三維測量技術在顱頜面結構和手術中的應用

谷 天，陳 嵩

(口腔疾病研究國家重點實驗室華西口腔醫(yī)院，四川 成都 610041)

顱頜面部是復雜的幾何體，準確了解其結構有助于制定更有效的診療計劃。以往學者們主要利用頭顱側位X線片對顱頜面結構進行二維的測量研究[1-8]，但二維測量技術存在放大失真、解剖結構重疊等問題[9]，因此并不能準確表示顱頜面部結構，學者們也無法準確地利用二維測量技術進行相關研究。近年來，三維成像技術不斷發(fā)展，計算機輔助三維測量技術憑借其空間高準確性，已在顱頜面部的研究中獲得越來越廣泛的應用。本文就三維測量技術在顱頜面結構和顱頜面手術中的應用進行綜述。

1 三維測量技術的優(yōu)勢

近年，針對顱頜面部的三維成像技術已經有了較大的發(fā)展，如三維CT技術、錐束CT技術、三維激光掃描技術、近景立體攝影技術、結構光技術、核磁共振系統(tǒng)等。三維CT技術可以獲取清晰逼真的立體圖像，可以任意角度旋轉、切割，直觀地顯示顱頜面各個部位以及周圍解剖結構間的位置關系[10]；錐束CT技術掃描范圍靈活、圖像精確、成像迅速、偽影少，線性及角度測量誤差也分別在1 mm及1°以內[11-12]；三維激光掃描技術耗時短、抗干擾能力強、立體重構快捷，利用該技術掃描后數字化的仿牙模具模型測量后發(fā)現(xiàn)與實物測量的金標準間差異很小，準確性可達(0.001 2±0.05)mm[13]；近景立體攝影技術非介入、速度快、無輻射，因此可重復拍攝，可用于和面部軟組織重建及測量[14]；結構光技術利用三角測量原理捕獲三維信息，Ma等[15]用該技術重復掃描已做標記的石膏模型并對掃描后數字化的模型進行測量，發(fā)現(xiàn)其精確度為0.93 mm，準確度為0.79 mm，可靠性為0.2 mm；核磁共振系統(tǒng)對軟組織細微特征有超強分辨力，尤其適用于頭頸部影像收集[16]。

綜上，與二維測量技術相比，建立在三維成像技術上的三維測量技術最大的優(yōu)勢在其較高的準確性。不少學者也對三維測量技術的準確性進行了研究。2004年，Adams等[17]對3D-CT在顱骨測量上的準確性進行了比較，他們以來自精密卡鉗建立的物理測量作為金標準，將在CT上測得的數據與在傳統(tǒng)X線片上的進行比較，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)二維測量方法的誤差范圍為(-17.68～+15.52) mm，而在3D-CT上測量結果的誤差范圍是(-3.99～+2.96) mm，準確度提高了4～5倍(圖1)，Cavalcanti等[18]對此也得出了相似結論。2008年Khambay等[19]對Di3D的準確性與可重復性進行實驗，結果顯示Di3D重復性獲取標志點的范圍是0.11～0.14 mm，在臨床接受的0.2 mm的范圍內，這說明Di3D在獲取面部信息的精確性有了很大的改進。2012年Nur等[20]對就同一對象的顱頜面部拍攝的傳統(tǒng)X線正位片與CBCT正位片上的相同21項包括線距、角度、比率等指標的測量結果進行比較，發(fā)現(xiàn)線性測量上2D與3D的準確性有顯著的統(tǒng)計學差異，但在角度與比率測量上二者無明顯差異。

