基于CBCT影像的新圖像配準技術在顳下頜關節疾病診療中的運用

張偉華 馮斌 汪郡 王香萍 戴金晨 項明娣 胡萬龍

【摘 要】目的 基于CBCT影像的新圖像配準技術在顳下頜關節疾病診療的流程，并對其可靠性進行評價。方法 選取2022年1月-2023年1月于本院行正頜手術治療的34例患者為研究對象，采集患者術前術后錐形束CT（CBCT）圖像，在開源軟件（3D Slicer）中，運用基于體素的圖像配準技術，測量髁突的位置和形態學變化，并采用同類相關系數（ICC）對該方法的穩定性進行評估。結果 髁突軸向旋轉的ICC為0.976，軸向平移的ICC為0.984，表面變化測量的ICC為0.947。結論 基于CBCT圖像新配準技術在測量髁突旋轉、位移和形態變化方面具有很大的穩定性，為顳下頜關節疾病的診療提供了可靠的評估。

【關鍵詞】CBCT；顳下頜關節；髁突

中圖分類號：R783.5 文獻標識碼：A 文章編號：1004-4949（2023）11-0153-04

基金項目：2021年浙江省教育廳項目（編號：Y202147266）

Application of New Image Registration Technology Based on CBCT images in the Diagnosis and Treatment of Temporomandibular Joint Diseases

ZHANG Wei-hua， FENG Bin， WANG Jun， WANG Xiang-ping， DAI Jin-chen， XIANG Ming-di， HU Wan-long

（Department of Imaging， the Stomatology Hospital， Zhejiang University School of Medicine/ School of Stomatology， Zhejiang University/Clinical Research Center of Oral Diseases of Zhejiang Province/Key Laboratory of Oral Biomedical Research of Zhejiang Province/Zhejiang University Cancer Center， Hangzhou 310000， Zhejiang， China）

【Abstract】Objective To evaluate the reliability of a new image registration technique based on CBCT images in the diagnosis and treatment of temporomandibular joint diseases. Methods The preoperative and postoperative cone beam CT （CBCT） images of 34 patients who underwent orthognathic surgery in our hospital from January 2022 to January 2023 were selected. In the open source software （3D Slicer）， the voxel-based image registration technique was used to measure the position and morphological changes of the condyle， and the stability of the method was evaluated by the same type of correlation coefficient （ICC）. Results The ICC of axial rotation was 0.976， the ICC of axial translation was 0.984， and the ICC of surface change was 0.947. Conclusion The new registration technique based on CBCT images has great stability in measuring condylar rotation， displacement and morphological changes， which provides a reliable evaluation for the diagnosis and treatment of temporomandibular joint diseases.

【Key words】CBCT； Temporomandibular joint； Condylar process

顳下頜關節（temporomandibular joint）在頜骨活動、語言和情感表達中的作用十分重要[1]。顳下頜關節疾病患者行正頜手術前，對其髁突位置和形態變化形成進一步了解可為治療工作的順利進行提供必要幫助。另外，在臨床診斷、治療和隨訪期間，仍有必要對髁突做出及時且準確的評估。臨床中，錐形束計算機斷層掃描（CBCT）有效彌補了二維射線攝影的不足，且能夠實現三維圖像的重建，因此被廣泛用于骨形態和位置變化的評估中。對于CBCT圖像上髁突的位置變化，大多數研究是根據術前和術后CBCT圖像的冠狀面、軸面、矢狀面關節空間距離的變化來計算位移的[2-4]，研究者測量了關節在前、后、上、內側和外側區域的關節間隙的變化，以評估髁突相對于關節窩的位置變化。在形態變化研究方面，部分學者對髁突三維模型進行了分析[5，6]，并借助顏色距離圖對手術前后髁突之間的表面距離展開評估，亦可通過對髁突前后部高斯曲率變化的計算對形態學變化進行描述。此外，也有臨床研究中將兩髁突模型疊加[7]，并對髁突頭區域進行劃分，借助彩色編碼地圖測量方式將髁突表面附著和吸收情況顯示出來。隨著時間的推移，顳下頜關節的變化往往很微妙，因此，基于體素的配準有望更早地發現這些變化。為了全面評估髁突位置和形態的變化，將CBCT序列圖像通過基于地標、基于表面或基于體素的配準疊加在解剖穩定的結構上，如下頜支和顱底，推薦作為正頜患者體素基配準的感興趣區。然而基于CBCT圖像配準技術在顳下頜關節疾病診療中的流程及其可靠性尚未得到詳細闡述和全面的評價。因此，本研究提出了一種新的髁突治療前后的評估方法，即使用基于體素的新配準方法來測量下頜骨髁突的位置和形態變化，旨在評估該方法的可靠性。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選取2022年1月-2023年1月于浙江大學醫學院附屬口腔醫院行正頜手術治療的34例患者。納入標準：正頜手術前后髁突位置發生改變；髁突頭發生輕微或明顯骨性改變；無正畸治療史；無顳下頜關節外傷史；無風濕、類風濕及其他系統病史；知情同意并簽署知情同意書。排除標準：CBCT影像模糊者；顳下頜關節疾病嚴重者；顳下頜關節畸形者；合并其他可能影響到頜面部的全身系統性疾病者；有精神障礙類疾病，無法配合者。研究對象中男18例，女16例，年齡20～45歲，平均年齡（30.34±0.33）歲。采集患者治療前（T0）和治療后（T1）的CBCT圖像，T0和T1的間隔時間約為3個月。

