Galileo锥形束CT影像线性测量放大率的研究

徐 戈，施生根，，闫 澍，吴宝江

(北京100101:1.安徽医科大学解放军第306临床学院;2.解放军第306医院)

数字化技术常用于颅颌面的精确测量，其中包括骨密度、骨缺损量以及将传统的线性二维测量转变为三维测量［1］;借助锥形束CT影像数据可以进行三维有限元建模以用于口腔生物力学分析。目前，三维数字化模型数据的采集方法主要分为2类:容积成像技术(CT、CBCT)和表面获取技术(激光扫描)［2］，两种技术相结合可以更加准确的将口腔软硬组织信息转化成数字化信息［3］，其中通过CT、CBCT技术采集的影像数据是建立牙颌硬组织数字化模型的基础上，若数据不准确，其计算结果、结论的可靠性将大打折扣。Baumgaertel等［4］用 CBCT对覆牙合、覆盖、上下颌尖牙及磨牙间宽度、牙弓长度等进行测量时发现，CBCT测量值比用游标卡尺在头骨上的实际测量值偏小;而马竟等［5］报道，上颌后牙区种植体的CBCT影像测量值显著大于实际长度，放大率达到8.71%。CBCT的影像测量值与实际值的差异究竟如何，尚需进一步的实验研究。本文通过含72条10.0 mm长阻射线的实验模具，观察了基于Galileo锥形束CT影像的阻射线测量值与实际值之间的差异，并建立了校正CBCT影像线性放大的回归方程。

1 材料和方法

1.1 实验模具

实验模具如图1所示，观测平面含72条10.0 mm长的阻射线。模具制作方法:选择边长120 mm的正方形有机玻板1块(厚20 mm)，用数控机床在其表面制备凹槽(槽长10.0 mm，深0.3 mm)，并在每条凹槽内充填氧化锌水门汀使之形成阻射线。当观测平面中心与CBCT扫描视野(FOV)中心重合时，与扫描视野冠状面平行的线为X轴向线，与矢状面平行的线为Y轴向线，与水平面垂直的线为Z轴向线。观测平面内两个轴交叉形成4个象限，每个象限内的X、Y或Z轴向线各9条(对称交叉设计)。线段止点(简称E)至矢状面、冠状面、水平面的距离设3档:10 mm、30 mm、50 mm。阻射线按线段所在象限、线段止点、与X、Y、Z轴的平行关系命名，如LA象限内与E6相连的X轴向线称作E6X，Y轴向线称作E6Y。

1.2 主要仪器

Galileo锥形束CT(简称CBCT)及其配套的图像三维重建处理软件Galaxis3D(Sirona，德国)。

1.3 方法

1.3.1 CBCT扫描

模具置于非金属托架上，并使含阻射线的观测平面与CBCT的FOV中心水平面重合(通过水平测量仪校准)，两平面中心重合后，定义该观测平面为H平面进行扫描;将模具竖立，并使观测平面与CBCT的FOV中心水平面垂直，且观测平面与冠状面平行，两平面中心重合后，定义该观测平面为C平面进行扫描。扫描条件:管电压78 kV，管电流35 mAs，曝光时间为14 s，FOV 为15 cm×15 cm，体素大小为300 μm，层厚为0.3 mm。

以H平面为基准，以20 mm为单位降、升扫描视野进行扫描，分别获得高于和低于H平面20、40 mm的扫描数据，其平面分别定义为 U20、U40、D20、D40，得X、Y轴向阻射线影像;同理以C平面为基准，以20 mm为单位前、后向移动模具进行扫描，分别获得C平面前、后各20、40 mm的扫描数据，其平面分别定义为A20、A40、P20、P40，得Z轴向阻射线影像。定义H平面、C 平面为中心平面，U20、D20、A20、P20平面为20平面，U40、D40、A40、P40 为40 平面。

