張紫涵 熊鑫 王軍

口腔疾病研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 國家口腔疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院正畸科 成都 610041

頭影測量技術(shù)由德國的Hofrath和美國的Broadbent引進(jìn)口腔正畸領(lǐng)域，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，頭影測量分析成為了診斷錯(cuò)畸形及制定正畸治療計(jì)劃的重要組成部分。傳統(tǒng)的頭影測量分析一般是在側(cè)位片和正位片上定點(diǎn)，對線距、角度等進(jìn)行測量分析。盡管這一技術(shù)在過去被正畸醫(yī)生廣為接受和應(yīng)用，但立體結(jié)構(gòu)的平面化分析造成了諸多問題，包括雙側(cè)解剖結(jié)構(gòu)的重疊、圖像模糊、不規(guī)則放大及頭位定位誤差等，均導(dǎo)致了定點(diǎn)分析的誤差。

三維成像技術(shù)的發(fā)展，特別是錐形束計(jì)算機(jī)斷層掃描（cone beam computed tomography，CBCT）在口腔領(lǐng)域的應(yīng)用，為解決上述問題提供了新思路。借助計(jì)算機(jī)和圖像處理技術(shù)，CBCT可重建出清晰、立體、真實(shí)的頭顱解剖結(jié)構(gòu)，所提供的三維結(jié)構(gòu)信息豐富了對顱頜面解剖結(jié)構(gòu)的測量分析，使正畸醫(yī)生掌握更多檢查信息，有利于準(zhǔn)確地診斷、治療和療效評估。CBCT在錯(cuò)畸形診治中的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍，這一技術(shù)的臨床價(jià)值在于診斷尖牙阻生、牙根吸收、睡眠障礙，設(shè)計(jì)正頜手術(shù)，以及三維頭影測量。與螺旋CT相比，CBCT具有設(shè)備成本低、采集時(shí)間短、輻射量較小、掃描范圍靈活、圖像精度高等諸多優(yōu)勢[1]，改進(jìn)了傳統(tǒng)三維成像的主要弊端，因此極大地促進(jìn)了三維頭影測量的發(fā)展。CBCT的三維圖像克服了傳統(tǒng)二維頭影測量的問題，不存在結(jié)構(gòu)重疊，可以清晰、無放大地顯示頭頜面組織，且結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系不受頭位影響。

三維頭影測量目前尚處于發(fā)展階段，但未來有很好的應(yīng)用前景。為了進(jìn)一步提高這一技術(shù)的臨床價(jià)值，本文闡述了三維頭影測量的優(yōu)勢，并選取了與其臨床應(yīng)用密切相關(guān)的5個(gè)方面，對其研究現(xiàn)狀作一綜述，旨在為臨床應(yīng)用三維頭影測量技術(shù)提供參考，最后對其未來的發(fā)展進(jìn)行展望。

1 定點(diǎn)方式

二維頭影測量是直接在平片上進(jìn)行定點(diǎn)，三維頭影測量需要在立體結(jié)構(gòu)上確定標(biāo)志點(diǎn)，因此定點(diǎn)方式不同于二維頭影測量，主要方法包括多平面重建（multi-planner reformation，MPR）定點(diǎn)法及在三維重建模型上定點(diǎn)[2]。MPR定點(diǎn)法需要在矢狀面、冠狀面和橫斷面上這3個(gè)平面上分別定點(diǎn)，相比傳統(tǒng)側(cè)位片，在CBCT的MPR圖像上定點(diǎn)的精確度更高，但耗時(shí)較長[3]。三維重建模型定點(diǎn)法相比MPR法耗時(shí)較短，操作簡便，同樣具有較高的準(zhǔn)確性[4]。大部分用于導(dǎo)入和查看醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通訊（digital imaging and communications in medicine，DICOM）圖像格式CBCT的軟件可同時(shí)顯示MPR和三維重建模型2種視圖效果[5]，這為2種定點(diǎn)方法的聯(lián)合應(yīng)用提供了可能。de Oliveira等[6]的研究表明，通過標(biāo)準(zhǔn)訓(xùn)練后，測試者可在MPR和三維重建聯(lián)合視圖下進(jìn)行精確、可靠的定點(diǎn)。Hassan等[7]通過研究證實(shí)，相比單獨(dú)在三維重建模型上定點(diǎn)，在MPR及三維重建的聯(lián)合視圖下定點(diǎn)的時(shí)間會增加1倍，但同時(shí)會提高大部分標(biāo)志點(diǎn)的可靠性。臨床上，可根據(jù)所需的標(biāo)志點(diǎn)精確度靈活地選用定點(diǎn)方法，以達(dá)到最大化精確度、最小化時(shí)間的定點(diǎn)目標(biāo)。

