淺談三維頭影測(cè)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(cè)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(cè)量帶來了新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。錐形束CT提供開放的三維數(shù)據(jù)，可真正實(shí)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(gè)完整的三維頭影測(cè)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(cè)量與分析。對(duì)于未來三維頭影測(cè)量的發(fā)展，筆者認(rèn)為可能需要考慮以下幾點(diǎn)因素，供同仁參考。

一、三維頭影測(cè)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(cè)量。但頭影測(cè)量的定義包括骨骼測(cè)量、牙齒測(cè)量、軟組織測(cè)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(shí)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(cè)量的基礎(chǔ)。若再將下頜運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)下頜功能分析。可暫時(shí)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(cè)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(jì)與治療、顳下頜關(guān)節(jié)異常診斷、尖牙阻生等嚴(yán)重錯(cuò)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(shí)患者處于仰臥位，還是拍攝錐形束CT時(shí)患者采用直立位，為防止移動(dòng)兩者均需要頭部固定，但這些都不是傳統(tǒng)頭影測(cè)量拍攝時(shí)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(cè)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(cè)得的不對(duì)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(píng)價(jià)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(diǎn)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(duì)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(gè)體放松、平視前方無窮遠(yuǎn)時(shí)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(shí)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(gè)性化咬合記錄3個(gè)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)定位三維影像于自然頭位下。這種方式價(jià)格相對(duì)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(duì)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(duì)于面部不對(duì)稱的患者，結(jié)合使用眼周軟組織標(biāo)志點(diǎn)，如內(nèi)眥點(diǎn)等，可對(duì)面部不對(duì)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(diǎn)構(gòu)建正中矢狀參考平面，如鼻根點(diǎn)、盲孔（foramen cecum)、蝶鞍點(diǎn)、顱底點(diǎn)、顱后點(diǎn)（opisthion)，或使用鼻根點(diǎn)-蝶鞍點(diǎn)-顱底點(diǎn)構(gòu)建正中矢狀面以及通過正中特定標(biāo)志點(diǎn)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(duì)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(diǎn)算法（iterative closest points，ICP)或普氏分析算法。對(duì)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(duì)稱參考平面。

非對(duì)稱性顱面部的正矢狀面確定方法，可影響三維頭影測(cè)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(cè)量的定點(diǎn)

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

與傳統(tǒng)二維頭影測(cè)量不同，三維影像不存在影像重疊問題，標(biāo)志點(diǎn)的選擇范圍也更加豐富，左右兩側(cè)解剖結(jié)構(gòu)可以獨(dú)立定點(diǎn)測(cè)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(shì)，也可引入頦孔、眶下孔、盲孔、顱后點(diǎn)、頦尖（genion)、下頜中切牙牙槽嵴頂點(diǎn)（infradentale)等新解剖標(biāo)志點(diǎn)，其在錐形束CT影像上容易識(shí)別，可重復(fù)性較好。即便是傳統(tǒng)解剖結(jié)構(gòu)如耳點(diǎn)、眶點(diǎn)等，也可以在三維影像中實(shí)現(xiàn)左右獨(dú)立定點(diǎn)。

三維頭影測(cè)量標(biāo)志點(diǎn)定點(diǎn)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(diǎn)、多維圖聯(lián)合定點(diǎn)與閾值分割后定點(diǎn)。一般認(rèn)為多維圖聯(lián)合定點(diǎn)較三維渲染模型定點(diǎn)更精確可靠，但定點(diǎn)耗時(shí)較長(zhǎng)，臨床醫(yī)師也需要學(xué)習(xí)適應(yīng)的過程。三維影像定點(diǎn)多為手工定點(diǎn)，未來在錐形束CT影像中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定點(diǎn)，可以解決手工定點(diǎn)受經(jīng)驗(yàn)因素影響、定點(diǎn)過程繁瑣耗時(shí)等問題。

四、三維頭影測(cè)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(cè)量的模塊，但這些方法沒有經(jīng)過充分的驗(yàn)證和被臨床廣泛認(rèn)可。目前較多三維頭影測(cè)量研究還只是基于CT影像的二維測(cè)量。二維頭影測(cè)量方法已然成為正畸診斷的金標(biāo)準(zhǔn)，三維頭影測(cè)量的發(fā)展不會(huì)取代二維診斷的經(jīng)典，三維是對(duì)二維的完善和補(bǔ)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(shí)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(cè)量中線距與角度的測(cè)量項(xiàng)目仍可以繼續(xù)使用，由于錐形束CT沒有放大率，測(cè)量值理論上是真實(shí)的大小。也有研究顯示，與傳統(tǒng)二維頭影測(cè)量值相比，轉(zhuǎn)化片的角度測(cè)量與線距比例測(cè)量的差異無顯著性，這就意味著傳統(tǒng)二維頭影測(cè)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(cè)量與三維測(cè)量的可比性較差，出現(xiàn)這種結(jié)果時(shí)首先應(yīng)考慮的是定點(diǎn)的精確性。實(shí)際操作中，我們并不建議兩種影像混用，尤其是在長(zhǎng)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(duì)比兩種不同的側(cè)位片時(shí)，可通過合理的放大率計(jì)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(cè)量并不足以體現(xiàn)三維的優(yōu)勢(shì)。可測(cè)量的項(xiàng)目會(huì)比二維測(cè)量增加許多，這些新增加的測(cè)量?jī)?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(duì)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(cè)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(cè)量方法，簡(jiǎn)單地將二維測(cè)量的方法在三維影像中實(shí)現(xiàn)，只是三維頭影測(cè)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(zhǎng)或者治療變化的基礎(chǔ)，協(xié)助預(yù)測(cè)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(diǎn)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(dòng)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(jì)算三維模型間表面距離。基本原理是通過閾值分割出顱底區(qū)域，比較分割區(qū)域每個(gè)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(píng)估兩者差異。這種重疊方式也是實(shí)現(xiàn)錐形束CT影像自動(dòng)定點(diǎn)的基礎(chǔ)。對(duì)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(duì)下頜骨進(jìn)行面對(duì)面的最佳匹配。表面重疊簡(jiǎn)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(cè)量相比，錐形束CT數(shù)據(jù)的獲取途徑存在輻射劑量相對(duì)較大、費(fèi)用相對(duì)較高和設(shè)備不夠普及等缺點(diǎn)，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(cè)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