基于二维X线片三维颅面结构模型建立的研究

李江波，周　洪（.乌鲁木齐市口腔医院正畸科新疆乌鲁木齐830000；.西安交通大学口腔医院正畸科陕西西安70004）

·齿科美容·

基于二维X线片三维颅面结构模型建立的研究

李江波1，周洪2
（1.乌鲁木齐市口腔医院正畸科新疆乌鲁木齐830000；2.西安交通大学口腔医院正畸科陕西西安710004）

目的：以头颅X线正侧定位片和激光扫描获取的软组织图象为数据源，研发归一化的颅颌硬软组织三维模型。方法：①人脸贴定铅点：铅点共5个，分布在呈“十”字交叉状的两个方向上，即面中线方向和眶耳平面方向。②拍摄头颅X线正侧位片须保证头颅在水平姿势位下拍摄，嘱患者牙齿咬合接触。③三维硬组织结构模型的建立：以结构完整，表面清晰且符合亚洲人特点的头颅作为标准模型并确立三维坐标系，调整X线片使其与模版的坐标系相一致，在标准头颅模型上标定特征点54个，作为初始特征点，再在X线正侧位片上调整这些点的位置，作为目标特征点，要求二者所定义的位置相一致。依据一定形变算法，以X线片所确立的特征点对缩放后的标准头颅模型进行变形，得到患者颅颌硬组织模型。④激光扫描面部软组织：拍摄面部正中，左右45°，共3幅图象。⑤面部软组织重建：将扫描获得的三幅图象进行前期处理，合成患者完整的软组织三维模型。⑥软硬组织拟合：通过铅点坐标的配准，将面部软组织与骨组织拟合起来。结果：①构建了能够反映颅颌硬组织表面结构的三维模型；②实现了硬软组织的拟合。构建的三维图象生动、直观的显示了颅面部的结构，并且可以从任意角度观察其三维形态，为进一步进行正颌手术的模拟和形貌预测奠定了基础。结论：①与CT重建相比，该系统信息源获取简易，放射危害小，虽不及CT精确，但手术关键区域与患者较为吻合，具有一定的应用前景；②激光三维扫描是目前最先进的软组织获取方法，本研究实现了软硬组织的拟合，真实可靠。

二维X线；三维重建；形变

X线头颅定位片是正畸、正颌外科临床中应用最广的颅面部形态分析手段，它与模型分析、临床检查共同构成了患者的诊断分析资料。随着正颌外科的不断发展，传统的二维空间的研究方法已不能满足临床工作的需要。人们期待着对颜面结构形态进行三维的分析研究，从而为临床诊断分析、手术矫治设计、术后追踪观察以及手术效果评价提供更多的信息和客观依据。目前，颅颌面硬组织的重建方法主要有头颅X线立体摄影技术和CT影像三维重建技术。虽然CT建模具有精度高，准确度高等优点，但迫于其放射剂量高，费用昂贵等原因，限制了它的临床应用。本研究以二维的X线正侧位片对头颅标准模版进行形变，得到患者的颅颌硬组织模型，再与激光扫描获得的面部软组织模型实现拟合，三维重建患者的颅颌面硬软组织形态。

1　资料和方法

1.1原理

颅颌硬组织的三维重建是利用双平面X线立体摄影的工作原理［1］：利用相同条件且垂直交叉的X线对颅颌面的侧位和后前位投照暴光，以获取颅颌面的侧位和正位X线影像。颅颌面上任意骨性标志点P，沿X线方向分别在正位和侧位胶片平面上形成相应的投影点Pf和Pl，通过Pf和Pl二维平面坐标的分析，即可确定实际标志点P的三维空间坐标，即Pf和Pl反X线方向形成的交叉点的位置。通过这种方法可以确定颅颌面结构任意标志点在空间上的三维坐标。选择头颅X线正侧位片上能同时确立的且位于骨组织表面的特征点54个，建立其三维坐标，并作为目标特征点对头颅标准模板进行形变，从而得到反映患者特征的颅颌硬组织模型。