目前，頭影測量大多采用人工定點(diǎn)的方式，CBCT清晰、無放大的圖像有利于建立定點(diǎn)相關(guān)的計(jì)算機(jī)算法，在三維頭影測量中實(shí)現(xiàn)自動或半自動定點(diǎn)將成為未來的發(fā)展方向。自動定點(diǎn)需要基于特定的計(jì)算機(jī)算法，Neelapu等[8]設(shè)計(jì)了基于結(jié)構(gòu)對稱性和組織輪廓的自動定點(diǎn)算法，Gupta等[9]先通過智能學(xué)習(xí)得到的公式確定大致區(qū)域，再提取組織輪廓實(shí)現(xiàn)自動定點(diǎn)，并驗(yàn)證了這種自動定點(diǎn)可達(dá)到和人工定點(diǎn)識別標(biāo)志物一樣的準(zhǔn)確性。Codari等[10]提出了計(jì)算機(jī)輔助半自動定點(diǎn)法，由軟件確定標(biāo)志點(diǎn)95%的圓形置信區(qū)域后進(jìn)行人工調(diào)整，可達(dá)到理想的準(zhǔn)確率。三維頭影測量的計(jì)算機(jī)輔助定點(diǎn)可大幅縮短定點(diǎn)時(shí)間、減少出自檢查者的誤差，日后有望成為熱門的研究方向。

2 標(biāo)志點(diǎn)的確定

二維頭影測量中標(biāo)志點(diǎn)的確定會受結(jié)構(gòu)重疊、圖像模糊及頭位不正等因素影響而產(chǎn)生誤差。在三維圖像上則可對左右兩側(cè)標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行分別定點(diǎn)，清晰地呈現(xiàn)解剖結(jié)構(gòu)，特別是牙體組織，除此之外還可后期進(jìn)行頭位校準(zhǔn)。目前三維頭影測量主要沿用二維頭影測量中的標(biāo)志點(diǎn)，以上問題的避免使三維頭影測量中標(biāo)志點(diǎn)定位的精確度總體高于二維頭影測量，可提供更加準(zhǔn)確的圖像信息[7]。

為了保證定點(diǎn)的準(zhǔn)確性，應(yīng)重新定義CBCT影像中傳統(tǒng)標(biāo)志點(diǎn)的位置，從3個(gè)方向分別對其進(jìn)行描述。然而并非所有傳統(tǒng)標(biāo)志點(diǎn)都適用于三維頭影測量，部分在真實(shí)頜骨上并不存在的標(biāo)志點(diǎn)如下頜角點(diǎn)、關(guān)節(jié)點(diǎn)等就無法在CBCT圖像上定點(diǎn)[11]。此外，定點(diǎn)的準(zhǔn)確性與標(biāo)志點(diǎn)的位置關(guān)系密切相關(guān)，一些作者[6]通過系統(tǒng)評價(jià)分析得到CBCT圖像中可靠性最高的是傳統(tǒng)側(cè)位片的正中矢狀面標(biāo)志點(diǎn)，推薦使用的標(biāo)志點(diǎn)包括蝶鞍點(diǎn)、顱底點(diǎn)、鼻根點(diǎn)、前鼻脊點(diǎn)、上牙槽座點(diǎn)、下牙槽座點(diǎn)、頦前點(diǎn)、頦頂點(diǎn)和頦下點(diǎn)。因?yàn)楸苊饬俗笥医Y(jié)構(gòu)重疊等的問題，位于兩側(cè)的傳統(tǒng)標(biāo)志點(diǎn)可靠性也較高，需要注意的是位于曲面上沒有明顯邊界的標(biāo)志點(diǎn)可靠性不理想，在建立三維頭影測量標(biāo)志點(diǎn)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)將其排除。