1.3.2 阻射线CBCT测量值的获取

将所有图像数据传至图像工作站，并使用Galaxis3D软件进行多平面重建，得到各阻射线分别在中心平面、20平面、40平面上的影像后，由操作者进行长度测量。具体测量方法:通过调整轴位、矢状位、冠状位影像的位置，使影像断层与阻射线重合后，用Galaxis3D的距离测量工具测量线段起止点的距离作为其CBCT测量值，所有测量工作均由同一名操作者完成，间隔1周后重复测量1次，共6次。

1.3.3 放大率(简称M)的计算

上述测量结束后，分别计算X、Y、Z各轴向线的M，其中X轴向线放大率记为Mx，Y轴向线放大率记为My，Z轴向线放大率记为Mz。具体计算公式如下。

1.3.4 阻射线中心的确立及其偏离FOV中心距离的计算

X、Y、Z轴向阻射线的中点记为阻射线中心，阻射线中心至FOV中心的距离(以下简称R值)通过三角函数关系计算获得。

1.4 统计学分析

使用SPSS 16.0软件进行统计分析。采用两因素方差分析比较CBCT影像上呈对称分布的阻射线放大率之间以及同一阻射线影像6次测量值放大率之间的差异;采用析因设计资料的方差分析比较偏离水平面、正中矢状面、冠状面不同距离对阻射线影像放大率的影响;采用单因素方差分析比较同一R值处X、Y、Z不同轴向线放大率之间以及同一轴向不同R值的阻射线放大率之间的差异，两两比较采用SNK-q检验;对放大率与R值作相关性分析，检验水准α=0.05。

2 结果

2.1 阻射线的影像放大率

X轴向线的最大放大率为3.4%，R值为78.3 mm;最小放大率为-0.4%，R值为11.2 mm。Y轴向线的最大放大率为3.3%，R值为78.3 mm;最小放大率为-0.6%，R值为11.2 mm。Z轴向线的最大放大率为3.3%，R值为78.3 mm;最小放大率为-0.4%，R值为11.2 mm。X、Y、Z轴向线的平均放大率分别为1.2%、1.1%、1.1%。

2.2 对称性分布阻射线的影像放大率

同一阻射线影像6次测量的放大率差异不显著(P ＞0.05)，U40与 D40、U20与 D20、A40与P40、A20与P20平面间呈对称性分布的阻射线影像放大率差异不显著(P＞0.05)，同一平面4个象限内呈对称性分布的阻射线影像放大率差异不显著(P＞0.05)，予以合并分析。

2.3 偏离水平面、正中矢状面、冠状面不同距离的阻射线影像放大率

同名阻射线的影像放大率在平面间的比较:40平面＞20平面＞中心平面，两两相比差异均有统计学意义(P＜0.05);在线段止点间的比较:远离平面中心点的阻射线影像放大率显著大于接近平面中心点(P＜0.05)(图2)。

图2 不同线段止点阻射线的影像放大率

2.4 不同R值阻射线的影像放大率

X、Y、Z 3个轴向线的放大率均随着R值的变化而变化:当R≤30.4 mm时，放大率几乎为0，甚至为负值;当R值＞30.4 mm时，放大率为正值，且随着R值的增大而增大。单因素方差分析显示:同一轴向不同R值的阻射线放大率之间的差异显著(P＜0.05);组间两两相比，除R值为11.2、22.9、26.9、30.4(mm)组间的阻射线放大率差异不显著(P＞0.05)外，其他R值组间的放大率均有显著性差异(P＜0.05)，R值越大放大率越大(表1)。阻射线影像放大率与R值呈显著正相关(rx=0.996，P＜0.05;ry=0.998，P＜0.05;rz=0.997，P＜0.05)，阻射线影像放大率与R值的关系为:Mx=0.0007R2-0.0177R+0.0343，My=0.0008R2-0.0225R+0.0499，Mz=0.0008R2-0.0238R+0.0689(图3);同一R值不同轴向阻射线放大率之间，X轴向的放大率均明显大于Y轴向、Z轴向的放大率(P＜0.05)，而Y轴向与Z轴向的放大率较为接近(P＞0.05)(表1)。

