Ｘ線頭影測(cè)量計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)與人工識(shí)別的比較

[摘要]目的：驗(yàn)證X線頭影測(cè)量計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的可靠性。方法：對(duì)10張X線頭顱定位側(cè)位片分別進(jìn)行計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別和人工識(shí)別確定標(biāo)志點(diǎn)，計(jì)算自動(dòng)識(shí)別和人工識(shí)別與人工測(cè)量均值之間的誤差。結(jié)果：計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別的19個(gè)標(biāo)志點(diǎn)中，有15個(gè)在X軸方向上與人工識(shí)別無明顯差異，有17個(gè)在Y軸方向上與人工識(shí)別無明顯差異。結(jié)論：該軟件系統(tǒng)大部分標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別的準(zhǔn)確性與人工識(shí)別類似。

[關(guān)鍵詞]頭影測(cè)量；自動(dòng)識(shí)別；比較

[中圖分類號(hào)]R783 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1008－6455(2007)06－0826－03

利用現(xiàn)代圖像處理技術(shù)，開發(fā)建立了X線頭影測(cè)量計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，能夠自動(dòng)識(shí)別出19個(gè)頭影測(cè)量標(biāo)志點(diǎn)并生成坐標(biāo)值，該系統(tǒng)的可靠性需要進(jìn)行驗(yàn)證。可靠性包括準(zhǔn)確性與可重復(fù)性兩方面因素。由于計(jì)算機(jī)對(duì)同一張X線頭顱定位片的同一個(gè)標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)識(shí)別時(shí)，坐標(biāo)值都將是相同的。因此，只需要進(jìn)行準(zhǔn)確性的驗(yàn)證。本實(shí)驗(yàn)對(duì)計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別的標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)值與人工識(shí)別的標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)值進(jìn)行了精確性的比較。

1 材料和方法

1．1 材料

1．1．1 選取10張口腔正畸患者的X線頭顱定位側(cè)位片作為實(shí)驗(yàn)圖像，要求在X線放射計(jì)量上較合適，不出現(xiàn)明顯曝光過量和不足的情況，并且無明顯劃痕和污跡。

1．1．2 由第四軍醫(yī)大學(xué)口腔正畸教研室和計(jì)算機(jī)教研室研究開發(fā)的X線頭影測(cè)量計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)。

1．2 實(shí)驗(yàn)方法

1．2．1 用自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)對(duì)10張X線頭顱定位側(cè)位片進(jìn)行識(shí)別，自動(dòng)產(chǎn)生19個(gè)頭影測(cè)量標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)值。

1．2．2 由筆者在5個(gè)不同的時(shí)間內(nèi)對(duì)10張X線頭顱定位側(cè)位片進(jìn)行描圖、人工識(shí)別定點(diǎn)(與計(jì)算機(jī)識(shí)別的19個(gè)標(biāo)志點(diǎn)相同)。建立與自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)相一致的平面直角坐標(biāo)系，即以X線片的上緣為X軸，左側(cè)邊緣為Y軸，以X線片的左上角為坐標(biāo)系的原點(diǎn)，并測(cè)量每個(gè)標(biāo)志點(diǎn)在該坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)值。記錄每次測(cè)量的數(shù)據(jù)，并計(jì)算19個(gè)點(diǎn)經(jīng)過5次測(cè)量得到的均值。

1．2．3 分別計(jì)算自動(dòng)識(shí)別10張X線頭顱定位側(cè)位片標(biāo)志點(diǎn)和人工識(shí)別標(biāo)志點(diǎn)與測(cè)量均值之間在X軸和Y軸方向的誤差，并分別計(jì)算誤差值的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。對(duì)于每個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的準(zhǔn)確性比較用t檢驗(yàn)方法進(jìn)行，采用的統(tǒng)計(jì)軟件為第四軍醫(yī)大學(xué)統(tǒng)計(jì)教研室的Nosa軟件。

2 結(jié)果(見表1～2)

點(diǎn)中有15個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的人工識(shí)別和自動(dòng)識(shí)別的誤差值之間沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P＞0.05)；而對(duì)于上齒槽座點(diǎn)(A點(diǎn))、上中切牙點(diǎn)(UI點(diǎn))、頦下點(diǎn)(Me點(diǎn))和D點(diǎn)來說，兩種識(shí)別方法的誤差值有顯著性差異(P＜0.05)，人工識(shí)別的誤差值小于自動(dòng)識(shí)別的誤差值。