CBCT呈現(xiàn)的顱頜面立體結(jié)構(gòu)提供了更加廣泛的標(biāo)志點(diǎn)選擇范圍，不僅可以對兩側(cè)的標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行左右分別定點(diǎn)，還讓牙性和骨性新標(biāo)志點(diǎn)的應(yīng)用成為可能[12]，清晰的牙齒結(jié)構(gòu)甚至使牙性標(biāo)志點(diǎn)的可靠性超過骨性標(biāo)志點(diǎn)。Park等[13]通過實(shí)驗(yàn)表明，具有較高可靠性的標(biāo)志點(diǎn)包括眶下孔、顴額縫、髁突、頦孔、牙齒上除了上頜第一磨牙舌尖和下頜第一磨牙頰溝外的結(jié)構(gòu)，一些學(xué)者等[6]的系統(tǒng)評價(jià)顯示，可靠性較高的標(biāo)志點(diǎn)還包括上頜體、下頜體的中心點(diǎn)。Lagravère等[14]證實(shí)顱底結(jié)構(gòu)在CBCT中具有清晰的影像，其中棘孔、卵圓孔、圓孔和舌下管可作為建立重疊參考面的標(biāo)志點(diǎn)。標(biāo)志點(diǎn)的豐富意味著可選擇的測量分析項(xiàng)目的增加，可向臨床醫(yī)生提供更加充分的圖像信息。

3 參考平面的確定

3.1 水平基準(zhǔn)面的確定

在傳統(tǒng)的側(cè)位片中，水平基準(zhǔn)面通常采用的是與地平面基本平行的眶耳平面（frankfort horizontal plane，F(xiàn)HP）。二維圖像中由2個(gè)標(biāo)志點(diǎn)確定的參考平面，在三維圖像中至少需要3個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，因此在三維頭影測量中需重新定義此參考平面。CBCT中的眶點(diǎn)及耳點(diǎn)在垂直方向上精確度較高，仍可用于確定FHP作為水平參考面[13]，通過以下4種方式構(gòu)建FHP較為可靠：左右眶點(diǎn)和耳點(diǎn)中點(diǎn)、左右耳點(diǎn)和眶點(diǎn)中點(diǎn)、左右眶點(diǎn)和左側(cè)耳點(diǎn)、左右眶點(diǎn)和右側(cè)耳點(diǎn)[15]。除此之外，由于三維頭影測量維度的增加，參考平面的選擇范圍也隨之增加，臨床上可尋找其他新標(biāo)志點(diǎn)確定水平基準(zhǔn)面，如Pittayapat等[16]建議以內(nèi)聲孔來代替耳點(diǎn)構(gòu)建更可靠的FHP；Park等[17]證明，在有臨床照片做參考的情況下，兩側(cè)顴額縫點(diǎn)或眶下點(diǎn)可用于構(gòu)建上頜骨嚴(yán)重不對稱患者的水平基準(zhǔn)面；Lin等[15]驗(yàn)證了由鼻根點(diǎn)及左右側(cè)半規(guī)管構(gòu)成的側(cè)半規(guī)管平面（lateral semicircular canal plane，LSP）作為水平參考面的可靠性及其與FHP的可比性，LSP適合進(jìn)行顱底相關(guān)分析；Lonic等[18]證實(shí)FHP是檢查平面傾斜的最佳水平參考面，但對于眶部不對稱的患者，由兩側(cè)眶上點(diǎn)組成的Sor平面可輔助確定平面是否傾斜。不同的水平基準(zhǔn)面有不同的適應(yīng)證，醫(yī)生可結(jié)合患者臨床具體情況和分析目的來進(jìn)行選擇。

