锥形束CT体素重叠对二维头影测量纵向研究准确性的影响

马晓晴，张 玲，陆 婉，钱文昊，李志耀，樊明月

在正畸临床中，术前诊断、治疗计划制定、术后疗效评估以及生长发育观察，均需要借助头影测量分析[1-2]。传统侧位片自20世纪30年代应用至今，为临床治疗提供很大帮助，但其影像为三维结构在正中矢状面的投照，即存在结构重叠，且X线束为非平行投照，不同部位放大率不同，故其成像结果存在模糊失真[3-5]。锥形束CT(cone beam CT，CBCT)可准确呈现颅颌面结构，但目前尚无完善的三维测量方法，利用其转换生成的二维侧位片可有效降低传统头影测量中存在的系统误差[6-8]，但对标记点的准确定位无明显提高。

正畸治疗中、治疗后的疗效评估离不开准确的头影测量分析，本研究疗效评估前将不同阶段CBCT影像进行体素重叠并采取分层重建形成组合式侧位片，旨在减小头影测量中的系统误差和定点误差，提高评估的准确性。

1 资料与方法

1.1 对象选择

选择2017年2月—2020年9月在上海市徐汇区牙病防治所顺利完成拔牙矫正的成人双颌前突患者为研究对象。纳入标准：①成人，双牙列前突；②治疗前牙列完整(不包括智齿)，拥挤度<2 mm；③颅颌面无外伤史，无发育畸形；④治疗前、后CBCT影像清晰，无伪影。最终选择36例，其中男17例，女19例，年龄24～32岁，平均26.9岁。本研究已获上海市徐汇区牙病防治所伦理委员会审核通过，伦理编号：沪徐牙防科伦审(2019)3号。

1.2 方法

1.2.1 拍摄CBCT影像 所有患者均采用NewTom 5G(QR Srl, 意大利)设备拍摄CBCT影像(有效剂量：36.9～75.0 μSv)。利用NNT Viewer将原始数据转换为DICOM格式。

1.2.2 侧位片转换 对照组将DICOM数据导入图像处理软件Dolphin，头颅再定位标记点：①矢状面包括鼻根(N)点、蝶鞍(S)点以及颅底点；②水平面包括双侧眶下点和右侧耳点[6]。选取头颅右侧数据，直接平行投照获得相应侧位片，存储为JPEG 格式(图1)。

图1 对照组侧位片

实验组将治疗前、后DICOM数据导入Dolphin软件，头颅再定位同对照组，手动定点双侧颧额缝、右侧眶下孔上缘，点击自动重叠按钮进行初步重叠。在多平面重建(MPR)模式的正中矢状截面中，选取蝶鞍及其邻近区域进行体素重叠(图2)。在三维重建影像模式中，调整治疗后影像为透明状，选用治疗前影像右半侧的侧面照(图3A)，截取其正中矢状面断层(包括完整的蝶鞍和鼻根部)。添加Dolphin软件自带刻度尺，调整刻度尺中心点与S点相吻合，且刻度尺位于前颅底(SN)平面(图3B)。分别选取包含右侧髁突、右侧上下第一磨牙(图3C)以及上下中切牙的最小断层，调整各自影像的灰度值以增强所要呈现结构的清晰度，存储图像为JPEG格式。以刻度尺为重叠轴重叠、裁剪各影像，形成治疗前组合式侧位片，存储图像为JPEG格式(图3D)。调整治疗前影像至透明状，恢复治疗后影像的灰度值，重复上述操作获取治疗后组合式侧位片(图4)。

图2 前颅底重叠

A：右侧三维重建侧面照；B：正中矢状面三维重建；C：后牙区三维重建；D：组合式侧位片

图4 实验组治疗后侧位片

1.2.3 测量方法 坐标轴确定：①X轴为SN平面顺时针旋转7°，且通过S点[9]；②Y轴为与X轴垂直，且通过S点。

测量项目包括①SNA：由S点，N点及上牙槽座(A)点组成的角；②SNB：由S点，N点及下牙槽座(A)点组成的角；③U1-SN：上切牙长轴与SN平面的交角；④U1-NA：上中切牙长轴与NA连线的交角；⑤U1-NA′：上中切牙切缘点到NA连线的垂直距离；⑥L1-NB：下中切牙长轴与NB 连线的交角；⑦L1-NB′：下中切牙切缘到NB连线的垂直距离；⑧IMPA：下中切牙长轴与下颌平面的交角；⑨U1-L1：上下中切牙长轴的交角；⑩MP-SN：下颌平面与SN 平面的交角；U1-X：上中切牙切缘到X轴的垂直距离；U1-Y：上中切牙切缘到Y轴的垂直距离；U6-Y：上颌第一磨牙近中颊尖到Y轴的垂直距离；L1-Y：下颌中切牙切缘到Y轴的垂直距离；L6-Y：下颌第一磨牙近中颊尖到Y 轴的垂直距离；Co-Gn：下颌骨长度(图5)。