在人工識(shí)別的各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)中，誤差值最大的是軟組織鼻根點(diǎn)(Ns點(diǎn))，誤差值最小的是上中切牙點(diǎn)(UI點(diǎn))；在計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別的各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)中，誤差值最大的是上中切牙點(diǎn)(UI點(diǎn))，誤差值最小的是頦頂點(diǎn)(Gn點(diǎn))。

在Y軸方向上：從表2中可以看出，19個(gè)標(biāo)志點(diǎn)中有17個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的人工識(shí)別和自動(dòng)識(shí)別的誤差值之間沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P＞0.05)；而對(duì)于上齒槽座點(diǎn)(A點(diǎn))和上中切牙點(diǎn)(UI點(diǎn))來說，兩種識(shí)別方法的誤差值有顯著性差異(P＜0.05)，人工識(shí)別的誤差值小于自動(dòng)識(shí)別的誤差值。

在人工識(shí)別的各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)中，誤差值最大的是額前點(diǎn)(G點(diǎn))，誤差值最小的是上中切牙點(diǎn)(UI點(diǎn))；在計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別的各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)中，誤差值最大的是上中切牙點(diǎn)(UI點(diǎn))，誤差值最小的是頦頂點(diǎn)(Gn點(diǎn))。

3 結(jié)論

計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)軟件進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別標(biāo)志點(diǎn)時(shí)，所識(shí)別的19個(gè)標(biāo)志點(diǎn)中有15個(gè)在X軸方向上與人工識(shí)別標(biāo)志點(diǎn)的準(zhǔn)確性無明顯差異；有17個(gè)標(biāo)志點(diǎn)在Y軸方向上與人工識(shí)別標(biāo)志點(diǎn)的準(zhǔn)確性無明顯差異。

4 討論

近年來，計(jì)算機(jī)頭影測(cè)量自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。Cohen首先介紹了自動(dòng)提取X線頭顱定位側(cè)位片相關(guān)標(biāo)志點(diǎn)的方法，成功獲得了兩個(gè)標(biāo)志點(diǎn)Me點(diǎn)和S點(diǎn)，但是他的研究認(rèn)為，計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別的準(zhǔn)確性不及人工識(shí)別，尤其是在圖像的質(zhì)量較差時(shí)；Liu JK等對(duì)一張頭顱定位側(cè)位片進(jìn)行了邊緣提取，自動(dòng)識(shí)別了13個(gè)頭影測(cè)量標(biāo)志點(diǎn)，13個(gè)標(biāo)志點(diǎn)中有5個(gè)與人工識(shí)別的誤差沒有顯著性差異，認(rèn)為計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別的準(zhǔn)確性僅限于特定的標(biāo)志點(diǎn)；而Rudolph用空間光譜學(xué)方法對(duì)14張X線頭顱定位側(cè)位片進(jìn)行了15個(gè)頭影測(cè)量標(biāo)志點(diǎn)的自動(dòng)識(shí)別，并與人工識(shí)別相比較，除了蝶鞍點(diǎn)的準(zhǔn)確性不及人工識(shí)別之外，其他14個(gè)標(biāo)志點(diǎn)與人工識(shí)別沒有顯著性差異。

在本實(shí)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)頭影測(cè)量自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)中，能夠自動(dòng)識(shí)別19個(gè)頭影測(cè)量標(biāo)志點(diǎn)，在X軸方向上有15個(gè)點(diǎn)與人工識(shí)別無顯著差異，在Y軸方向上有17個(gè)點(diǎn)與人工識(shí)別無顯著差異。其中在X軸和Y軸方向都存在明顯差異的標(biāo)志點(diǎn)是上中切牙點(diǎn)和上齒槽座點(diǎn)。在X軸方向上存在明顯差異的標(biāo)志點(diǎn)是頦下點(diǎn)和D點(diǎn)。

在該軟件系統(tǒng)中，上中切牙點(diǎn)的數(shù)學(xué)定義是上中切牙切緣的最前點(diǎn)，即區(qū)域曲線上橫坐標(biāo)X最大的點(diǎn)。但是在選擇的X線頭顱定位側(cè)位片中，有些為前牙反牙合患者，這些患者的中切牙點(diǎn)并非是曲線的最前點(diǎn)。因此在X軸方向和Y軸方向都會(huì)出現(xiàn)較大的誤差；對(duì)于上齒槽座點(diǎn)來說，該區(qū)域同時(shí)有軟組織、骨和中切牙牙根的影像結(jié)構(gòu)，互相重疊，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，該區(qū)域的灰度值差異不明顯，因此計(jì)算機(jī)將“目標(biāo)”從“背景”中分離出來比較困難，從而導(dǎo)致了誤差的產(chǎn)生。然而，對(duì)于人工識(shí)別來說，可以憑借知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)來尋找正確的標(biāo)志點(diǎn)，而不會(huì)受顱面部影像特征或影像的灰度值的影響，因此在上述兩種情況中都不會(huì)出現(xiàn)明顯的誤差。

