三维测量技术在颅颌面结构和手术中的应用

谷 天，陈 嵩

(口腔疾病研究国家重点实验室华西口腔医院，四川 成都 610041)

颅颌面部是复杂的几何体，准确了解其结构有助于制定更有效的诊疗计划。以往学者们主要利用头颅侧位X线片对颅颌面结构进行二维的测量研究[1-8]，但二维测量技术存在放大失真、解剖结构重叠等问题[9]，因此并不能准确表示颅颌面部结构，学者们也无法准确地利用二维测量技术进行相关研究。近年来，三维成像技术不断发展，计算机辅助三维测量技术凭借其空间高准确性，已在颅颌面部的研究中获得越来越广泛的应用。本文就三维测量技术在颅颌面结构和颅颌面手术中的应用进行综述。

1 三维测量技术的优势

近年，针对颅颌面部的三维成像技术已经有了较大的发展，如三维CT技术、锥束CT技术、三维激光扫描技术、近景立体摄影技术、结构光技术、核磁共振系统等。三维CT技术可以获取清晰逼真的立体图像，可以任意角度旋转、切割，直观地显示颅颌面各个部位以及周围解剖结构间的位置关系[10]；锥束CT技术扫描范围灵活、图像精确、成像迅速、伪影少，线性及角度测量误差也分别在1 mm及1°以内[11-12]；三维激光扫描技术耗时短、抗干扰能力强、立体重构快捷，利用该技术扫描后数字化的仿牙模具模型测量后发现与实物测量的金标准间差异很小，准确性可达(0.001 2±0.05)mm[13]；近景立体摄影技术非介入、速度快、无辐射，因此可重复拍摄，可用于和面部软组织重建及测量[14]；结构光技术利用三角测量原理捕获三维信息，Ma等[15]用该技术重复扫描已做标记的石膏模型并对扫描后数字化的模型进行测量，发现其精确度为0.93 mm，准确度为0.79 mm，可靠性为0.2 mm；核磁共振系统对软组织细微特征有超强分辨力，尤其适用于头颈部影像收集[16]。

综上，与二维测量技术相比，建立在三维成像技术上的三维测量技术最大的优势在其较高的准确性。不少学者也对三维测量技术的准确性进行了研究。2004年，Adams等[17]对3D-CT在颅骨测量上的准确性进行了比较，他们以来自精密卡钳建立的物理测量作为金标准，将在CT上测得的数据与在传统X线片上的进行比较，发现传统二维测量方法的误差范围为(-17.68～+15.52) mm，而在3D-CT上测量结果的误差范围是(-3.99～+2.96) mm，准确度提高了4～5倍(图1)，Cavalcanti等[18]对此也得出了相似结论。2008年Khambay等[19]对Di3D的准确性与可重复性进行实验，结果显示Di3D重复性获取标志点的范围是0.11～0.14 mm，在临床接受的0.2 mm的范围内，这说明Di3D在获取面部信息的精确性有了很大的改进。2012年Nur等[20]对就同一对象的颅颌面部拍摄的传统X线正位片与CBCT正位片上的相同21项包括线距、角度、比率等指标的测量结果进行比较，发现线性测量上2D与3D的准确性有显著的统计学差异，但在角度与比率测量上二者无明显差异。

2 影响三维测量技术准确性的因素

2.1 面部不自主运动

2012年，Lubbers等[21]采用3dMDface系统研究面部不自主运动对测量结果的影响。两位研究者以自己为研究对象，在给面部做好61个标志点后保持头部处于自然状态，使FH线与地面平行，利用3dMDface系统给自己面部拍摄20次影像，每两次间的拍摄间隔为10 min，用于放松面部肌肉。前期研究显示该系统的平均技术性误差为0.09 mm。进行数据采集和分析处理后得到的误差为0.41 mm，因此面部不自主运动引起的误差为0.32 mm，远超过技术性误差，这说明面部的不自主运动对使用3dMDface系统进行头影测量有影响，在进行后续研究的时候需要排除这一项干扰。

2.2 测量者经验

Gwilliam等[22]让30个医师在已扫描的6个3D面部影像上对24个给出的标志点进行标记，并计算30个医师之间标记结果的差异。结果显示不同医师对所使用的系统的熟悉程度对结果有较大影响，而他们的经验也提示了测量结果的不同。标记点的可重复性与测量者的经验没有直接的联系，但越有经验的医师对标志点的标记结果彼此间越接近。

2.3 面部标志点的提前标记

Aynechi等[23]利用三维成像技术获取受试者面部影像，并对影像进行颜貌分析。他们就获取图像前是否标记标志点对测量准确性有无影响进行了研究。他们选取了19个标志点，进行了18项线距的测量，并将提前标记与未提前标记的测量数据与作为金标准的卡钳测得的数据进行比较。结果显示两种测量方法与金标准都十分接近，但提前标记组有7个测量项，未提前标记组有6个测量项，P值均小于0.01。但Aynechi同时指出，虽然P<0.01，但测量结果差异幅度<2 mm，在临床上可认为此差异没有意义。

