基于CBCT影像的新图像配准技术在颞下颌关节疾病诊疗中的运用

张伟华 冯斌 汪郡 王香萍 戴金晨 项明娣 胡万龙

【摘 要】目的 基于CBCT影像的新图像配准技术在颞下颌关节疾病诊疗的流程，并对其可靠性进行评价。方法 选取2022年1月-2023年1月于本院行正颌手术治疗的34例患者为研究对象，采集患者术前术后锥形束CT（CBCT）图像，在开源软件（3D Slicer）中，运用基于体素的图像配准技术，测量髁突的位置和形态学变化，并采用同类相关系数（ICC）对该方法的稳定性进行评估。结果 髁突轴向旋转的ICC为0.976，轴向平移的ICC为0.984，表面变化测量的ICC为0.947。结论 基于CBCT图像新配准技术在测量髁突旋转、位移和形態变化方面具有很大的稳定性，为颞下颌关节疾病的诊疗提供了可靠的评估。

【关键词】CBCT；颞下颌关节；髁突

中图分类号：R783.5 文献标识码：A 文章编号：1004-4949（2023）11-0153-04

基金项目：2021年浙江省教育厅项目（编号：Y202147266）

Application of New Image Registration Technology Based on CBCT images in the Diagnosis and Treatment of Temporomandibular Joint Diseases

ZHANG Wei-hua， FENG Bin， WANG Jun， WANG Xiang-ping， DAI Jin-chen， XIANG Ming-di， HU Wan-long

（Department of Imaging， the Stomatology Hospital， Zhejiang University School of Medicine/ School of Stomatology， Zhejiang University/Clinical Research Center of Oral Diseases of Zhejiang Province/Key Laboratory of Oral Biomedical Research of Zhejiang Province/Zhejiang University Cancer Center， Hangzhou 310000， Zhejiang， China）

【Abstract】Objective To evaluate the reliability of a new image registration technique based on CBCT images in the diagnosis and treatment of temporomandibular joint diseases. Methods The preoperative and postoperative cone beam CT （CBCT） images of 34 patients who underwent orthognathic surgery in our hospital from January 2022 to January 2023 were selected. In the open source software （3D Slicer）， the voxel-based image registration technique was used to measure the position and morphological changes of the condyle， and the stability of the method was evaluated by the same type of correlation coefficient （ICC）. Results The ICC of axial rotation was 0.976， the ICC of axial translation was 0.984， and the ICC of surface change was 0.947. Conclusion The new registration technique based on CBCT images has great stability in measuring condylar rotation， displacement and morphological changes， which provides a reliable evaluation for the diagnosis and treatment of temporomandibular joint diseases.

【Key words】CBCT； Temporomandibular joint； Condylar process

颞下颌关节（temporomandibular joint）在颌骨活动、语言和情感表达中的作用十分重要[1]。颞下颌关节疾病患者行正颌手术前，对其髁突位置和形态变化形成进一步了解可为治疗工作的顺利进行提供必要帮助。另外，在临床诊断、治疗和随访期间，仍有必要对髁突做出及时且准确的评估。临床中，锥形束计算机断层扫描（CBCT）有效弥补了二维射线摄影的不足，且能够实现三维图像的重建，因此被广泛用于骨形态和位置变化的评估中。对于CBCT图像上髁突的位置变化，大多数研究是根据术前和术后CBCT图像的冠状面、轴面、矢状面关节空间距离的变化来计算位移的[2-4]，研究者测量了关节在前、后、上、内侧和外侧区域的关节间隙的变化，以评估髁突相对于关节窝的位置变化。在形态变化研究方面，部分学者对髁突三维模型进行了分析[5，6]，并借助颜色距离图对手术前后髁突之间的表面距离展开评估，亦可通过对髁突前后部高斯曲率变化的计算对形态学变化进行描述。此外，也有临床研究中将两髁突模型叠加[7]，并对髁突头区域进行划分，借助彩色编码地图测量方式将髁突表面附着和吸收情况显示出来。随着时间的推移，颞下颌关节的变化往往很微妙，因此，基于体素的配准有望更早地发现这些变化。为了全面评估髁突位置和形态的变化，将CBCT序列图像通过基于地标、基于表面或基于体素的配准叠加在解剖稳定的结构上，如下颌支和颅底，推荐作为正颌患者体素基配准的感兴趣区。然而基于CBCT图像配准技术在颞下颌关节疾病诊疗中的流程及其可靠性尚未得到详细阐述和全面的评价。因此，本研究提出了一种新的髁突治疗前后的评估方法，即使用基于体素的新配准方法来测量下颌骨髁突的位置和形态变化，旨在评估该方法的可靠性。

1 资料与方法

1.1 一般资料 选取2022年1月-2023年1月于浙江大学医学院附属口腔医院行正颌手术治疗的34例患者。纳入标准：正颌手术前后髁突位置发生改变；髁突头发生轻微或明显骨性改变；无正畸治疗史；无颞下颌关节外伤史；无风湿、类风湿及其他系统病史；知情同意并签署知情同意书。排除标准：CBCT影像模糊者；颞下颌关节疾病严重者；颞下颌关节畸形者；合并其他可能影响到颌面部的全身系统性疾病者；有精神障碍类疾病，无法配合者。研究对象中男18例，女16例，年龄20～45岁，平均年龄（30.34±0.33）岁。采集患者治疗前（T0）和治疗后（T1）的CBCT图像，T0和T1的间隔时间约为3个月。