1.2 CBCT掃描設備參數 掃描設備J.Morita 3D Accuitomo，模式STD，管電壓90 kV，管電流8 mA，層厚0.125 mm，視野6 cm×6 cm，旋轉360°，曝光時間17.5 s。

1.3 圖像配準 將T0和T1的CBCT圖像導入到醫學圖像的開源軟件中（3D Slicer，版本4.13.0）。為T0和T1的CBCT圖像構建了顱底和下頜支感興趣區域的兩個掩膜。步驟一：使用通用配準模塊，采用基于顱底感興趣區域（白色區域）的配準方法，將T0的CBCT圖像疊加到T1圖像上。在這個過程中，可以觀察到髁突的位置變化。步驟二：通過基于下頜支感興趣區域（白色區域）的配準，將T0圖像疊加到T1圖像上。在此過程中，將治療前的髁突移至治療后的髁突的位置，可以觀察到治療期間髁突的形態變化，見圖1。

1.4 圖像評價 用歐拉公式變換矩陣分解為X、Y、Z軸上的旋轉和平移，計算髁突平移和旋轉的偏差，以評估基于兩步體素的CBCT圖像新配準技術測量髁突位置變化的可靠性。通過基于下頜支的體素配準將T0圖像疊加到T1圖像上后，將髁突表面輪廓三維構建，以評估前后表面的形態學變化。表面距離以均方根（RMS）計算。使用3D Slicer擴展中的形態分析模塊，通過彩色編碼距離圖來可視化髁突的表面變化。

1.5 統計學方法 采用SPSS 25.0統計學軟件進行數據分析，描述性統計數據分別用平均值、標準差、最大值和最小值表示，采用組內相關系數（ICC）計算。

2 結果

2.1 下頜骨髁突位置變化的評價 錐形束CT影像下，繞X軸、Y軸、Z軸旋轉的ICC為0.976；沿X、Y、Z軸平移的ICC為0.984，見表1。

2.2 下頜骨髁突形態學改變的評價 錐形束CT影像下，髁突表面的均方根值的表面變化的ICC為0.947，見表2。

3 討論

顳下頜關節屬于人體解剖結構的重要組成，且關節功能相對復雜，骨性結構髁突與關節窩的形狀缺乏規則性且形態復雜多變，個體差異相對明顯。臨床診斷顳下頜關節疾病的過程中，既有影像檢查方法受投照技術制約難以明確髁突位于顳下頜關節窩內位置，因而很難與診治需求吻合。而錐形束CT是現階段新型口腔醫學影像檢查設備，輻射劑量少且具有較高分辨率，能夠在較短時間內獲取所掃描對象的所有容積數據，并對顳下頜關節任一斷面重建CT圖像，清晰度較高，因此應用價值顯著。選擇至于髁突的評估，感興趣區最好是一個保持穩定的結構，術后沒有重塑。直接選擇感興趣區可能會帶來錯誤，因為可能會發生重構或吸收，當匹配相同的解剖體素時，基于體素的配準可能會影響配準的可靠性[8]。部分研究者僅選擇顱底作為髁突評估的感興趣區域。然而，此方法的不足之處在于無法對髁突的位移和重塑進行準確區分。而選擇近端節段下頜骨結構，如冠狀突、乙狀切跡和下頜骨支作為感興趣區域難以將髁突的位置變化體現出來。因此，在本研究中，選擇基于體素的兩步三維配準，使用顱底和下頜支來評估位置和形態的變化。當基于顱底對術前和術后CBCT圖像進行體素配準時，顱底和關節窩的位置疊加良好，如果治療后髁突的位置改變，髁突的位置就不相同。因此，通過這種配準很容易觀察到位置的差異[9]。當基于下頜支對術前和術后CBCT圖像進行基于體素的配準時，下頜支和髁突頸的位置很好地疊加。在這種情況下，可以很容易地觀察到髁突頭的形態學變化[10]。

準確的測量和分析髁突的形態和位置的變化對臨床診斷、治療計劃和隨訪至關重要。為了全面評估位置和形態隨時間的變化，使用序列CBCT圖像進行疊加或配準。對于正頜手術等引起髁突的位置和形態變化，因此配準方法的可靠性是檢測這些變化的關鍵[11]。在本研究中，通過對開源軟件上工作流程的介紹，使用基于體素的兩步三維配準來測量下頜骨髁突的位置和形態變化。該方法具有較高的可重復性，可用于檢測治療過程中的髁突位置和形態學變化。本研究采用體素配準進行TMJ評估[12]。有一些配準技術用于匹配和疊加CBCT掃描。基于表面的配準技術在配準過程中容易出現誤差，原因在于它依賴于三維表面構造的精度，而這受到CBCT圖像不同分割過程的影響。對于基于體素的配準，首先選擇感興趣區域，然后將CBCT掃描前和CBCT掃描后情況下的感興趣區域疊加[13]。因此，一個感興趣區域被重新定向到基線掃描的感興趣區域，這導致了基于這個轉換的整個圖像數據集的重新定位[14]。然而，本研究還存在一定的局限性，納入的樣本旦較小，研究對象僅限于正頜手術治療的患者，因此進一步的研究與擴大樣本量是必要的。本研究所提出的基于體素的兩步三維配準方法所用時間較多，進一步的通過人工智能和數字化技術自動化該方法流程，將更有利于其臨床應用[15]。

綜上所述，基于CBCT影像的體素三維配準新方法為評估正頜手術前后下頜骨髁突位置和形態的變化提供了可靠的結果。這有利于早期發現和準確評估髁突的變化，提示正頜手術術后髁突并發癥，如髁突特發性吸收的發生，從而可以早期干預治療，提高治療效果。

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編輯 扶田