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| 颅颌面结构三维分析技术研究现状与进展 |
| 来源： 时间：2007-03 |
作者：魏明贵
中图分类号：R782.2 文献标识码：A 文章编号：1005-4979(1999)04-313-04
DEVELOPMENT IN THREE DIMENSIONAL ANALYTICAL TECHNIQUE OF CRAINO-MAXILLO-FACIAL STRUCTURE
颅颌面结构三维分析是研究颅颌面生长发育规律的重要手段，同时应用于颅颌面各类先天及后天畸形的定量诊断，手术设计，手术模拟以及术后评价。自1931年Broabent首创头颅定位X线头影测量技术以来，这种孤立地以正或侧位X片作为测量分析的技术广泛应用于临床实践，并得到了空前的发展，如从单纯手工测量分析发展到计算机辅助分析，从人机交互方式的半自动分析发展到计算机自动分析［11］。但随着正颌外科及整复外科手术范围的扩大，尤其是各类三维方向上复杂颅颌面发育及缺损畸形的矫治，常规正位或侧位X片二维分析并不能准确地反映该类畸形的特征，因而不能有效指导临床诊断及手术设计与模拟。因此如何实现颅颌面结构三维立体诊断分析与治疗设计，逐渐成为国内外有关学者关注的一个比较热门课题，尤其是近年来计算机软硬件的发展，图像数字处理技术，虚拟现实技术及CAD、CAM技术的开发应用，为颅颌面三维分析技术的研究与开发提供便利条件［16］。现就近十多年来颅颌面结构三维分析技术研究现状与进展情况进行综述。
1 头颅X线立体摄影分析［1～4］
头颅X线立体摄影即通过对头颅在两个不同角度上X线投影分析而实现三维空间重构的分析技术。其基本原理是当从不同角度观察物体即可获得该物体表面的真实三维空间信息。目前文献报道颅颌面X线立体摄影技术有：双平面X线立体摄影和共平面X线立体摄影。
1.1 双平面X线立体摄影法(biplanar x-ray stereophotogammetry)
Broadbent早在30年代发明了头颅定位仪(orientator)，并用此来对头颅正位或侧位X片同时进行二维测量分析，从而获取颅颌面结构三维空间数据，正是这一技术的最早运用［2］。双平面X线立体摄影工作原理：利用相同条件而且垂直交叉的X线对颅颌面侧面及前后位投照曝光，同时获取颅颌面正位和侧位X线影像，颅颌面上任意骨性标志点P沿X线方向分别在正位和侧位胶片平面上形成相应的投影点Pf和P1，结合Pf和P1二维平面坐标分析，即可确定实际标志点P的三维空间坐标，即Pf和P1反X线方向形成的交叉点的位置，通过这种方法可以确定颅颌结构任意标志点在空间上三维坐标，从而计算出三维空间上各标志点之间的距离、角度及相关比例的测量［1，2］。
60年代，Sava利用这一分析技术对颅骨的三维方向上生长发育变化作出了定量报道［6］。Bolton应用该测量技术建立了标准人群数据，并确立了Bolton标准模板，用此作为评价各类畸形的标准［4］。80年代，Cutting利用计算机数字图像及图形处理技术完成了这种技术的计算机辅助分析，由计算机自动将正位和侧位X片二维平面坐标转换三维空间坐标系统，并根据正位和侧位X片上同一标志点的二维坐标计算出该标志点的三维空间坐标，并测量出相关标志点之间距离、角度及比例关系，同时计算机还可以根据标志点的空间分布自动描绘出颅颌的骨骼结构三维框线图(Skeleograph)，因而比较直观地显示了颅颌骨骼的三维模式结构，有助于从定量及定性的角度对复杂畸形进行诊断分析［9］。近年来国内也报道了相关研究并应用颅颌面畸形的临床诊断分析。
计算机辅助的双平面X线立体摄影技术同时还实现了在骨骼框线图进行上颌骨、下颌骨及颏部多种正颌外科术式的模拟，手术模拟方式通常有两种：一种是由计算机系统根据Bolton的标准模板按照优化原则自行模拟截骨块移动；另一种是人机交互方式即利用鼠标移动截骨块，截骨块可在三维坐标方向上同时进行移动和旋转，系统可以自动输出相应截骨块在三维方向变化的数据［10］。
