錐形束CT體素重疊對二維頭影測量縱向研究準確性的影響

馬曉晴，張 玲，陸 婉，錢文昊，李志耀，樊明月

在正畸臨床中，術前診斷、治療計劃制定、術后療效評估以及生長發育觀察，均需要借助頭影測量分析[1-2]。傳統側位片自20世紀30年代應用至今，為臨床治療提供很大幫助，但其影像為三維結構在正中矢狀面的投照，即存在結構重疊，且X線束為非平行投照，不同部位放大率不同，故其成像結果存在模糊失真[3-5]。錐形束CT(cone beam CT，CBCT)可準確呈現顱頜面結構，但目前尚無完善的三維測量方法，利用其轉換生成的二維側位片可有效降低傳統頭影測量中存在的系統誤差[6-8]，但對標記點的準確定位無明顯提高。

正畸治療中、治療后的療效評估離不開準確的頭影測量分析，本研究療效評估前將不同階段CBCT影像進行體素重疊并采取分層重建形成組合式側位片，旨在減小頭影測量中的系統誤差和定點誤差，提高評估的準確性。

1 資料與方法

1.1 對象選擇

選擇2017年2月—2020年9月在上海市徐匯區牙病防治所順利完成拔牙矯正的成人雙頜前突患者為研究對象。納入標準：①成人，雙牙列前突；②治療前牙列完整(不包括智齒)，擁擠度<2 mm；③顱頜面無外傷史，無發育畸形；④治療前、后CBCT影像清晰，無偽影。最終選擇36例，其中男17例，女19例，年齡24～32歲，平均26.9歲。本研究已獲上海市徐匯區牙病防治所倫理委員會審核通過，倫理編號：滬徐牙防科倫審(2019)3號。

1.2 方法

1.2.1 拍攝CBCT影像 所有患者均采用NewTom 5G(QR Srl, 意大利)設備拍攝CBCT影像(有效劑量：36.9～75.0 μSv)。利用NNT Viewer將原始數據轉換為DICOM格式。

1.2.2 側位片轉換 對照組將DICOM數據導入圖像處理軟件Dolphin，頭顱再定位標記點：①矢狀面包括鼻根(N)點、蝶鞍(S)點以及顱底點；②水平面包括雙側眶下點和右側耳點[6]。選取頭顱右側數據，直接平行投照獲得相應側位片，存儲為JPEG 格式(圖1)。

圖1 對照組側位片

實驗組將治療前、后DICOM數據導入Dolphin軟件，頭顱再定位同對照組，手動定點雙側顴額縫、右側眶下孔上緣，點擊自動重疊按鈕進行初步重疊。在多平面重建(MPR)模式的正中矢狀截面中，選取蝶鞍及其鄰近區域進行體素重疊(圖2)。在三維重建影像模式中，調整治療后影像為透明狀，選用治療前影像右半側的側面照(圖3A)，截取其正中矢狀面斷層(包括完整的蝶鞍和鼻根部)。添加Dolphin軟件自帶刻度尺，調整刻度尺中心點與S點相吻合，且刻度尺位于前顱底(SN)平面(圖3B)。分別選取包含右側髁突、右側上下第一磨牙(圖3C)以及上下中切牙的最小斷層，調整各自影像的灰度值以增強所要呈現結構的清晰度，存儲圖像為JPEG格式。以刻度尺為重疊軸重疊、裁剪各影像，形成治療前組合式側位片，存儲圖像為JPEG格式(圖3D)。調整治療前影像至透明狀，恢復治療后影像的灰度值，重復上述操作獲取治療后組合式側位片(圖4)。

圖2 前顱底重疊

A：右側三維重建側面照；B：正中矢狀面三維重建；C：后牙區三維重建；D：組合式側位片

圖4 實驗組治療后側位片

1.2.3 測量方法 坐標軸確定：①X軸為SN平面順時針旋轉7°，且通過S點[9]；②Y軸為與X軸垂直，且通過S點。

測量項目包括①SNA：由S點，N點及上牙槽座(A)點組成的角；②SNB：由S點，N點及下牙槽座(A)點組成的角；③U1-SN：上切牙長軸與SN平面的交角；④U1-NA：上中切牙長軸與NA連線的交角；⑤U1-NA′：上中切牙切緣點到NA連線的垂直距離；⑥L1-NB：下中切牙長軸與NB 連線的交角；⑦L1-NB′：下中切牙切緣到NB連線的垂直距離；⑧IMPA：下中切牙長軸與下頜平面的交角；⑨U1-L1：上下中切牙長軸的交角；⑩MP-SN：下頜平面與SN 平面的交角；U1-X：上中切牙切緣到X軸的垂直距離；U1-Y：上中切牙切緣到Y軸的垂直距離；U6-Y：上頜第一磨牙近中頰尖到Y軸的垂直距離；L1-Y：下頜中切牙切緣到Y軸的垂直距離；L6-Y：下頜第一磨牙近中頰尖到Y 軸的垂直距離；Co-Gn：下頜骨長度(圖5)。