3.2 正中矢狀面的確定

面部對稱性是正畸治療中需要考慮的一個(gè)重要因素，傳統(tǒng)頭影測量用頭顱后前位片衡量面部對稱性，但越來越多的研究者認(rèn)為僅憑二維分析無法得到準(zhǔn)確的診斷，因?yàn)榱Ⅲw結(jié)構(gòu)的平面化會使圖像產(chǎn)生變形和放大，因此CBCT的三維圖像更利于評估面部對稱性[19]。面部對稱性的評估與正中矢狀面密切相關(guān)，CBCT圖像中的正中矢狀面是重要參考平面，可由標(biāo)志點(diǎn)構(gòu)建法和鏡像法2種方法進(jìn)行確定。

應(yīng)用在二維頭影測量中的標(biāo)志點(diǎn)構(gòu)建法同樣適用于三維頭影測量，可選用的標(biāo)志點(diǎn)主要有以下3類：由中線附近的3個(gè)參考點(diǎn)來確定正中矢狀面[20]；由中線附近的2個(gè)點(diǎn)做出垂直于水平面的正中矢狀面[21]；由兩側(cè)基本對稱標(biāo)志點(diǎn)的中點(diǎn)確定正中矢狀面。Green等[22]經(jīng)過對60名患者的三維分析后發(fā)現(xiàn)，中線附近標(biāo)志點(diǎn)相比兩側(cè)標(biāo)志點(diǎn)中點(diǎn)構(gòu)建的正中矢狀面更加穩(wěn)定、可靠，推薦使用鼻根點(diǎn)-顱底點(diǎn)-切牙孔構(gòu)建平面。Kim等[23]通過同時(shí)在干頭顱和受試者上分析得到，均勻分布在顱底前、中、后部3個(gè)部位的標(biāo)志點(diǎn)確定正中矢狀平面的誤差較小，推薦使用的標(biāo)志點(diǎn)是鼻根點(diǎn)或額骨盲孔（前）-蝶鞍點(diǎn)（中）-顱底點(diǎn)或顱后點(diǎn)（后）。還有一些研究[24]提出了其他構(gòu)建正中矢狀面的標(biāo)志點(diǎn)組合，如鼻根點(diǎn)、前鼻棘點(diǎn)和后鼻棘點(diǎn)。臨床上可先大致判斷患者顱面畸形存在的部位，將其排除后再選取適宜的標(biāo)志點(diǎn)確定正中矢狀面。

鏡像法是一種自動提取正中矢狀面的方法，排除了人工定點(diǎn)誤差的影響，應(yīng)用的特定算法包括迭代最近點(diǎn)（iterative closest point，ICP）算法和普氏分析法（Procrustes analysis，PA）。ICP算法經(jīng)過多次迭代運(yùn)算求得原始和矢狀面生成的鏡像數(shù)據(jù)相鄰點(diǎn)之間的距離最小值，產(chǎn)生最小值的平面即為正中矢狀面。PA算法利用同構(gòu)縮放、平移和旋轉(zhuǎn)，遵循最小二乘法使原始和鏡像圖像間得到最佳匹配，形成匹配度最高的平面即為正中矢狀面。專用于三維頭影測量的鏡像法確定正中矢狀面的精確度很可能高于傳統(tǒng)點(diǎn)構(gòu)法[25]。