表1 不同轴向阻射线在不同R值处的影像放大率比较(%s)

表1 不同轴向阻射线在不同R值处的影像放大率比较(%s)

F1为同一R值X、Y、Z不同轴向线放大率方差分析统计量，*P＜0.05F2为同一轴向不同R值的阻射线放大率方差分析统计量，*P＜0.05

R值(mm)n X轴向 Y轴向 Z轴向 F1 78.3 48 3.15±0.174 3.00±0.173 3.01±0.166 1.265 70.2 48 2.27±0.124 2.21±0.133 2.21±0.129 4.444*68.7 48 2.17±0.142 2.11±0.130 2.13±0.125 2.197 67.3 72 2.02±0.126 1.98±0.119 1.98±0.140 2.437 64.2 48 1.81±0.142 1.71±0.157 1.79±0.124 6.409*61.0 48 1.61±0.133 1.57±0.134 1.54±0.116 3.682*59.4 48 1.48±0.118 1.44±0.142 1.44±0.116 1.585 57.7 48 1.48±0.133 1.39±0.136 1.39±0.137 7.012*55.9 72 1.37±0.128 1.24±0.169 1.23±0.179 15.383*54.1 72 1.19±0.156 1.04±0.158 1.06±0.138 20.971*50.3 120 0.99±0.127 0.89±0.165 0.87±0.142 20.496*48.2 48 0.80±0.124 0.77±0.127 0.73±0.108 3.257*46.1 24 0.81±0.083 0.65±0.147 0.64±0.131 13.936*43.9 48 0.65±0.134 0.56±0.087 0.56±0.092 12.749*41.5 48 0.48±0.128 0.54±0.136 0.50±0.146 2.734 39.1 24 0.44±0.088 0.30±0.067 0.29±0.065 34.781*36.1 48 0.27±0.114 0.18±0.190 0.24±0.147 3.891*33.5 48 0.04±0.170 0.08±0.217 0.08±0.184 0.651 30.4 24 0.03±0.171 0.00±0.160 0.01±0.138 0.355 26.9 24 -0.02±0.157 -0.02±0.179 -0.07±0.201 0.475 22.9 48 -0.02±0.169 -0.03±0.149 -0.03±0.195 0.049 11.2 24 -0.05±0.202 -0.04±0.210 -0.05±0.213 0.042 F2 1080 1718* 1427* 1576*

图3 阻射线影像放大率与阻射线偏离FOV中心距离的关系

3 讨论

近年来，计算机技术的飞速发展带动了口腔医疗设备的全面更新换代和医疗技术的巨大变革，数字化口腔医疗设备也随之逐步普及。锥形束CT机的问世预示着口腔医学已进入三维数字化时代，计算机辅助设计和制造将逐渐取代传统手工方法;目前，CAD/CAM技术、数字化印模、3D打印、快速成型等已越来越多的应用于口腔医疗领域，特别是CBCT所得图像数据及CAD软件与快速成型技术相结合将逐步成为研究的趋势及热点。

CBCT影像数据是建立牙颌组织数字化模型的基础，其数据的准确性关系到研究结果的准确和临床疗效的优劣。虽然CBCT影像数据在颌面部的一般诊断分析中已足够精确，但是当其作为一种精准的临床和科学研究工具时，则需要更为准确的结果。有研究表明，CBCT技术属于容积成像技术，存在容积效应误差:当物体处于两个切面断层面的交界区时，则会在2个断层面上同时显示该物体的图像，从而导致物体在CBCT图像上变大［6］。Sun等［7］对CBCT不同像素影像上测量的11个猪上颌牙槽骨不同高度和厚度的精确性进行分析时发现，用0.4 mm像素图像测量的牙槽骨高度和厚度均比实际值大。Periago等［8］使用CBCT和Dolphin3D软件对23具干燥头颅标本进行测量，并作线性投影测量分析，发现大多数测量结果均与实际测量值存在统计学差异，其中60%测量值的差异＞1 mm，10% ＜2 mm。