硬、软组织拟合的原理：人脸表面的铅点可以同时在X线片和激光扫描中显影。利用正侧位片可以确定铅点的三维坐标，由呈“十”字交叉的5个铅点坐标便可准确而稳固地确定人脸距骨组织的位置。最后，激光扫描的软组织模型通过铅点坐标的匹配实现与硬组织模型的拟合。

1.2硬件和软件系统

头颅定位摄片机：OrthophosPlusXG（Sirona）数字化曲面体层X光机；日本美能达公司产Minolta VIVID910三维扫描仪；主机：AMD Athlon II X2 245Processor 2.90 GHz，内存2G，硬盘500G，操作系统windows 7；软件系统：软件功能主要由Visual C++实现，图形平台为OpenGL。

面部标记物：呈1.5mm长，直径为1.5mm的小圆柱体。标记点的材料主要由金属铅构成。金属铅具有阻射线的性质，在X线片上可以清楚的看到。金属点固定在医用胶布上，拍片时贴在受试者的面部。

1.3方法

1.3.1面部贴定铅点：将直径1.5mm的粗保险丝切割成5小段，每段长1.5mm。将金属点用医用胶布贴在以下5个位置，即眉间点、鼻梁上点、鼻尖点、左侧眶外侧点，右侧眶外侧点（如图1）。嘱患者头部保持水平姿势，表情自然，双眼平视前方。贴铅点时，动作应轻柔，以不引起软组织受压变形为准，同时避免造成皮肤破损。拍摄X线正侧位片时，可事先打出水平激光束，该激光束基本上位于眶耳平面，借此对双侧眶外侧点和鼻梁上点进行调整。

图1　金属铅点位置标定

1.3.2头颅X线正侧位片的拍摄：为了最大程度的满足双平面X线立体摄影的条件，拍摄时患者的头部用头颅定位架严格定位，使眶耳平面与水平面平行。拍摄数字化正侧位片，转存至计算机中。在旋转视角的过程中，影像科医生帮助患者保持头部位置，尽量降低实验误差。

1.3.3头颅模版及三维坐标系的确定：网络下载一标准头颅表面模型，符合亚洲人的特点，颅颌结构完整，表面清晰且数据量很小，仅490kb。确立三维坐标系，X轴方向为水平向经过双侧骨性外耳道上缘的直线，Y轴方向为垂直向穿过颅顶且与头颅正面中线相吻合的一条直线，Z轴方向为矢状向且位于眶耳平面上穿过梨状孔的一条直线。三轴交点为O。在该坐标系下，头颅模版可以用鼠标以任意角度旋转，亦可直接以下定位：正位，左右侧位和顶位，以便于后期的观察定点。头颅模版的显示支持散点、三角片和填充三种模式，以适应不同情况的需要。

1.3.4 X线片的预处理：数字化X线正侧位片以TIF格式转存至计算机后，在主程序窗口下，其坐标系需先经过校准才能进行后期的操作。校准的标准与头颅模版坐标系完全一致，可以通过上下左右平移和旋转操作，使X轴与双侧骨性外耳道上缘相齐，Y轴与头颅正面中线相吻合，Z轴与眶耳线相一致。其中，在正位片只能调整X轴和Y轴的位置；在侧位片只能调整Y轴和Z轴的位置。校准完成后，保存设置。