4 測量及分析

傳統(tǒng)二維頭影測量的測量項(xiàng)目多為線距和角度，大多數(shù)研究證實(shí)三維頭影測量可對沿用的線距和角度進(jìn)行更加精確、可靠的測量，其結(jié)果與直接測量得到的真實(shí)值更接近[26]。此外，還可在三維圖像上擴(kuò)展新的測量項(xiàng)目，包括對三維空間內(nèi)的角度和距離進(jìn)行測量，以及對面積和體積的測量。豐富的圖像信息為臨床醫(yī)生提供了更多的分析方法，實(shí)現(xiàn)了對錯(cuò)畸形的多方位、立體化分析。

三維頭影測量中新的線距、角度分析包括Lee等[27]提出的區(qū)分Ⅰ類和Ⅱ類頜骨關(guān)系的M測量，Zamora等[28]通過測定12個(gè)標(biāo)志點(diǎn)構(gòu)成的7個(gè)三角形的對稱性來進(jìn)行顱頜面關(guān)系分析，Dobai等[29]將Di Paolo最初提出的下面部四邊形分析法擴(kuò)展到了三維層面。Nur等[30]進(jìn)行的面部軟硬組織對稱性分析不僅擴(kuò)展出新的線距、角度測量指標(biāo)，還對上、下頜骨和軟組織進(jìn)行了面積和體積測定，為評估面部對稱性提供了新思路。

體積測量可最大化利用CBCT的立體圖像信息，體積分析法目前主要用于上氣道的分析。因?yàn)榭諝夂推渌浻步M織對X線的衰減能力不同，氣道可在CBCT上清晰顯影，易于進(jìn)行咽腔軟組織和氣道的體積測量[31]。除此之外，Nakawaki等[32]經(jīng)過三維分析證實(shí)下頜骨體積與下頜角大小呈負(fù)相關(guān)，高角、均角、低角患者的下頜骨體積存在明顯差異，未來有望建立相關(guān)的體積分析法。

針對三維頭影測量特定分析方法的研究目前還處于起步階段，日后需要收集大量臨床數(shù)據(jù)來驗(yàn)證、確定相關(guān)正常值，最終確定高效、準(zhǔn)確的分析方法，為臨床診治和療效分析提供更詳實(shí)的資料。

5 重疊

影像重疊是分析不同階段治療效果及生長改建的重要方法，二維頭影測量只能進(jìn)行基于點(diǎn)或線條的重疊，而三維影像提供的豐富圖像信息還可使其以平面和體積作為基準(zhǔn)進(jìn)行重疊，在提高重疊精度的同時(shí)更直觀地呈現(xiàn)輪廓和形狀的變化。目前，有以下4種可以用于重疊的方法。

1）平面重疊法。需要通過人工定點(diǎn)確定基準(zhǔn)平面，存在由操作者產(chǎn)生的誤差，準(zhǔn)確性和可靠性欠佳。此方法主要在顱底區(qū)域定點(diǎn)，因該區(qū)域在5歲左右基本發(fā)育完成，標(biāo)志點(diǎn)穩(wěn)定性相對較好，棘孔、卵圓孔、圓孔和舌下管可作為建立重疊參考面的標(biāo)志點(diǎn)[14]。進(jìn)行上、下頜重疊時(shí)可選用的標(biāo)志點(diǎn)有雙側(cè)眶下孔、鼻根點(diǎn)、上頜前部標(biāo)志點(diǎn)和雙側(cè)頦孔。

2）基于體素的重疊法。這是一種以顴部或前顱底作為基準(zhǔn)區(qū)域的全自動重疊法，具有較高的可靠性和準(zhǔn)確性。顴部因其解剖結(jié)構(gòu)清晰，與軟組織分界明顯，分割誤差小，操作省時(shí)，更適合作為重疊的基準(zhǔn)區(qū)域。下頜骨重疊最可靠的重疊基準(zhǔn)區(qū)域是無牙齒部位、牙槽骨、升支和髁突。在三維圖像中分割出基準(zhǔn)區(qū)域進(jìn)行體素匹配后，通過軟件進(jìn)行重疊圖像間的面距測量，顯示二者的差異。