3 三维测量技术在颅颌面结构研究中的应用

3.1 正常人群颅颌面部结构的研究

对正常颅颌面部结构的正确认识有助于对各类颅颌面部畸形有进一步的理解。2007年Baik等[24]运用激光扫描技术对60名正常牙合成人进行面部扫描，利用Rapidform 2004 program对面部影像重建后建立软组织的三维图像参考平面及三维坐标系，在三维图像上确定29个标志点，以此进行了39个线性指标、8个角度、29个线距比的测量，测量结果可能作为一个3D的评价面部图像的标准。2012年Ghobril等[25]对60名Ⅰ类牙合人群面部进行扫描，建立三维坐标系，选择不同的腔洞进行体积计算。计算所得各腔洞体积比大概为上颌窦：男性20.9%，女性19.1%；眼眶腔：男性13.4%，女性14.7%；鼻腔筛窦：男性29.7%，女性30.2%；口腔：男性36%，女性36%。

3.2 颅颌面畸形人群的研究

过去学者们曾利用二维测量技术对颅颌面畸形人群进行研究[2，6]，但他们的测量结果都仅展示了侧位片所见的平面上的线距、角度、比率等。2003年Takashima等[26]对10名青春期前的颅面短小症患的面部照片、牙模、X线片、螺旋CT和三维重建后的图像进行研究，用以验证提出的4种关于颅面短小症患者咀嚼肌形状及体积的特点的假设。他们对咬肌、翼外肌、翼内肌及颞肌的体积、肌肉总周长和相应横截面面积的比值进行测量计算，并观察耳、下颌、牙的畸形对咀嚼肌是否有影响。结果显示4块咀嚼肌在患侧的体积明显小于健侧，并且其患侧肌肉形状与健侧相对比更不规则，耳、下颌、牙的畸形也不能判断患者颅面短小症的严重程度。Yanez等[27]在2011年对20个面部不对称病人的头骨进行3D-CT扫描并重建，与面部对称人群进行比较后发现下颌角点是最不对称的一个点，因此在制定治疗方案时应当有所考虑。

3.3 颅颌面部发育的分析评估

三维测量技术在软组织的研究方面较二维测量技术有巨大优势，因此很多学者将其用于软组织相关研究。2013年Brons等[28]尝试建立一个儿童面部软组织分析的三维参考系用于分析评估伴或不伴口面部裂的婴儿及儿童的面部软组织的生长情况。他们选取了39名婴儿及儿童作为研究对象，让两名实验人员对获取的研究对象的三维面部影像软组织标志点及参考系进行定位，对他们的标记结果进行叠加后计算Pearson相关系数，以证明标记点的可靠及可重复性。实验证明利用建立的这个参考系可以对不同年龄拍摄的同一对象的面部软组织三维影像进行叠加，以直观观察其面部软组织的生长情况。

4 三维测量技术在颅颌面手术中的应用

4.1 评估手术效果

不同于二维测量技术对手术前后硬组织的改变或仅是侧貌的软组织边缘的标志点进行研究[5]，三维测量技术更多的是对软组织的改变进行研究。2009年Jung等[29]利用3D-CT对下颌前突及面部不对称患者下颌后退术后软、硬组织的改变进行了研究。患者根据下颌偏移程度分为两组，均拍摄术前1个月及术后6个月的影像，然后根据眼眶位置(手术对其位置无影响)对两次拍得的影像进行叠加，再对已定义的标志点进行线距及角度的测量，组间、组内比较显示水平向及前后向的改变较大，并发现硬组织并没有显著的移动，软组织的显著移动多因口轮匝肌及软组织的张力而发生。2010年Baik等[30]利用三维激光扫描技术对进行了正颌手术的安氏Ⅲ类错颌畸形患者的手术效果进行评估。Baik采用了与Jung类似的方法，将术前术后的影像进行叠加以直观看到下颌术前术后的改变。2012年Shimomatsu等[31]利用色彩的不同直观地显示出正颌手术前后下颌畸形患者面部中下份软组织突出面积的改变。

4.2 辅助颅颌面部诊疗计划的制定

2005年Akira等[32]提出了CBCT可以用于帮助诊断及制定治疗计划。CT在医学诊断及成像方面已取得了巨大进展，但因为成本高、空间要求大、高辐射量等因素在口腔的临床工作中并没有得到广泛应用。随着Limited cone-beam dental CT(3DX)的发明，CT也能在口腔临床工作中得到应用。Akira研究了3个案例来证明3DX在制定诊疗计划方面的实用性：①左上第2前磨牙的延迟萌出；②上颌第2双尖牙的严重嵌塞；③颞下颌关节紊乱。研究表明3DX能够提供比常规X线图像更多、更准确的信息，在制定诊疗计划上也能更全面、准确。2012年Centenero 等[33]对16名需进行正颌手术治疗的骨性错颌畸形患者的颅颌面部三维影像进行拍摄，随后利用CAD/CAM技术在Simplant OMS 10.1这个软件中按照设定模拟手术流程，对软、硬组织的改变进行预测，并对不同外科夹板(surgical splints)进行模拟，帮助医师决定该如何制作外科夹板使手术效果最理想。随后他们对这16名对象术后3个月的颅颌面三维影像进行拍摄，并对两次获得的图像上的线距、角度等17项指标进行测量、分析，最后得出利用Simplant OMS软件进行手术计划、模拟并决定外科夹板的制作是可靠的。

5 展望

三维测量技术凭借其高准确性，近年来已得到广泛的应用。目前学者们利用三维成像技术已完成了许多仅利用二维成像技术无法完成的工作，但仍需开展更多的研究，进一步分析三维测量技术所获得的除线距、角度外更多的颅颌面相关测量结果，如体积、曲率、突度等，从而建立并完善不同人群颅颌面结构的平均值，对软、硬组织三维影像进行匹配研究。随着三维成像技术的发展、计算机辅助软件的进一步开发，三维测量技术必将有更广阔的应用前景。

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