双平面X线立体摄影分析技术，尽管近年来出现了可喜的研究前景，但必须看到其本身存在许多不精确及误差的地方，应用中仍存在着许多不可克服的困难：(1) 在标志点定位方面，并不是所有结构标志点在正或侧位X线光片上都具有同样可分辨性，由于不同方向上的(正位、侧位)结构影像重叠，有些标志点在侧位易标记，如ANS、N、S点等，而在正位片上则难以确认，反之亦然。(2) 由于颅颌结构的曲面形态，在侧位片上处于最上或最下的标志点在正位片并不表现为最上或最下位置，因而造成标志点定位上偏差，如Me点在侧位片上标记位置为颏部最下点，与正位片上表现的正中联合处最下点不一致，侧位片上Me点应在实际位置前上方才与正位片上一致，这是侧位片颏部向下最凸处并不在正中联合部。(3) X线投照放大率校正困难，颅颌面上某一结构分别投射至正位和侧位胶片上的放大率是不同的，由于分别距正侧位胶片的距离不等，仅只有相互垂直的x线球管中心线交叉点至两片距离相等。(4) 其局限性还表现在该方法所取得的测量数据还不能与其它方法对应起来。尽管许多学者企图解决这些问题，但并不如人意［3］。
1.2 共平面X线立体摄影法(coplanar X-ray stereophotogrammetry)［3，4］
共平面X线立体摄影技术是从运用于地形图描绘的体视镜中得到启示的。Baumrind首先把体视镜工作的光学几何原理应用于X线头影测量领域中。共平面X线立体摄影基本原理：两个处在同一水平且不同角度X线球管对颅颌正位或者侧位进行投照，使其在同一平面上分别形成两张正位或侧位片，根据同一平面两张正位或侧位片上相同标志点位置变化，利用三角形相似原理，求出标志点实际三维空间坐标。
该方法的具体技术要求：(1) 两个X线球管中心聚焦点必须在同一平面且连线与胶片平行。(2) 两X线球管中心线交角不宜过大，绝对小于45°。其中一个X线球管垂直胶片投照，另一个X线球管偏离投照，但其距胶片垂直距离保持不变。(3) 确定两个参数，即两个X线球管中心聚焦点距离B和垂直投照至胶片的距离H，一般情况下H值为60英寸(152.4cm)。(4) 各标志点计算方法：以某一空间标志点P(x,y,z)为例，根据相似三角形几何原理求得Z=B/B+s，S为P在两个胶片上相对移动的距离。并依次得出X=x1(H-Z)/H,Y=y1(H-Z)/H，其中S，x1,y1在胶片上实际测量可获得。在实际应用中为了计算方便，通常把坐标原点定在Sella点(蝶鞍点)，X轴通过Nasion点(鼻根点)，XY平面通过ANS点(前鼻棘点)。
关于这方面的研究报道不多，但这种方法相对双平面X线技术而言，克服了颅颌结构在两个平面方向上投照的不同放大误差，因而求出标志点的三维坐标值更精确，另外在两胶片上对同一标志点的确定比较容易。但由于该技术需要特殊设备以及计算方法复杂，因此在临床上没有得到广泛研究和应用。
2 云纹影像分析［23］
云纹影像法又称为莫尔条纹(Moire topography)是70年代由Meadous和高崎宏发明的一种光测技术，其基本原理是：光线通过放置在物体表面的基准光栅投影于凹凸不平的物体表面，在物体表面产生随物体表面形态而改变的变形光栅，这种变形光栅包含了物体表面的三维信息，通过对变形光栅的分析即可获得颜面部三维信息。通常用来对颜面软组织对称情况进行评价［30］。
70年代中期，日本河合擀等建立了云纹影像的计算机分析处理系统，应用计算机处理软件对颜面部等高条纹进行数字化处理，自动绘制出颜面部的纵横剖面图及透视立体图，以供对颜面形态的三维定量分析。80年代华西医大胡林也开发了类似系统并对各种颅颌面不对称畸形的颜面软组织非对称率进行定量分析［5］。
3 三维CT影像重建分析［6～9］
计算机辅助的X线断层扫描三维重建影像应用于颅颌面畸形的诊断、分析、手术设计及手术模拟是一个比较热门的研究方向，CT三维重建的基本原理是将X线的断层扫描二维图像数字信息通过三维软件处理，其中包含边缘提取(edge determination)和阴影技术(shading technique)处理，在二维显示器上显示三维重建的影像。边缘提取技术是指通过预设CT值的域值方法将二维断层数字图象的边缘像素点提取出来［6］。目前该技术可以通过设定不同域值的办法分别对骨骼结构和软组织结构表面进行提取，从而实现颅颌骨性结构及颜面软组织同步三维重建。阴影技术即采用灰度值的大小来表示三维表面像素的纵向深度的一种技术。通常选择在某一个视角方向上把所有能观测到的边缘像素进行叠加，然后用不同的灰度表示像素距离的远近，这样才能二维显示器上能反应出三维虚拟的直观影像，三维CT的影像能够从多个视角显示及观察，并能单独显示颅颌面某一分离的结构，同时具有精确的距离、表面积、体积及组织密度测量［9，10］。
