眼睛和耳朵，成像質量會較差。

結構光技術同樣可以獲得頜面部的三維外形，臨床常規(guī)采用的是光面結構光技術。將二維的結構光圖案投射到待測物體表面上，數(shù)碼相機獲取待測物體的表面圖像，同時結構光獲取待測物體表面不同的深度值，基于結構光圖案與待測物表面的點在三維坐標系中的置換就可以實現(xiàn)三維重建。最初的結構光技術只要一臺相機和光源即可完成，但是往往很難獲得從一側耳朵到另一側180°范圍的圖像。Curry等[4]將結構光技術同立體攝影相結合，采用兩臺照相機和一個投影儀獲得了可應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確反映頰側牙槽骨[5]，因此需要與外源的牙列數(shù)據(jù)相結合。相比于石膏模型分析，數(shù)字化的牙列模型分析能夠帶來更多復雜、精細的分析方法。

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重建可掃描整個牙列模型包括牙齒下面的區(qū)域，但是重建的時候需要醫(yī)生自己確定區(qū)分閾值，同時micro-CT對常規(guī)臨床應用太貴，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]。間接法主要是通過掃描印模材料或者石膏模型獲得，而直接法則是用口內掃描器直接掃描口內牙列[7-8]。隨后對二者進行數(shù)據(jù)處理和曲面重建，獲得一個接近真實牙列、 包含形狀信息的三維數(shù)字化牙頜模型[9]。最早的設備均采用間接法，隨著設備的改進及算法的完善，出現(xiàn)了口內牙列掃描器。van der Meer等[10]和 Akyalcin等[8]通過口內掃描機器得到了牙列的三維數(shù)據(jù)。Seelbach等[11]測試了3款口內牙列掃描儀器，結果顯示即使是口內有固定修復體的復雜情況下，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煌膾呙柙O備會有技術差異[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)在石膏模型上進行的測量分析時，其與傳統(tǒng)石膏牙頜模型相比，二者測量數(shù)據(jù)的差異無統(tǒng)計學意義[14]。

2 三維數(shù)據(jù)整合

成像和圖像結合技術用于正畸治療和正頜手術領域面部側貌、面部骨骼和牙列已經超過一個世紀了。最初使用石膏模型來進行術前設計，至今仍然是設計術后咬合的“金標準”。之后臨床開始應用測量學、照片、牙齒和面部的石膏模型結合來做治療計劃。隨著頭影測量的提出，由于更加準確地顯示了牙列和頜面部骨骼的關系，成為了正畸、正頜治療的金標準。從這方面來說，人們從三個元素中的其中兩個即牙列和頜面部骨骼開始關注，隨著人們認識到容貌和咬合同等重要，各種關于側貌的研究方法開始提出，開始將三者結合起來分析。

三維數(shù)據(jù)整合是未來三維技術需要解決的一項關鍵技術，也是三維頭影測量成為一項真正技術的重要步驟。目前三維多源數(shù)據(jù)配準的算法原理可大致分為兩類：(1)基于標志點的配準；(2)迭代最近點配準算法。對于配準方法的選取，趙一姣等[15]認為標志點配準法可操作性較強，標志點的選擇、固定和轉移操作簡單，對使用者軟件處理水平的要求不高，適用于對精度要求不高的領域。特別在成像質量不高的情況下，標志點配準方法是較合適的選擇方案。迭代最近點配準算法適用于成像質量較高的配準。各項研究表明，目前的多源三維數(shù)據(jù)配準精確性已可以應用于臨床[16]。

3 三維坐標系的選擇

在側位頭影測量中，通常以眶耳連線定義基準水平面作為X軸，再以過鼻根點的垂線作為Y軸，而在正位頭影中以兩側顴額縫連線為X軸，以過雞冠中心點的垂線為Y軸。兩個測量坐標系的基準平面和原點并不統(tǒng)一，并且正常的正位片圖像會顯示出定向的不對稱性，側位片不能反映此種不對稱性，這樣雙側對應的點到正中矢狀面距離將不同。因此，在三位頭影測量中需要建立新的坐標系。

4 三維頭影測量系統(tǒng)的定點

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

4.1 頜面部骨骼定點 三維圖像是在二維的顯示器上顯示出深度而出現(xiàn)的，所以三維定點存在視覺誤差，而且定點易受觀測者主觀判斷的影響，同時三維空間與二維平面存在差別。比如頦下點，在二維坐標系可以很明確地確定，在真實顱骨上卻是難以定位的。還有在真實的顱骨上并不存在下頜角點等。因此三維測量與傳統(tǒng)頭影測量在標志點的選擇、標志點的定義及標志點的定位方法上都是有所不同的，需要建立一套新的標志點的定位要求。Naji等[3]研究顯示，CBCT影像中可靠性和可重復性最高的解剖標志點是頦孔、眶下孔、翼突溝下段、樞椎齒突、寰椎橫突孔、下頜骨髁突內部及外部、床突上部、中床突。

4.2 軟組織定點 明度、對比度等的不同均會影響定點的準確性，何穎等[21]測試了59個樣本的23個軟組織標記點，發(fā)現(xiàn)軟組織標記點定位重復性最差的依次為頦下點，顴突點和下頜角點。

4.3 牙列三維模型定點 Hayashi等[6]研究認為標準化的定點可以消除部分人為誤差，可以提高測量精度。但是，目前尚未得出統(tǒng)一的定點標準，這需要在臨床工作中積極地探索與進一步研究。

5 臨床應用與展望

通過頜面部的骨骼、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，可以準確地將三種數(shù)字化三維信息整合，除了可以使醫(yī)生對牙頜面畸形做出更全面精確的判斷與分析、進行模擬治療、為教學和科研提供豐富的資料等外，隨著精準醫(yī)學的發(fā)展，未來每個患者都將建立一個“虛擬的自身”，任何的醫(yī)學操作都可以模擬以后再進行。

作者認為未來三維頭影測量系統(tǒng)的發(fā)展方向依賴于高精度大范圍低放射量的CBCT的發(fā)展，圖像交互融合配準算法的進步及三維顯示技術的發(fā)展。最終達到一次成像即可獲得精準的頜面部骨骼、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

國家自然科學基金資助項目(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。△

，E-mail:nuozhou@hotmail.com。

R782.2

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1671-8348(2017)06-0842-03

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2016-11-05)