三维头影测量的研究现状和应用发展

张紫涵 熊鑫 王军

口腔疾病研究国家重点实验室 国家口腔疾病临床医学研究中心四川大学华西口腔医院正畸科 成都 610041

头影测量技术由德国的Hofrath和美国的Broadbent引进口腔正畸领域，经过数十年的发展，头影测量分析成为了诊断错畸形及制定正畸治疗计划的重要组成部分。传统的头影测量分析一般是在侧位片和正位片上定点，对线距、角度等进行测量分析。尽管这一技术在过去被正畸医生广为接受和应用，但立体结构的平面化分析造成了诸多问题，包括双侧解剖结构的重叠、图像模糊、不规则放大及头位定位误差等，均导致了定点分析的误差。

三维成像技术的发展，特别是锥形束计算机断层扫描（cone beam computed tomography，CBCT）在口腔领域的应用，为解决上述问题提供了新思路。借助计算机和图像处理技术，CBCT可重建出清晰、立体、真实的头颅解剖结构，所提供的三维结构信息丰富了对颅颌面解剖结构的测量分析，使正畸医生掌握更多检查信息，有利于准确地诊断、治疗和疗效评估。CBCT在错畸形诊治中的应用已经非常普遍，这一技术的临床价值在于诊断尖牙阻生、牙根吸收、睡眠障碍，设计正颌手术，以及三维头影测量。与螺旋CT相比，CBCT具有设备成本低、采集时间短、辐射量较小、扫描范围灵活、图像精度高等诸多优势[1]，改进了传统三维成像的主要弊端，因此极大地促进了三维头影测量的发展。CBCT的三维图像克服了传统二维头影测量的问题，不存在结构重叠，可以清晰、无放大地显示头颌面组织，且结构的空间关系不受头位影响。

三维头影测量目前尚处于发展阶段，但未来有很好的应用前景。为了进一步提高这一技术的临床价值，本文阐述了三维头影测量的优势，并选取了与其临床应用密切相关的5个方面，对其研究现状作一综述，旨在为临床应用三维头影测量技术提供参考，最后对其未来的发展进行展望。

1 定点方式

二维头影测量是直接在平片上进行定点，三维头影测量需要在立体结构上确定标志点，因此定点方式不同于二维头影测量，主要方法包括多平面重建（multi-planner reformation，MPR）定点法及在三维重建模型上定点[2]。MPR定点法需要在矢状面、冠状面和横断面上这3个平面上分别定点，相比传统侧位片，在CBCT的MPR图像上定点的精确度更高，但耗时较长[3]。三维重建模型定点法相比MPR法耗时较短，操作简便，同样具有较高的准确性[4]。大部分用于导入和查看医学数字成像和通讯（digital imaging and communications in medicine，DICOM）图像格式CBCT的软件可同时显示MPR和三维重建模型2种视图效果[5]，这为2种定点方法的联合应用提供了可能。de Oliveira等[6]的研究表明，通过标准训练后，测试者可在MPR和三维重建联合视图下进行精确、可靠的定点。Hassan等[7]通过研究证实，相比单独在三维重建模型上定点，在MPR及三维重建的联合视图下定点的时间会增加1倍，但同时会提高大部分标志点的可靠性。临床上，可根据所需的标志点精确度灵活地选用定点方法，以达到最大化精确度、最小化时间的定点目标。

目前，头影测量大多采用人工定点的方式，CBCT清晰、无放大的图像有利于建立定点相关的计算机算法，在三维头影测量中实现自动或半自动定点将成为未来的发展方向。自动定点需要基于特定的计算机算法，Neelapu等[8]设计了基于结构对称性和组织轮廓的自动定点算法，Gupta等[9]先通过智能学习得到的公式确定大致区域，再提取组织轮廓实现自动定点，并验证了这种自动定点可达到和人工定点识别标志物一样的准确性。Codari等[10]提出了计算机辅助半自动定点法，由软件确定标志点95%的圆形置信区域后进行人工调整，可达到理想的准确率。三维头影测量的计算机辅助定点可大幅缩短定点时间、减少出自检查者的误差，日后有望成为热门的研究方向。