1: SNA; 2: SNB; 3: U1-SN;4: U1-NA; 5: U1-NA′；6: L1-NB′; 7: L1-NB;8: IMPA;9: U1-L1；10: MP-SN;11: U1-X;12: U1-Y;13: U6-Y;14: L1-Y;15: L6-Y;16: Co-Gn

采用Dolphin二維測量軟件對兩組轉化生成的側位片測量分析。由一位正畸專科醫生完成所有病例的測量，每個數據均測量兩次，間隔一周。分別計算治療前、后各測量指標的差值，錄入Excel表格。

1.3 統計學分析

應用SPSS 13.0軟件包對數據進行統計學分析，采用配對t檢驗比較實驗組和對照組在療效評估時產生的差異，P<0.05為差異具有顯著性。

2 結 果

體素重疊后，顱底各結構擬合度良好，變化主要集中在上下前牙區，盡管獲取組合式側位片程序相對復雜，但實驗組標記點較易識別。在常用角度測量指標的比較中，SNA、U1-NA具有統計學差異(P<0.05)。線距測量指標中，與Y軸相關的4項測量指標(U1-Y、U6-Y、L1-Y、L6-Y)存在統計學差異(P<0.05)(見表1)。

表1 兩組治療前、后差值配對t檢驗結果

3 討 論

3.1 分層重建形成組合式側位片的必要性

采用傳統側位片進行頭影測量分析時，其內在的系統誤差和定點誤差影響測量結果的準確性。頭顱CBCT平行投照轉換生成的側位片可1∶1呈現組織結構影像[10]，減小系統誤差，但無法克服結構重疊導致的定點誤差。

為避免雙側結構重疊導致的定點干擾，本研究均選取右側結構影像。為增強低密度結構(如前鼻棘點)的識別度，可采用成像軟件的渲染功能，但在增強低密度標記點清晰度的同時會導致高密度結構的過度曝光，即渲染工具無法同時滿足所有解剖結構的需求。為避免不同密度影像結構在渲染時的相互干擾，實驗組采用分層成像，即渲染工具可對局部結構單獨調整灰度值以增強成像結果。為準確重組各斷層影像，實驗組頭顱再定位后納入Dolphin軟件自帶刻度尺輔助建立坐標系。后期圖像疊加處理時，只需將刻度尺坐標重疊、裁剪保留目標結構影像，即可獲得所需的組合式側位片(圖3～4)。研究結果顯示與A點相關的檢測指標均存在明顯差異，實驗組標準差較小，證實高清晰度影像可明顯提高定點的可重復性和測量準確性。

3.2 體素重疊可提高縱向研究的準確性

三維重疊可同時在冠狀面、矢狀面和橫斷面觀察影像結果的擬合度，利于最大程度校正不同階段頭位之間的差異。目前三維影像結構重疊方法包括標記點重疊、表面重疊和體素重疊[11-12]。體素重疊是通過計算機自動計算目標結構中像素點的位置差異而進行的重疊，無人為因素的干預，故其準確性較高[13-14]。

本研究實驗組在二維影像轉換前，對治療前、后CBCT影像前顱底進行體素重疊，相較于對照組，該方法有以下優點：①降低了頭顱再定位時的定點要求，即使所確定的正中矢狀面與實際矢狀面之間存在一定的的偏差，對療效評估影響不大，因該偏差對治療前、后影像的影響是一致的；②降低了對基準參考平面的定點要求。縱向定量研究主要是分析各測量指標在治療前、后發生的變化，即計算各指標的差值。本研究在側位片重建過程中，將刻度尺與參考平面SN平面相吻合，即治療前、后所有與SN平面相關的測量指標有完全一致的基準平面。當不同測量者所確定的SN平面之間存在一定偏差，相關測量指標的絕對值可能會有所不同，但對差值計算的影響較小。對于其他參考平面(腭平面、下頜平面等)相關指標的差值計算[15-16]，先進行相關結構(硬腭、下頜基骨等)的體素重疊，利于提高分析的準確性。

本研究顯示U1-Y、U6-Y、L1-Y、L6-Y進行組間比較時表現出明顯差異，可能的原因包括對照組在頭顱再定位時產生的誤差以及參考平面定點時產生的誤差。本研究中垂直參考平面(Y 軸)源于水平參考平面(X 軸)的垂線，當X 軸在定點描跡時發生少量偏差，Y 軸遠離S點一端會產生明顯偏差，該偏差直接影響與Y 軸相關測量指標的差值計算。相較于對照組，實驗組內該系統誤差較小，測量分析的準確性較高。

雖然CBCT影像資料體素重疊可輔助克服系統誤差[17-18]以及確定基準平面時的定點誤差，但對于部分標記點尤其是曲面上沒有明確邊界的標記點(如下頜角點)，定點誤差不可避免[19]。隨著計算機輔助定點的深入研究，利用特定的計算機算法進行定點可進一步降低人工定點產生的誤差，增加測量的準確性,更好地服務于臨床[20-22]。