本研究采用Galileo锥形束CT获取自制模具影像，并对其中的线距进行了测量，结果显示:X、Y、Z轴向线影像放大率的最大值分别为3.4%、3.3%、3.3%，最小值分别为 -0.4%、-0.6%、-0.4%，平均值分别为1.2%、1.1% 、1.1%。表明X、Y、Z 3个轴向的阻射线影像均存在放大现象，且X轴向的放大率明显大于Y、Z轴向的放大率，而Y轴向与Z轴向的放大率较为接近。本结果与马竟［5］所报道上颌后牙区种植体CBCT影像放大率可达8.71%不尽相同，可能与以下因素有关:①扫描参数不同，因为图像的精确性与扫描层厚明显相关，层厚越大，梯状伪影越明显，数据误差也就越大，本研究采用Galileo锥形束CT，扫描层厚为0.30 mm，明显低于后者的0.50 mm;②上颌牙槽突的倾斜角度对数据测量的影响;③实物本身外形的影响，本研究中 72条长 10.0 mm、深0.3 mm的凹槽由数控机床加工而成，所形成的阻射线均为规整线段，且起止点均有统一标准，而种植体外形则不规整，实物测量时可能出现误差。

本研究结果还显示，U40与D40、U20与D20、A40与P40、A20与P20平面内呈对称性分布的阻射线影像放大率的差异均不显著(P＞0.05)，同一平面4个象限内呈对称性分布的阻射线影像放大率差异也不显著(P＞0.05);表明在CBCT扫描视野内对称性空间部位的影像放大率差异不显著。同名阻射线的影像放大率平面间比较:40平面(U40、D40、A40、P40)＞ 20 平面(U20、D20、A20、P20)＞中心平面(H、C)，两两间差异均有统计学意义(P＜0.05);线段止点间比较:远离平面中心点的阻射线影像放大率显著大于接近平面中心点者(P＜0.05)。该结果表明，偏离水平面、正中矢状面、冠状面不同距离对阻射线放大率的影响较为显著，同时也说明CBCT扫描视野中央区域放大率较小，外侧区域放大率则较大。这一特点可能和FDK算法有关，FDK算法仅在中心平面是精确重建，而偏离中心平面时则是近似重建;另外由于锥形束CT的X线管的焦点为面光源，呈锥形放射，根据光学的几何投照原理，当光线垂直照射物体时，其影像放大误差主要受光源与被测物体之间距离的影响，距离越近，放大越明显［9］。

本研究中的影像放大率与阻射线的R值呈显著正相关，当R≤30.4 mm时，放大率几乎为0甚至为负值，且 R 值为 11.2、22.9、26.9、30.4 mm，各组的阻射线放大率两两相比，差异均不显著(P＞0.05);当R＞30.4 mm时，放大率为正值，且组间阻射线的放大率差异显著(P＜0.05)，R值越大放大率越大。这也证明了在CBCT扫描视野中可能存在区域划分，中央区域放大率较小，外侧区域放大率较大。依据影像放大率与阻射线R值的关系，还获得了以R值估计影像线性放大率M的方程，借助于该方程可反推出实际值的大小:实际值=CBCT测量值/(1+M)，从而为三维有限元建模、生物力学分析、CAD/CAM技术、3D打印以及临床设计提供更加真实的解剖学数据。

综上所述，锥形束CT影像较实体有放大，其放大率与被测物体偏离FOV中心的距离显著正相关，但利用方程和R值所估算的被测物影像实际值逼近真实值的程度如何，尚待进一步研究。

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