2 标志点的确定

二维头影测量中标志点的确定会受结构重叠、图像模糊及头位不正等因素影响而产生误差。在三维图像上则可对左右两侧标志点进行分别定点，清晰地呈现解剖结构，特别是牙体组织，除此之外还可后期进行头位校准。目前三维头影测量主要沿用二维头影测量中的标志点，以上问题的避免使三维头影测量中标志点定位的精确度总体高于二维头影测量，可提供更加准确的图像信息[7]。

为了保证定点的准确性，应重新定义CBCT影像中传统标志点的位置，从3个方向分别对其进行描述。然而并非所有传统标志点都适用于三维头影测量，部分在真实颌骨上并不存在的标志点如下颌角点、关节点等就无法在CBCT图像上定点[11]。此外，定点的准确性与标志点的位置关系密切相关，一些作者[6]通过系统评价分析得到CBCT图像中可靠性最高的是传统侧位片的正中矢状面标志点，推荐使用的标志点包括蝶鞍点、颅底点、鼻根点、前鼻脊点、上牙槽座点、下牙槽座点、颏前点、颏顶点和颏下点。因为避免了左右结构重叠等的问题，位于两侧的传统标志点可靠性也较高，需要注意的是位于曲面上没有明显边界的标志点可靠性不理想，在建立三维头影测量标志点系统时应将其排除。

CBCT呈现的颅颌面立体结构提供了更加广泛的标志点选择范围，不仅可以对两侧的标志点进行左右分别定点，还让牙性和骨性新标志点的应用成为可能[12]，清晰的牙齿结构甚至使牙性标志点的可靠性超过骨性标志点。Park等[13]通过实验表明，具有较高可靠性的标志点包括眶下孔、颧额缝、髁突、颏孔、牙齿上除了上颌第一磨牙舌尖和下颌第一磨牙颊沟外的结构，一些学者等[6]的系统评价显示，可靠性较高的标志点还包括上颌体、下颌体的中心点。Lagravère等[14]证实颅底结构在CBCT中具有清晰的影像，其中棘孔、卵圆孔、圆孔和舌下管可作为建立重叠参考面的标志点。标志点的丰富意味着可选择的测量分析项目的增加，可向临床医生提供更加充分的图像信息。

3 参考平面的确定

3.1 水平基准面的确定

在传统的侧位片中，水平基准面通常采用的是与地平面基本平行的眶耳平面（frankfort horizontal plane，FHP）。二维图像中由2个标志点确定的参考平面，在三维图像中至少需要3个标志点，因此在三维头影测量中需重新定义此参考平面。CBCT中的眶点及耳点在垂直方向上精确度较高，仍可用于确定FHP作为水平参考面[13]，通过以下4种方式构建FHP较为可靠：左右眶点和耳点中点、左右耳点和眶点中点、左右眶点和左侧耳点、左右眶点和右侧耳点[15]。除此之外，由于三维头影测量维度的增加，参考平面的选择范围也随之增加，临床上可寻找其他新标志点确定水平基准面，如Pittayapat等[16]建议以内声孔来代替耳点构建更可靠的FHP；Park等[17]证明，在有临床照片做参考的情况下，两侧颧额缝点或眶下点可用于构建上颌骨严重不对称患者的水平基准面；Lin等[15]验证了由鼻根点及左右侧半规管构成的侧半规管平面（lateral semicircular canal plane，LSP）作为水平参考面的可靠性及其与FHP的可比性，LSP适合进行颅底相关分析；Lonic等[18]证实FHP是检查平面倾斜的最佳水平参考面，但对于眶部不对称的患者，由两侧眶上点组成的Sor平面可辅助确定平面是否倾斜。不同的水平基准面有不同的适应证，医生可结合患者临床具体情况和分析目的来进行选择。