1.3.5头颅模版特征点的选取与初始颅骨的生成：在头颅标准模版上进行定点，要求按照正侧位片所定义的特征点位置和顺序进行标定，具体分布见表1，如图2。标定完毕后，保存文件为标准特征点。由于模版头颅大小与患者真实头颅大小不一致，故需按照X线片所确立的头颅尺寸对模版进行缩放操作。具体步骤如下：先在模版头颅上标定四个点，即位于眶耳平面上的左侧耳点，右侧耳点，左侧眶下缘点，右侧眶下缘点，生成坐标文件A。再在X线正侧位片上以同样的顺序标定这4个点的位置，生成坐标文件B。在同一坐标系下，利用坐标文件A与B之间的匹配，实现头颅模版大小的缩放，生成初始颅骨。初始颅骨上的特征点保存为初始特征点。在缩放过程中，头颅为等比例变化，不发生扭曲变形，且标准特征点随头颅缩放亦发生改变，但其在颅骨上的位置不变，无需在初始颅骨上重新定点。

图2　特征点位置标定与顺序

1.4特征点的映射与调整

由于初始颅骨的坐标系与X线片坐标系是一致的，颅骨上的初始特征点可以直接映射到X线正侧位片上，但其位置是杂乱无章的，需按顺序一一调整每个点的坐标，从而生成具有患者特征的目标特征点。在影像重叠较为严重的部位定点时，如齿槽间隔上的点，软件提供有X线片亮度、对比度以及侧重于骨组织和软组织的反衬调节，便于临床医生更准确的定位。

表1　特征点定义与顺序

1.5形变

在形变窗口下，载入初始颅骨模型和初始特征点，再载入X线片所生成的目标特征点，利用后者依一定算法对初始颅骨进行形变，从而得到具有患者特征的颅颌硬组织三维模型，保存形变结果。

1.6面部激光扫描

去除面部铅点，在原位以黑色水笔点点代之。用激光三维扫描仪对患者进行扫描，分别获得正面、左侧面45°、右侧面45°三幅图像。扫描对象的眶耳平面应与地面平行，正中颌位。扫描仪选择fast方式，wide镜头，扫描对象与镜头的距离为1米左右。要求扫描对象在扫描期间保持静止，不能眨眼。扫描对象无需闭眼，只是不要直视激光发射窗即可，因此眼部信息不会丢失。对于过长的额发及鬓发用发夹固定，避免遮挡面部，影响图像质量。扫描完毕后将扫描获取的图像转存至计算机中。

1.7面部软组织的重建

1.7.1图像的前期处理：应用RapidForm2004软件进行处理。每幅图像的处理包括坏点去除、补洞、Remesh、消除abnormal faces等过程。坏点去除是指删除那些与所需人脸图像以外的多余部分以及去除一些边缘上的噪声点。Remesh使得图像的整体分辨率归一化，即三角面片的分布更加均匀。处理完的图像选择vrml格式保存。

1.7.2图像合成：经过前期处理的三幅图像经过人工的特征点匹配后，便可拼接合成整体的图像。首先分别将两个侧面图像与正面图像进行配准，也就是以正面图像为基准，将侧面图像转移至正面图像的坐标系中。然后对校准后的模型进行归为一个整体三维模型的处理（merge），并将此整体模型保存为vrml格式的数据，以备后续调用。配准时需要在三维视图里标定3～4个相对应的特征点，此过程中可通过Shift+鼠标及Ctrl+鼠标来调整视图的位置、角度及大小以利于特征点的选取。

1.8硬、软组织拟合

利用铅点坐标的匹配实现软组织与颅颌硬组织模型的拟合，具体步骤如下：①在Wrl视图窗口下，载入患者面部软组织三维模型，进行坐标系的调整，校准标准应与头颅模版坐标系完全一致，保存设置。②标定铅点坐标：在坐标系调整后的软组织模型上按以下顺序标定铅点位置，即眉间点，鼻梁上点，鼻尖点，左侧眶外侧点，右侧眶外侧点，生成坐标文件Fl。再在X线正侧位片上按同样的顺序标定铅点，生成坐标文件Xl。③在同一坐标系下，利用坐标文件Fl与Xl之间的匹配，实现面部软组织大小的缩放，同时将患者软组织模型与颅颌硬组织模型按真实的软组织厚度拟合起来。面部软组织的缩放过程为等比例变化，不发生扭曲变形。