3）表面重疊法。這是適用于下牙弓的重疊方法，基于下頜骨體下部和升支后部進(jìn)行最優(yōu)表面匹配。該方法操作簡便，具有較高的可重復(fù)性和可靠性。

4）聯(lián)合嵌入法。這是自動重疊方法，原理是通過感知球面強(qiáng)度積分使CBCT圖像子集化，讓治療前后三維圖像重疊基準(zhǔn)區(qū)域的子集建立對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)行聯(lián)合嵌入，從而實(shí)現(xiàn)可靠、高效的CBCT疊加。其基本程序?yàn)槎x子集、確定重疊基準(zhǔn)區(qū)域、聯(lián)合嵌入對應(yīng)子集。但由于重疊圖像的子集化是獨(dú)立進(jìn)行的，為確保進(jìn)行子集精準(zhǔn)匹配，閾值參數(shù)均需要精調(diào)，日后可引入體圖像處理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)一致的子集提取和匹配。

臨床上具體選擇何種方法進(jìn)行重疊尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，筆者認(rèn)為準(zhǔn)確、可靠的自動化重疊方法是未來的發(fā)展趨勢，這類方法有望成為標(biāo)準(zhǔn)的三維頭影測量重疊方法。

6 展望

6.1 三維頭影測量標(biāo)準(zhǔn)的制定

目前，三維頭影測量臨床應(yīng)用中的主要問題在于沒有標(biāo)準(zhǔn)化的頭影測量方法，上述5個(gè)方面有多種方式可供選擇，后續(xù)仍需大量的研究對各個(gè)方法進(jìn)行驗(yàn)證及優(yōu)劣分析。一套涉及定點(diǎn)方式、標(biāo)志點(diǎn)、參考平面、測量項(xiàng)目及分析和重疊的規(guī)范化頭影測量方案的確定，將有助于提高醫(yī)生的工作效率，增強(qiáng)不同結(jié)果間的可比性，促進(jìn)三維頭影測量的推廣與發(fā)展。

除此之外，還應(yīng)制定相關(guān)影像學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)榇蟛糠纸邮苷委煹幕颊哌€處于生長發(fā)育期，需盡量減少CBCT輻射帶來的不良反應(yīng)。應(yīng)明確各年齡段影像學(xué)參數(shù)的參考值，達(dá)到最小化輻射劑量的同時(shí)，最優(yōu)化影像質(zhì)量的目標(biāo)。

6.2 三維頭影測量內(nèi)容的豐富

三維頭影測量的內(nèi)容還可進(jìn)一步豐富，將CBCT圖像與其他測量形態(tài)的圖像相結(jié)合，如與記錄頭面部表面形態(tài)的三維攝影圖像、顯示軟組織的磁共振圖像、顯示牙列及其周圍組織的口內(nèi)掃描圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，最終獲得患者全方位的個(gè)性化模型。整合后的數(shù)據(jù)將可以提供發(fā)際線、眼部等涉及表面美觀部位的信息，牙齦的位置、形態(tài)及面部軟組織的信息。這將有助于臨床醫(yī)生精確診斷疾病、評估治療效果。

多來源的數(shù)據(jù)融合還可用于研究治療前后軟硬組織變化之間的聯(lián)系，由于面型的改善主要取決于軟組織的變化，日后若可通過模擬硬組織的變化精準(zhǔn)地預(yù)測軟組織治療后的形態(tài)，將產(chǎn)生可觀的美學(xué)價(jià)值。這有利于三維頭影測量與可視化治療目標(biāo)結(jié)合，對即將接受正畸治療的患者進(jìn)行分析和預(yù)測，用三維的方式呈現(xiàn)正畸治療結(jié)束時(shí)患者大致的面型及咬合關(guān)系，通過立體化、直觀地展示進(jìn)行更好的醫(yī)患交互，最終實(shí)現(xiàn)“目標(biāo)引導(dǎo)正畸治療”的效果。