3.2 正中矢状面的确定

面部对称性是正畸治疗中需要考虑的一个重要因素，传统头影测量用头颅后前位片衡量面部对称性，但越来越多的研究者认为仅凭二维分析无法得到准确的诊断，因为立体结构的平面化会使图像产生变形和放大，因此CBCT的三维图像更利于评估面部对称性[19]。面部对称性的评估与正中矢状面密切相关，CBCT图像中的正中矢状面是重要参考平面，可由标志点构建法和镜像法2种方法进行确定。

应用在二维头影测量中的标志点构建法同样适用于三维头影测量，可选用的标志点主要有以下3类：由中线附近的3个参考点来确定正中矢状面[20]；由中线附近的2个点做出垂直于水平面的正中矢状面[21]；由两侧基本对称标志点的中点确定正中矢状面。Green等[22]经过对60名患者的三维分析后发现，中线附近标志点相比两侧标志点中点构建的正中矢状面更加稳定、可靠，推荐使用鼻根点-颅底点-切牙孔构建平面。Kim等[23]通过同时在干头颅和受试者上分析得到，均匀分布在颅底前、中、后部3个部位的标志点确定正中矢状平面的误差较小，推荐使用的标志点是鼻根点或额骨盲孔（前）-蝶鞍点（中）-颅底点或颅后点（后）。还有一些研究[24]提出了其他构建正中矢状面的标志点组合，如鼻根点、前鼻棘点和后鼻棘点。临床上可先大致判断患者颅面畸形存在的部位，将其排除后再选取适宜的标志点确定正中矢状面。

镜像法是一种自动提取正中矢状面的方法，排除了人工定点误差的影响，应用的特定算法包括迭代最近点（iterative closest point，ICP）算法和普氏分析法（Procrustes analysis，PA）。ICP算法经过多次迭代运算求得原始和矢状面生成的镜像数据相邻点之间的距离最小值，产生最小值的平面即为正中矢状面。PA算法利用同构缩放、平移和旋转，遵循最小二乘法使原始和镜像图像间得到最佳匹配，形成匹配度最高的平面即为正中矢状面。专用于三维头影测量的镜像法确定正中矢状面的精确度很可能高于传统点构法[25]。

4 测量及分析

传统二维头影测量的测量项目多为线距和角度，大多数研究证实三维头影测量可对沿用的线距和角度进行更加精确、可靠的测量，其结果与直接测量得到的真实值更接近[26]。此外，还可在三维图像上扩展新的测量项目，包括对三维空间内的角度和距离进行测量，以及对面积和体积的测量。丰富的图像信息为临床医生提供了更多的分析方法，实现了对错畸形的多方位、立体化分析。

三维头影测量中新的线距、角度分析包括Lee等[27]提出的区分Ⅰ类和Ⅱ类颌骨关系的M测量，Zamora等[28]通过测定12个标志点构成的7个三角形的对称性来进行颅颌面关系分析，Dobai等[29]将Di Paolo最初提出的下面部四边形分析法扩展到了三维层面。Nur等[30]进行的面部软硬组织对称性分析不仅扩展出新的线距、角度测量指标，还对上、下颌骨和软组织进行了面积和体积测定，为评估面部对称性提供了新思路。

体积测量可最大化利用CBCT的立体图像信息，体积分析法目前主要用于上气道的分析。因为空气和其他软硬组织对X线的衰减能力不同，气道可在CBCT上清晰显影，易于进行咽腔软组织和气道的体积测量[31]。除此之外，Nakawaki等[32]经过三维分析证实下颌骨体积与下颌角大小呈负相关，高角、均角、低角患者的下颌骨体积存在明显差异，未来有望建立相关的体积分析法。

针对三维头影测量特定分析方法的研究目前还处于起步阶段，日后需要收集大量临床数据来验证、确定相关正常值，最终确定高效、准确的分析方法，为临床诊治和疗效分析提供更详实的资料。