图3　重建后颅颌硬组织三维展示

图4　硬软组织拟合展示

2　结果

2.1本研究以头颅X线正侧位片为数据源，通过对标准头颅模型的形变，实现了颅颌硬组织形态的三维重建。重建的三维图象生动、直观的显示了颅面部的结构，并且可以从任意角度观察颅颌硬组织的三维形态。通过本模型不仅可以观察畸形的特征和部位，同时也为进一步进行颅面部的三维测量和正颌手术的模拟及形貌预测奠定了基础。自行开发的三维重建软件性能稳定，用户界面友好，使用方便，（如图3）。

2.2本实验利用铅点坐标的匹配，实现了激光扫描获得的面部软组织模型与硬组织模型的拟合（如图4）。

3　讨论

3.1颅颌面部复杂的三维结构使得对其进行定性的描述和定量的测量都相当困难。自1931年Broabent首创头颅定位X线头影测量技术以来，这种孤立地以正位或侧位X线片进行测量分析的技术广泛应用于临床实践中，并得到了空前的发展。从单纯手工测量分析发展到计算机辅助分析，从人机交互方式的半自动分析发展到计算机自动分析［2］。但随着整形外科手术范围的扩大，尤其是对于各类三维方向上复杂的颅颌面发育、缺损畸形的矫治，传统的方法如照片、X线平片和X线定位头影等二维分析方法都不能满意的记录和评价其复杂的三维结构，准确地反映畸形的特征，因而不能有效地指导临床诊断和手术设计与模拟。许多学者尝试过用不同的技术方法来获取该区域的三维信息，如激光扫描［3］、近景立体摄影，结构光［4］等。这些方法需要特殊的仪器，只能获得软组织表面的三维信息，无法形象生动地同时再现颅面部骨组织的结构并进行手术模拟设计。

近十年，CT和医学三维图像可视化技术迅速发展，越来越多地应用到颅颌面形态结构的基础研究、颅面畸形的诊断分析与手术设计中。CT重建方法能同时建立面部软组织和骨组织，且精度高［5］。然而，高质量的三维重建依赖于超薄层的扫描，因此比普通CT检查接受的X线量多4～10倍；同时，由于电离辐射较大，无法建立正常人群的CT数据，也无法将畸形患者的资料与正常人进行比较；而且，重建的软件是加密的特殊软件，只能在工作站中运行，操作复杂，不利于资料的储存和交流。这些原因都限制了CT在口腔临床中的普及应用。

近些年兴起的CBCT和3D扫描技术，使颅面三维结构的获得更为便捷，辐射剂量大幅度降低，是目前颅面结构三维重建的主流方式［6］。但由于设备昂贵，大多数基层单位无力承担，迫切需要一种技术可行，精度可靠，同时耗费较低的方式，来进行颅面结构三维重建，进一步对正畸正颌联合治疗有所指导。

X线头颅定位拍片机是各大口腔医院中必备的仪器，每一位需联合正颌外科的正畸患者都需要常规拍摄头颅正侧位片，作为基础资料。本研究以头颅X线正侧位片为数据源，通过对标准头颅模型的形变，实现了颅颌硬组织结构的三维重建，该方法是符合临床实际的三维重建方法，是对传统的二维X线分析系统的新发展，使其具有更广阔的应用空间。它的应用将会改变传统的用二维X线测量来描述三维形态所带来的误差，能够更为全面地描述颅面部的形态结构；以往凭借医生主观经验结合预测图的描绘、模型外科的手术制定方法将会彻底改善；将会为患者及家属更好地理解正颌手术方案、预期疗效及并发症等问题创造条件；为颅面部生长发育规律的研究，解剖学、人类学和医学美学的研究提供全新的技术方法；为将来在虚拟现实环境中培训外科医生，甚至通过网络进行远程会诊奠定基础。