1: SNA; 2: SNB; 3: U1-SN;4: U1-NA; 5: U1-NA′；6: L1-NB′; 7: L1-NB;8: IMPA;9: U1-L1；10: MP-SN;11: U1-X;12: U1-Y;13: U6-Y;14: L1-Y;15: L6-Y;16: Co-Gn

采用Dolphin二维测量软件对两组转化生成的侧位片测量分析。由一位正畸专科医生完成所有病例的测量，每个数据均测量两次，间隔一周。分别计算治疗前、后各测量指标的差值，录入Excel表格。

1.3 统计学分析

应用SPSS 13.0软件包对数据进行统计学分析，采用配对t检验比较实验组和对照组在疗效评估时产生的差异，P<0.05为差异具有显著性。

2 结 果

体素重叠后，颅底各结构拟合度良好，变化主要集中在上下前牙区，尽管获取组合式侧位片程序相对复杂，但实验组标记点较易识别。在常用角度测量指标的比较中，SNA、U1-NA具有统计学差异(P<0.05)。线距测量指标中，与Y轴相关的4项测量指标(U1-Y、U6-Y、L1-Y、L6-Y)存在统计学差异(P<0.05)(见表1)。

表1 两组治疗前、后差值配对t检验结果

3 讨 论

3.1 分层重建形成组合式侧位片的必要性

采用传统侧位片进行头影测量分析时，其内在的系统误差和定点误差影响测量结果的准确性。头颅CBCT平行投照转换生成的侧位片可1∶1呈现组织结构影像[10]，减小系统误差，但无法克服结构重叠导致的定点误差。

为避免双侧结构重叠导致的定点干扰，本研究均选取右侧结构影像。为增强低密度结构(如前鼻棘点)的识别度，可采用成像软件的渲染功能，但在增强低密度标记点清晰度的同时会导致高密度结构的过度曝光，即渲染工具无法同时满足所有解剖结构的需求。为避免不同密度影像结构在渲染时的相互干扰，实验组采用分层成像，即渲染工具可对局部结构单独调整灰度值以增强成像结果。为准确重组各断层影像，实验组头颅再定位后纳入Dolphin软件自带刻度尺辅助建立坐标系。后期图像叠加处理时，只需将刻度尺坐标重叠、裁剪保留目标结构影像，即可获得所需的组合式侧位片(图3～4)。研究结果显示与A点相关的检测指标均存在明显差异，实验组标准差较小，证实高清晰度影像可明显提高定点的可重复性和测量准确性。

3.2 体素重叠可提高纵向研究的准确性

三维重叠可同时在冠状面、矢状面和横断面观察影像结果的拟合度，利于最大程度校正不同阶段头位之间的差异。目前三维影像结构重叠方法包括标记点重叠、表面重叠和体素重叠[11-12]。体素重叠是通过计算机自动计算目标结构中像素点的位置差异而进行的重叠，无人为因素的干预，故其准确性较高[13-14]。

本研究实验组在二维影像转换前，对治疗前、后CBCT影像前颅底进行体素重叠，相较于对照组，该方法有以下优点：①降低了头颅再定位时的定点要求，即使所确定的正中矢状面与实际矢状面之间存在一定的的偏差，对疗效评估影响不大，因该偏差对治疗前、后影像的影响是一致的；②降低了对基准参考平面的定点要求。纵向定量研究主要是分析各测量指标在治疗前、后发生的变化，即计算各指标的差值。本研究在侧位片重建过程中，将刻度尺与参考平面SN平面相吻合，即治疗前、后所有与SN平面相关的测量指标有完全一致的基准平面。当不同测量者所确定的SN平面之间存在一定偏差，相关测量指标的绝对值可能会有所不同，但对差值计算的影响较小。对于其他参考平面(腭平面、下颌平面等)相关指标的差值计算[15-16]，先进行相关结构(硬腭、下颌基骨等)的体素重叠，利于提高分析的准确性。

本研究显示U1-Y、U6-Y、L1-Y、L6-Y进行组间比较时表现出明显差异，可能的原因包括对照组在头颅再定位时产生的误差以及参考平面定点时产生的误差。本研究中垂直参考平面(Y 轴)源于水平参考平面(X 轴)的垂线，当X 轴在定点描迹时发生少量偏差，Y 轴远离S点一端会产生明显偏差，该偏差直接影响与Y 轴相关测量指标的差值计算。相较于对照组，实验组内该系统误差较小，测量分析的准确性较高。

虽然CBCT影像资料体素重叠可辅助克服系统误差[17-18]以及确定基准平面时的定点误差，但对于部分标记点尤其是曲面上没有明确边界的标记点(如下颌角点)，定点误差不可避免[19]。随着计算机辅助定点的深入研究，利用特定的计算机算法进行定点可进一步降低人工定点产生的误差，增加测量的准确性,更好地服务于临床[20-22]。