在該軟件系統(tǒng)中，D點(diǎn)的數(shù)學(xué)定義是：取下頜體部外側(cè)輪廓曲線的最突點(diǎn)，下頜體部?jī)?nèi)側(cè)輪廓曲線的最凹點(diǎn)，兩者之間的中點(diǎn)就是D點(diǎn)。因此它的提取過程比較復(fù)雜，首先要分別確定硬組織外輪廓閾值和下頜體輪廓閾值，將兩個(gè)輪廓曲線相結(jié)合才能確定D點(diǎn)的坐標(biāo)值。下頜體內(nèi)側(cè)的輪廓曲線往往不規(guī)則，并非總是一個(gè)向內(nèi)凹陷的半圓形，這就直接導(dǎo)致了D點(diǎn)在水平方向(即X軸方向)上的誤差。

頦下點(diǎn)的定義是頦部最下點(diǎn)，其數(shù)學(xué)定義是頦部曲線上縱坐標(biāo)Y最小的那一點(diǎn)。下頜體下緣的曲線比較平緩，或者由于拍攝X線片時(shí)頭顱位置不同，計(jì)算機(jī)尋找曲線上縱坐標(biāo)最小的點(diǎn)時(shí)，可能會(huì)引起水平方向上位置的誤差。而人工識(shí)別頦下點(diǎn)時(shí)，僅僅在一定的小范圍內(nèi)來尋找曲線的最下點(diǎn)，因此誤差較小。

本軟件系統(tǒng)中識(shí)別最準(zhǔn)確的點(diǎn)是頦頂點(diǎn)。頦頂點(diǎn)在該系統(tǒng)中的數(shù)學(xué)定義是：在頦部的曲線上，與一條斜率為1的直線距離最近的點(diǎn)。對(duì)于計(jì)算機(jī)來說，這個(gè)定義簡(jiǎn)單而精確；而頦頂點(diǎn)在人工識(shí)別時(shí)的定義是：頦前點(diǎn)與頦下點(diǎn)骨連線之中點(diǎn)。需要依靠另外兩個(gè)點(diǎn)來識(shí)別頦頂點(diǎn)，這就可能帶來誤差。

在人工識(shí)別標(biāo)志點(diǎn)時(shí)，X軸方向上誤差最大的標(biāo)志點(diǎn)是軟組織鼻根點(diǎn)，其次為軟組織頦下點(diǎn)；Y軸方向上誤差最大的標(biāo)志點(diǎn)是額前點(diǎn)，其次是軟組織額前點(diǎn)。這幾個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的性質(zhì)類似，都是位于較平緩的曲線上，都是定義為曲線的極點(diǎn)，如最下點(diǎn)、最前點(diǎn)、最凹點(diǎn)。由于人類視覺的局限性，不可避免的產(chǎn)生誤差。

在人工識(shí)別時(shí)，X軸和Y軸方向上誤差最小的點(diǎn)都是上中切牙點(diǎn)。這與Rudolph的研究結(jié)果相同。上中切牙點(diǎn)是上頜中切牙切緣的頂點(diǎn)，影像清晰，區(qū)域確定而局限，因此人眼識(shí)別較容易實(shí)現(xiàn)。

通過計(jì)算機(jī)頭影測(cè)量自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別標(biāo)志點(diǎn)和人工識(shí)別標(biāo)志點(diǎn)的比較，認(rèn)為盡管該軟件系統(tǒng)在某些特定的標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別上的準(zhǔn)確性不足，但是大部分的標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別的準(zhǔn)確性與人工識(shí)別相類似。人工識(shí)別標(biāo)志點(diǎn)的誤差來自于人類視覺的局限性，而計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別標(biāo)志點(diǎn)的誤差是由于復(fù)雜的顱面部影像結(jié)構(gòu)以及不同錯(cuò)(牙/合)類型的顱面部形態(tài)變化引起。隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)了一種廣義的人工智能模式識(shí)別方法，即人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)田]，認(rèn)為可以實(shí)現(xiàn)特征空間的復(fù)雜的劃分，并可能最終具有類似于人腦的模式識(shí)別能力。結(jié)合應(yīng)用這種人工智能方法，我們認(rèn)為，最終實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的計(jì)算機(jī)頭影測(cè)量分析系統(tǒng)是完全可行的，并將在各個(gè)學(xué)科的臨床和科研工作中有著廣泛的應(yīng)用前景。