2 影響三維測量技術準確性的因素

2.1 面部不自主運動

2012年，Lubbers等[21]采用3dMDface系統(tǒng)研究面部不自主運動對測量結果的影響。兩位研究者以自己為研究對象，在給面部做好61個標志點后保持頭部處于自然狀態(tài)，使FH線與地面平行，利用3dMDface系統(tǒng)給自己面部拍攝20次影像，每兩次間的拍攝間隔為10 min，用于放松面部肌肉。前期研究顯示該系統(tǒng)的平均技術性誤差為0.09 mm。進行數據采集和分析處理后得到的誤差為0.41 mm，因此面部不自主運動引起的誤差為0.32 mm，遠超過技術性誤差，這說明面部的不自主運動對使用3dMDface系統(tǒng)進行頭影測量有影響，在進行后續(xù)研究的時候需要排除這一項干擾。

2.2 測量者經驗

Gwilliam等[22]讓30個醫(yī)師在已掃描的6個3D面部影像上對24個給出的標志點進行標記，并計算30個醫(yī)師之間標記結果的差異。結果顯示不同醫(yī)師對所使用的系統(tǒng)的熟悉程度對結果有較大影響，而他們的經驗也提示了測量結果的不同。標記點的可重復性與測量者的經驗沒有直接的聯(lián)系，但越有經驗的醫(yī)師對標志點的標記結果彼此間越接近。

2.3 面部標志點的提前標記

Aynechi等[23]利用三維成像技術獲取受試者面部影像，并對影像進行顏貌分析。他們就獲取圖像前是否標記標志點對測量準確性有無影響進行了研究。他們選取了19個標志點，進行了18項線距的測量，并將提前標記與未提前標記的測量數據與作為金標準的卡鉗測得的數據進行比較。結果顯示兩種測量方法與金標準都十分接近，但提前標記組有7個測量項，未提前標記組有6個測量項，P值均小于0.01。但Aynechi同時指出，雖然P<0.01，但測量結果差異幅度<2 mm，在臨床上可認為此差異沒有意義。

3 三維測量技術在顱頜面結構研究中的應用

3.1 正常人群顱頜面部結構的研究

對正常顱頜面部結構的正確認識有助于對各類顱頜面部畸形有進一步的理解。2007年Baik等[24]運用激光掃描技術對60名正常牙合成人進行面部掃描，利用Rapidform 2004 program對面部影像重建后建立軟組織的三維圖像參考平面及三維坐標系，在三維圖像上確定29個標志點，以此進行了39個線性指標、8個角度、29個線距比的測量，測量結果可能作為一個3D的評價面部圖像的標準。2012年Ghobril等[25]對60名Ⅰ類牙合人群面部進行掃描，建立三維坐標系，選擇不同的腔洞進行體積計算。計算所得各腔洞體積比大概為上頜竇：男性20.9%，女性19.1%；眼眶腔：男性13.4%，女性14.7%；鼻腔篩竇：男性29.7%，女性30.2%；口腔：男性36%，女性36%。

3.2 顱頜面畸形人群的研究

過去學者們曾利用二維測量技術對顱頜面畸形人群進行研究[2，6]，但他們的測量結果都僅展示了側位片所見的平面上的線距、角度、比率等。2003年Takashima等[26]對10名青春期前的顱面短小癥患的面部照片、牙模、X線片、螺旋CT和三維重建后的圖像進行研究，用以驗證提出的4種關于顱面短小癥患者咀嚼肌形狀及體積的特點的假設。他們對咬肌、翼外肌、翼內肌及顳肌的體積、肌肉總周長和相應橫截面面積的比值進行測量計算，并觀察耳、下頜、牙的畸形對咀嚼肌是否有影響。結果顯示4塊咀嚼肌在患側的體積明顯小于健側，并且其患側肌肉形狀與健側相對比更不規(guī)則，耳、下頜、牙的畸形也不能判斷患者顱面短小癥的嚴重程度。Yanez等[27]在2011年對20個面部不對稱病人的頭骨進行3D-CT掃描并重建，與面部對稱人群進行比較后發(fā)現(xiàn)下頜角點是最不對稱的一個點，因此在制定治療方案時應當有所考慮。