3.2优点和不足

3.2.1优点：①该系统利用双平面X线立体摄影的原理，获取了头颅正侧位片中54个特征点的三维坐标，借此对标准头颅模型进行形变，得到具有患者特征的颅颌硬组织三维模型。实验中除了面部贴定铅点的工作外，无需其他准备工作即可进行数据的常规采集。而且铅点数目少，仅5个，贴定位置明确，易于定位，不会过多占用椅位时间。该实验解决了传统二维X线重建方法中利用有限的解剖标志点难以生成完整三维模型的问题。相比CT重建方法，其优点在于方法简单、成本低，患者电离辐射的暴露量远较CT小［7］，可用于对正常人的研究，从而建立正常值数据库；重建所需要的硬件设备普及率高，使用方便；开发的软件系统操作简单，可以在一般配置的计算机中运行，有利于进行网上交流，提供远程会诊。②重建结果形象逼真：本系统构建了颅颌硬组织结构的三维模型，形象逼真地再现了颅颌面的解剖结构和毗邻结构之间的位置关系。该模型可以动态旋转，从多个角度进行观察，并对常用的线距，角度的进行测量，可满足基础研究或临床诊断分析的需要，从而为手术设计与形貌预测奠定了基础。较以往学者利用正侧位片，基于双目视觉原理构建的颅面部三维框线图更逼真，更易于接受。③定点工作量少：本系统需要分别在标准头颅模型和X线正侧位片中标定54个特征点，相比现有文献中正侧位片能同时确定的72个特征点，在保证重建结果一定准确性的前提下，经反复尝试已经做出一定程度的减少，主要去除了固有头颅的部分解剖特征点。因为该部位的重建结果对后续的正颌手术模拟与形貌预测的准确性几乎没有影响。其中，在正侧位片的定点过程中，可以利用系统提供的X片亮度，对比度调节等功能进行解剖结构的识别，以便于更准确地定位；标准头颅模型的定点工作不需要在应用于不同患者时重复进行，因为该点可以随标准头颅的缩放而变化，但解剖位置不变。④重建时间短，显示多样化：因本系统采用的标准头颅模型属于表面模型，数据量小，仅490kb，相比CT模型，对计算机的配置要求大为降低，硬组织形变过程20s之内即可完成。三维模型的显示模式有散点、三角片和填充三种，而且可以对图像施加光照或纹理图形学的算法来显示，生成具有真实感的图像并突出特定的信息。本系统还可将软组织和骨组织的图像叠加在一起显示，或者分开显示，并进行多角度的旋转观察。这种三维立体的显示方法特别适用于教学，相当于电子解剖，使面部的解剖关系更加直观，易于理解。

3.2.2不足：本实验是方法的初步探索，在建模过程中遵循将问题简单化的原则，因此还存在一些问题有待于深化和完善：①关于标准头颅模版上特征点的位置是否准确，即与正侧位片所描述的位置是否一致，目前还无法查证。在后续实验中，将会通过形变模型与CT模型在一些线距、角度测量结果的对比，间接说明二者在定点位置上的一致性。②形变特征点的选取是制约形变效果的主要因素。选取点越多，结果就越真实，但同时也增加了临床医生的工作量，可使用性降低；选取点越少，结果就越粗糙，使临床可应用性成为疑问。如何在二者之间找到一个平衡点，今后可以继续尝试着改进。此外，若能将标志点自动识别系统整合进来，无疑会使建模效率得到大幅度提升。③目前，形变后的颅颌硬组织模型虽然带有牙齿，但并不代表患者真实的咬合情况。因为要想通过形变技术来模拟患者真实的牙合情况，难度相当大，不仅需要每个牙齿足够多的信息点，而且在正侧位片上牙齿影像的重叠是相当严重的，很难标定。今后可以激光扫描牙合模型，再进行整合，最终形成具有患者牙合特征的颅颌硬组织模型。

［1］SheldonBaumrinal，MoffitF，CurryS，etal.ThreedimensionalX-raystereometryfrompairedcoplanar images:Aprogress report［J］.Am J Orthod，1983，84（4）:293.