1.2 CBCT扫描设备参数 扫描设备J.Morita 3D Accuitomo，模式STD，管电压90 kV，管电流8 mA，层厚0.125 mm，视野6 cm×6 cm，旋转360°，曝光时间17.5 s。

1.3 图像配准 将T0和T1的CBCT图像导入到医学图像的开源软件中（3D Slicer，版本4.13.0）。为T0和T1的CBCT图像构建了颅底和下颌支感兴趣区域的两个掩膜。步骤一：使用通用配准模块，采用基于颅底感兴趣区域（白色区域）的配准方法，将T0的CBCT图像叠加到T1图像上。在这个过程中，可以观察到髁突的位置变化。步骤二：通过基于下颌支感兴趣区域（白色区域）的配准，将T0图像叠加到T1图像上。在此过程中，将治疗前的髁突移至治疗后的髁突的位置，可以观察到治疗期间髁突的形态变化，见图1。

1.4 图像评价 用欧拉公式变换矩阵分解为X、Y、Z轴上的旋转和平移，计算髁突平移和旋转的偏差，以评估基于两步体素的CBCT图像新配准技术测量髁突位置变化的可靠性。通过基于下颌支的体素配准将T0图像叠加到T1图像上后，将髁突表面轮廓三维构建，以评估前后表面的形态学变化。表面距离以均方根（RMS）计算。使用3D Slicer扩展中的形态分析模块，通过彩色编码距离图来可视化髁突的表面变化。

1.5 统计学方法 采用SPSS 25.0统计学软件进行数据分析，描述性统计数据分别用平均值、标准差、最大值和最小值表示，采用组内相关系数（ICC）计算。

2 结果

2.1 下颌骨髁突位置变化的评价 锥形束CT影像下，绕X轴、Y轴、Z轴旋转的ICC为0.976；沿X、Y、Z轴平移的ICC为0.984，见表1。

2.2 下颌骨髁突形态学改变的评价 锥形束CT影像下，髁突表面的均方根值的表面变化的ICC为0.947，见表2。

3 讨论

颞下颌关节属于人体解剖结构的重要组成，且关节功能相对复杂，骨性结构髁突与关节窝的形状缺乏规则性且形态复杂多变，个体差异相对明显。临床诊断颞下颌关节疾病的过程中，既有影像检查方法受投照技术制约难以明确髁突位于颞下颌关节窝内位置，因而很难与诊治需求吻合。而锥形束CT是现阶段新型口腔医学影像检查设备，辐射剂量少且具有较高分辨率，能够在较短时间内获取所扫描对象的所有容积数据，并对颞下颌关节任一断面重建CT图像，清晰度较高，因此应用价值显著。选择至于髁突的评估，感兴趣区最好是一个保持稳定的结构，术后没有重塑。直接选择感兴趣区可能会带来错误，因为可能会发生重构或吸收，当匹配相同的解剖体素时，基于体素的配准可能会影响配准的可靠性[8]。部分研究者仅选择颅底作为髁突评估的感兴趣区域。然而，此方法的不足之处在于无法对髁突的位移和重塑进行准确区分。而选择近端节段下颌骨结构，如冠状突、乙状切迹和下颌骨支作为感兴趣区域难以将髁突的位置变化体现出来。因此，在本研究中，选择基于体素的两步三维配准，使用颅底和下颌支来评估位置和形态的变化。当基于颅底对术前和术后CBCT图像进行体素配准时，颅底和关节窝的位置叠加良好，如果治療后髁突的位置改变，髁突的位置就不相同。因此，通过这种配准很容易观察到位置的差异[9]。当基于下颌支对术前和术后CBCT图像进行基于体素的配准时，下颌支和髁突颈的位置很好地叠加。在这种情况下，可以很容易地观察到髁突头的形态学变化[10]。

准确的测量和分析髁突的形态和位置的变化对临床诊断、治疗计划和随访至关重要。为了全面评估位置和形态随时间的变化，使用序列CBCT图像进行叠加或配准。对于正颌手术等引起髁突的位置和形态变化，因此配准方法的可靠性是检测这些变化的关键[11]。在本研究中，通过对开源软件上工作流程的介绍，使用基于体素的两步三维配准来测量下颌骨髁突的位置和形态变化。该方法具有较高的可重复性，可用于检测治疗过程中的髁突位置和形态学变化。本研究采用体素配准进行TMJ评估[12]。有一些配准技术用于匹配和叠加CBCT扫描。基于表面的配准技术在配准过程中容易出现误差，原因在于它依赖于三维表面构造的精度，而这受到CBCT图像不同分割过程的影响。对于基于体素的配准，首先选择感兴趣区域，然后将CBCT扫描前和CBCT扫描后情况下的感兴趣区域叠加[13]。因此，一个感兴趣区域被重新定向到基线扫描的感兴趣区域，这导致了基于这个转换的整个图像数据集的重新定位[14]。然而，本研究还存在一定的局限性，纳入的样本旦较小，研究对象仅限于正颌手术治疗的患者，因此进一步的研究与扩大样本量是必要的。本研究所提出的基于体素的两步三维配准方法所用时间较多，进一步的通过人工智能和数字化技术自动化该方法流程，将更有利于其临床应用[15]。

综上所述，基于CBCT影像的体素三维配准新方法为评估正颌手术前后下颌骨髁突位置和形态的变化提供了可靠的结果。这有利于早期发现和准确评估髁突的变化，提示正颌手术术后髁突并发症，如髁突特发性吸收的发生，从而可以早期干预治疗，提高治疗效果。

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编辑 扶田