3.3 顱頜面部發(fā)育的分析評估

三維測量技術在軟組織的研究方面較二維測量技術有巨大優(yōu)勢，因此很多學者將其用于軟組織相關研究。2013年Brons等[28]嘗試建立一個兒童面部軟組織分析的三維參考系用于分析評估伴或不伴口面部裂的嬰兒及兒童的面部軟組織的生長情況。他們選取了39名嬰兒及兒童作為研究對象，讓兩名實驗人員對獲取的研究對象的三維面部影像軟組織標志點及參考系進行定位，對他們的標記結果進行疊加后計算Pearson相關系數，以證明標記點的可靠及可重復性。實驗證明利用建立的這個參考系可以對不同年齡拍攝的同一對象的面部軟組織三維影像進行疊加，以直觀觀察其面部軟組織的生長情況。

4 三維測量技術在顱頜面手術中的應用

4.1 評估手術效果

不同于二維測量技術對手術前后硬組織的改變或僅是側貌的軟組織邊緣的標志點進行研究[5]，三維測量技術更多的是對軟組織的改變進行研究。2009年Jung等[29]利用3D-CT對下頜前突及面部不對稱患者下頜后退術后軟、硬組織的改變進行了研究。患者根據下頜偏移程度分為兩組，均拍攝術前1個月及術后6個月的影像，然后根據眼眶位置(手術對其位置無影響)對兩次拍得的影像進行疊加，再對已定義的標志點進行線距及角度的測量，組間、組內比較顯示水平向及前后向的改變較大，并發(fā)現(xiàn)硬組織并沒有顯著的移動，軟組織的顯著移動多因口輪匝肌及軟組織的張力而發(fā)生。2010年Baik等[30]利用三維激光掃描技術對進行了正頜手術的安氏Ⅲ類錯頜畸形患者的手術效果進行評估。Baik采用了與Jung類似的方法，將術前術后的影像進行疊加以直觀看到下頜術前術后的改變。2012年Shimomatsu等[31]利用色彩的不同直觀地顯示出正頜手術前后下頜畸形患者面部中下份軟組織突出面積的改變。

4.2 輔助顱頜面部診療計劃的制定

2005年Akira等[32]提出了CBCT可以用于幫助診斷及制定治療計劃。CT在醫(yī)學診斷及成像方面已取得了巨大進展，但因為成本高、空間要求大、高輻射量等因素在口腔的臨床工作中并沒有得到廣泛應用。隨著Limited cone-beam dental CT(3DX)的發(fā)明，CT也能在口腔臨床工作中得到應用。Akira研究了3個案例來證明3DX在制定診療計劃方面的實用性：①左上第2前磨牙的延遲萌出；②上頜第2雙尖牙的嚴重嵌塞；③顳下頜關節(jié)紊亂。研究表明3DX能夠提供比常規(guī)X線圖像更多、更準確的信息，在制定診療計劃上也能更全面、準確。2012年Centenero 等[33]對16名需進行正頜手術治療的骨性錯頜畸形患者的顱頜面部三維影像進行拍攝，隨后利用CAD/CAM技術在Simplant OMS 10.1這個軟件中按照設定模擬手術流程，對軟、硬組織的改變進行預測，并對不同外科夾板(surgical splints)進行模擬，幫助醫(yī)師決定該如何制作外科夾板使手術效果最理想。隨后他們對這16名對象術后3個月的顱頜面三維影像進行拍攝，并對兩次獲得的圖像上的線距、角度等17項指標進行測量、分析，最后得出利用Simplant OMS軟件進行手術計劃、模擬并決定外科夾板的制作是可靠的。

5 展望

三維測量技術憑借其高準確性，近年來已得到廣泛的應用。目前學者們利用三維成像技術已完成了許多僅利用二維成像技術無法完成的工作，但仍需開展更多的研究，進一步分析三維測量技術所獲得的除線距、角度外更多的顱頜面相關測量結果，如體積、曲率、突度等，從而建立并完善不同人群顱頜面結構的平均值，對軟、硬組織三維影像進行匹配研究。隨著三維成像技術的發(fā)展、計算機輔助軟件的進一步開發(fā)，三維測量技術必將有更廣闊的應用前景。

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