70年代Artzy和Herman首先介绍并应用于医疗诊断，80年代Marsh连续报道了颅颌面结构三维重建技术及有关对颅颌面畸形的诊断手术设计及术后评价，同时指出三维CT重建影像用于手术模拟的三条途径：镜影技术(mirror image technique)、三维CT实体模型方法和CAD方法［7，8］。
Ono等在三维CT影像重建的基础上开发了三维测量分析系统，其中包括67个标志点和三维空间坐标的建立并进行任意标志点之间的线距、角度及相关比例关系的测量，并根据67个标志点的空间坐标系统自动描绘出颅颌结构的框线图，以供对颅颌结构的三维定量分析［17，18］。David开发了二维X线头影测量与三维CT重建影像两者交互的颅颌面畸形诊断、设计及模拟系统。该系统利用Bolton标准模板对X线侧位进行定量分析，把分析的数据结果作为三维重建影像的手术设计及手术模拟的参考依据，在计算机虚拟三维空间环境下，对三维重建的颅颌面影像进行各种正颌手术模拟，且手术中截骨块的移动及旋转均在三维坐标中进行，并预测出颜面部的软组织变化情况［10］。Cutting开发了三维X线头影测量与三维CT重建影像二者结合的正颌手术模拟系统，利用共平面三维X线头影测量分析及骨骼框线图模拟指导三维CT影像的手术模拟［1］。
关于三维CT影像测量可信度方面，Matteson等对三维CT影像的距离、角度测量的精确度进行了评价，指出三维CT重建影像测量精确度高于常规X线头影测量，并与颅颌实体标本测量值比较，其测量值之间平均差值仅为0.19mm，角度差值为0.38°，个体之间测量误差为0.1～0.66mm，充分说明了三维CT影像测量精确性高及可重复性好［13］。Hildebet通过对头颅骨实体及其三维CT重建影像相关距离角度测量比较，得出了相同的结论［15］。在颅颌骨结构标志点定位方面，Kragskov等对其可信度进行了评价，指出三维CT影像标志点标记可重复性及准确性不如常规X线正侧位头影片。但对不对称颅颌面畸型分析中，三维CT影像能体现不可取代的优势［14］。
关于颅颌面三维CT重建影像的诊断分析与手术模拟还有待于进一步研究，如何建立三维CT重建影像测量项目及定量的分析诊断标准，目前还没有统一的看法；另外在三维手术模拟预测中软硬组织位移比率关系问题也尚待解决。
4 三维立体模型分析［12，16，21］
三维立体模型是建立在CT扫描数据基础上通过CAM技术加工而成。目前国内外许多文献介绍的方法有：快速激光成型(stereolithograph)和数控铣床加工(computer numerically controlled milling)［13，22］。无论哪种方法制作模型，其精确度都与CT扫描数据精度有关，具体说与CT扫描的层面厚薄，空间分辨力高低，密度分辨力及部分容积效应等因素有关。当然制作系统性能因素也不能忽视。据早期Lill等报道数控铣床制作出的三维模型出现放大误差，并且模型表面不光滑呈锯齿状，14项线测量误差达3.5%，大约为2.1mm。最近报道测量误差下降至1.6%，线测量误差在1.5mm左右，并且测量的可信度明显提高［19］。Sanlter总结了10年来三维模型在颅颌面畸型领域中诊断分析及治疗设计的成果，指出三维模型在颅颌面发育异常及缺损重建方面具有广泛应用价值，它能够提供真实的三维信息和较为精确的线距与角度测量，重要解剖结构的准确定位及标志点的标记，尤其有利于手术设计和模拟，能够直接制作出切除骨块及填塞骨块大小的模板，以及模拟截骨块移动方向及距离大小［20］。Schutes等利用数控铣床制作的下颌骨三维立体模型对下颌骨矢状劈开术后下颌骨三维空间上的变化进行了定量分析，并作出准确评价［21］。
总之，采取三维立体模型对颅颌面复杂结构分析及设计是一种最为直观有效的方法，将会越来越引起广泛重视。目前对软组织三维重建模型制作还不完善，另外牙颌关系重建模型并不理想，因而还不能取代建立在石膏模型基础上的模型外科。但随着计算机扫描技术的发展，如高性能螺旋CT、电子束CT及三维激光扫描技术等将为三维立体模型制作提供更为精确的数据，这样可达到完全仿真颅颌三维立体模型制作［12］。
(本文由周正炎教授审阅)
作者简介：魏明贵(1969-)，男，硕士
作者单位：上海铁道大学医学院附属甘泉医院口腔科(200065)
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