5 重叠

影像重叠是分析不同阶段治疗效果及生长改建的重要方法，二维头影测量只能进行基于点或线条的重叠，而三维影像提供的丰富图像信息还可使其以平面和体积作为基准进行重叠，在提高重叠精度的同时更直观地呈现轮廓和形状的变化。目前，有以下4种可以用于重叠的方法。

1）平面重叠法。需要通过人工定点确定基准平面，存在由操作者产生的误差，准确性和可靠性欠佳。此方法主要在颅底区域定点，因该区域在5岁左右基本发育完成，标志点稳定性相对较好，棘孔、卵圆孔、圆孔和舌下管可作为建立重叠参考面的标志点[14]。进行上、下颌重叠时可选用的标志点有双侧眶下孔、鼻根点、上颌前部标志点和双侧颏孔。

2）基于体素的重叠法。这是一种以颧部或前颅底作为基准区域的全自动重叠法，具有较高的可靠性和准确性。颧部因其解剖结构清晰，与软组织分界明显，分割误差小，操作省时，更适合作为重叠的基准区域。下颌骨重叠最可靠的重叠基准区域是无牙齿部位、牙槽骨、升支和髁突。在三维图像中分割出基准区域进行体素匹配后，通过软件进行重叠图像间的面距测量，显示二者的差异。

3）表面重叠法。这是适用于下牙弓的重叠方法，基于下颌骨体下部和升支后部进行最优表面匹配。该方法操作简便，具有较高的可重复性和可靠性。

4）联合嵌入法。这是自动重叠方法，原理是通过感知球面强度积分使CBCT图像子集化，让治疗前后三维图像重叠基准区域的子集建立对应关系，进行联合嵌入，从而实现可靠、高效的CBCT叠加。其基本程序为定义子集、确定重叠基准区域、联合嵌入对应子集。但由于重叠图像的子集化是独立进行的，为确保进行子集精准匹配，阈值参数均需要精调，日后可引入体图像处理技术来实现一致的子集提取和匹配。

临床上具体选择何种方法进行重叠尚无统一标准，笔者认为准确、可靠的自动化重叠方法是未来的发展趋势，这类方法有望成为标准的三维头影测量重叠方法。

6 展望

6.1 三维头影测量标准的制定

目前，三维头影测量临床应用中的主要问题在于没有标准化的头影测量方法，上述5个方面有多种方式可供选择，后续仍需大量的研究对各个方法进行验证及优劣分析。一套涉及定点方式、标志点、参考平面、测量项目及分析和重叠的规范化头影测量方案的确定，将有助于提高医生的工作效率，增强不同结果间的可比性，促进三维头影测量的推广与发展。

除此之外，还应制定相关影像学标准，因为大部分接受正畸治疗的患者还处于生长发育期，需尽量减少CBCT辐射带来的不良反应。应明确各年龄段影像学参数的参考值，达到最小化辐射剂量的同时，最优化影像质量的目标。

6.2 三维头影测量内容的丰富

三维头影测量的内容还可进一步丰富，将CBCT图像与其他测量形态的图像相结合，如与记录头面部表面形态的三维摄影图像、显示软组织的磁共振图像、显示牙列及其周围组织的口内扫描图像进行数据融合，最终获得患者全方位的个性化模型。整合后的数据将可以提供发际线、眼部等涉及表面美观部位的信息，牙龈的位置、形态及面部软组织的信息。这将有助于临床医生精确诊断疾病、评估治疗效果。

多来源的数据融合还可用于研究治疗前后软硬组织变化之间的联系，由于面型的改善主要取决于软组织的变化，日后若可通过模拟硬组织的变化精准地预测软组织治疗后的形态，将产生可观的美学价值。这有利于三维头影测量与可视化治疗目标结合，对即将接受正畸治疗的患者进行分析和预测，用三维的方式呈现正畸治疗结束时患者大致的面型及咬合关系，通过立体化、直观地展示进行更好的医患交互，最终实现“目标引导正畸治疗”的效果。