［2］DJ.Rudolfh，Sindair.PM，Loggins.JM.Automaticcomputerized radiographic identifyication of cephalometric landmarks［J］.Am J Orthod Dentofacial Orthop，1998，113（2）:173-179.

［3］MossJP，LinneyAD，GrindrodSR.Three dimensionalvisualizationofthefaceandskullusing computerizedtomography and laser scanning techniques［J］. European Journal of Orthodontics，1987，31（5）:192-197.

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［5］孙应明，惠光艳，胡晓娟，等.计算机辅助正颌外科手术的预测和模拟系统-颅颌面硬组织的三维重建［J］.中国美容医学，2002，11（5）:473-475.

［6］杨志诚，沈军.锥形束CT在口腔颌面外科中的应用［J］.医学理论与实践，2012，25（5）:533-534.

［7］Ngan DC，Kharbanda OP，Geenty JP，et al.Comparison of radiationlevelsfromcomputedtomographyand conventional dental radiographs［J］.Aust Orthod J，2003，19（2）:67-75.

编辑/何志斌

Study on 3D model of the craniofacial structures by 2D X-ray method

LI Jiang-bo1，ZHOU Hong2
（1.Department of Orthodontics，Urumqi Stomatology Hospital，Urumqi 830000，Xinjiang，China；2.Department of Orthodontics，Affiliated Hospital for Stomatology of Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710004，Shaanxi，China）

ObjectiveIn this study，we used frontal and lateral cephalograms combining laser scanning of the the facial soft tissue as the sources of the information to develope the integrated 3D model of the craniofacial hard and soft tissues.Methods①Setting lead points on the face.Lead a total of five points，distributed in a"+"-like character in both directions，that is，the direction of the center line and Frankfort plane direction.②Shooting frontal and lateral cephalograms.It is necessary to ensure that the posture of the head is level and the teeth are in contact.③To establish the 3D model of the Cranialfacial hard tissue.Take the skull from Asians with integrity structures and clear surface as a standard model，then establish the 3D coordinate system.Adjust to the X-ray films and the coordinates of the line.In the standard model of the skull，set 54 feature points as the initial feature points.Then take a adjustment of the location of these points in the frontal and lateral cephalograms，as the target feature points，ensuring that both the positions defined are in correspondence.Based on a certain deformation algorithm，deform the standard skull model according to the feature points established in the X-ray films，then the model of craniofacial hard tissue in patient is achieved.④Laserscanning of facial soft tissue.A total of three screens are shot including the median facial image and the ones from about 45 degrees in the left and right.⑤Facial soft tissue reconstruction.The three screens by scanning are pretreated，then synthesize the complete 3D model of soft tissue.⑥Fitting of the soft and hard tissues.Fit the facial soft tissue and bone tissue models together according to the lead coordinates.Results①The 3D model that reflects the surface construction of the craniofacial hard tissue was constructed.②The fitting of the hard and soft tissues came ture.The 3D image of the model constructed showed a lively and visual screen of the craniofacial structures，and can be observed from any directions.It laid the foundation of the further orthognathic surgery simulation and morphology prediction.Conclusion①Compared with the CT reconstruction，the system easily access to the information sources，radiation hazards small，although was not as accurate as CT，but the key regions of the model were anastomosis to the surgery patients.It will achieve some kind of application in the future.②3D laser scanning is the most advanced method of accessing to soft tissue，this study had a fitting of the soft and hard tissues，real and reliable.

D X-ray；3D reconstruction；deform

R783.5

A

1008-6455（2015）20-0048-06

周洪，教授，主任医师，硕士生导师；E-mail：zhouhong@mail.xjtu.edu.cn

2015-07-20

2015-09-16