引用本文： 王瑞晨, 李桂珍, 柳春明, 賈赤宇. 三維頭影測量分析法在正頜外科術前測量中的應用. 中國修復重建外科雜志, 2014, 28(7): 873-878. doi: 10.7507/1002-1892.20140193 復制
CT三維重建可全面了解顱面三維結構，顯示骨骼情況[1-2]，為復雜顱面畸形的精確診斷提供依據。但目前CT三維重建圖像測量仍采用二維X線頭影測量法，以線距和角度量化牙頜面硬組織與顱底間關系，不能充分體現顱面結構的三維空間關系，測量結果不夠直觀，不能直接用于手術設計。有學者基于CT三維重建后的標志點進行三維坐標分析[2]，獲得了更準確和全面的信息，建立了面部不對稱畸形的三維測量模型[3]，實現了從三維方向上準確測量顱面部形態結構，測量結果可直接用于手術設計，但測量方法較繁瑣。本研究旨在運用Mimics軟件（Materialise公司，比利時），建立正頜外科術前精確診斷的三維頭影測量分析法，為臨床牙頜面畸形的診治提供一種簡便方法。報告如 下。
1 材料與方法
1.1 實驗對象
以2012年1月－2013年10月解放軍總醫院和解放軍第309醫院收治的15例牙頜面畸形擬行正頜手術的患者作為實驗對象。其中男7例，女8例；年齡17～37歲，平均23.6歲。牙頜面畸形臨床分類[4]：下頜前突伴上頜發育不足4例，上頜前突伴下頜發育不足4例，長面綜合征2例，顏面不對稱畸形5例。
1.2 圖像采集和三維重建
術前采用16排螺旋CT（Siemens公司，德國）對頜面部進行掃描。像素矩陣512 × 512，電壓120 kV，電流50 mA，掃描層厚1.0 mm。患者取仰臥位，面中軸與CT掃描縱軸一致，雙眼自然閉合，表情放松，牙齒處于牙尖交錯位。將獲得的CT數據以DICOM3.0格式存儲，通過Mimics軟件對硬組織和軟組織進行三維重 建。
1.3 三維測量模型的建立
1.3.1 骨組織測量標志點
根據經典的X線頭影測量項目[5]和前期研究[3]，篩選出33個標志點，見表 1、圖 1。
表1
顱面骨組織標志點縮寫及定義
Table1.
Representation and definition of skeletal landmarks
圖1
骨組織測量標志點在頭顱三維模型上的位置 ? 正位 ? 右側位 ? 剖切圖 ? 仰視位 ? ?1.3.2 建立三維頭影測量分析坐標系
以N為原點，水平面（horizontal plane，HP）選取經N與法蘭克福平面（Frankfurt horizontal plane，FHP）平行的平面；中矢狀面（sagittal plane，SP）選取經N和S與FHP垂直的平面；冠狀面（coronal plane，CP）選取經N并與FHP和SP垂直的平面。見圖 2。
1.3.3 基準平面和測量平面
基準平面：FHP，過雙側外耳道上點和Or（L）的平面。測量平面：① 腭平面（palate plane，PP），過ANS和PNS并與SP垂直的平面；② 下頜平面（mandible plane，MP），由Me和Go（R，L）三點定義；③ 咬合平面（occlusal plane，OP），由兩側第1磨牙咬合中點和中切牙觸點三點定義；④ 審美平面，鼻尖與頦部最突點的切線。見圖 3、4。
圖3
基準平面和測量平面在X線頭影測量片和三維頭影中的位置 ? 正、側位X線頭影測量片 ? 正、側位三維頭影 ? ?1.3.4 三維頭影測量項目
在X線頭影測量傳統項目的基礎上[5]，選擇42個測量項目，見表 2。在Mimics軟件中建立測量模板并分別定義測量項目內容。由同一名醫師將標志點在三維模型上分別進行3次標記，測量結果以均數±標準差表示。
表2
三維頭影測量項目及定義
Table2.
Definition and projects of 3-D cephalometric analysis
2 結果
以鼻根點為原點建立三維頭像測量分析坐標系，在該坐標系中定義基準平面和測量平面，通過骨組織測量標志點至對應基準平面和測量平面的距離，可在同一坐標系內獲得相應標志點及定義的測量平面間的三維空間關系的準確數值，見表 3。測量結果體現牙面組織的真實情況，較X線頭影測量分析更全面準確。建立測量模板后，只需標記測量點，測量結果即自動生成，耗時短。
表3
三維頭影測量結果（3 討論
牙頜面畸形的矯正手術是在面部三維方向上通過移動、旋轉合理地放置上、下頜骨，在建立上、下頜間良好咬合關系的同時兼顧美學要求。為達到該目標，必須在術前準確量化評估畸形，并對手術部位、牙-骨塊移動方向和距離進行精確設計。傳統的X線頭影測量技術由于是二維投影影像，不僅結構重疊難以還原顱面骨骼真實的三維關系，而且投影后兩側影像放大導致測量結果不準確[2, 6]，影響了手術設計的準確性。為此，本研究通過CT三維重建影像建立一種三維頭影測量分析法，以期提升牙頜面畸形矯正術前設計準確性，提高手術療效。
3.1 三維頭影測量項目定義及臨床意義的改變
CT三維重建影像中由于平面定義及部分標志點的位置與X線頭影測量不同[6-11]，因此測量項目的意義也與X線頭影測量不同。X線頭影測量時是通過SNA和SNB角度來確定上、下頜骨相對于顱底的位置關系，并作為手術前后比較以及觀察顱頜面生長發育變化的依據[12]。但蝶鞍影像中心點（S點）并非解剖標志點，不在骨骼上，不能在三維重建影像上直接標識。Yitschaky等[8]報道三維影像測量中涉及S點的測量項目均與X線頭影測量存在顯著差異。本研究以位于SP上解剖位置固定的鞍背上緣中點替代標記該點，便于觀測和標記。由于鞍背上緣中點位置較S點略高，位置升高可能造成前顱底平面與水平面的夾角增大，所以采用三維頭影測量SNA和SNB角度時略大于實際 值。
此外，在三維影像中測量平面是真實平面，不同于X線頭影測量中以直線定義三維平面，如SN連線只代表一條直線，不能代表前顱底平面，SNA或SNB三點測量的角度只能代表三維空間中兩條直線交角[9]。面部不對稱者可能因A點和B點偏離SP，成角的兩條直線不在SP，角度值的參考意義也因此降低。Tulunoglu等[6]比較二維和三維測量結果后發現，X線頭影測量的測量值大多較三維測量數值顯著增大。Olmez等[9]報道計算機輔助下三維測量與干性頭顱實測值一致，而X線頭影測量數值與實測值差異顯著，越遠離X線中軸放大越明顯，放大率最高可達16.2%。因此，在三維影像模型上繼續以二維測量指標為參照，不僅測量不準確，還可能造成診斷和手術設計失誤。本研究根據經典的X線頭影測量項目[5]和前期研究[3]，篩選出33個測量標志點，并在X線頭影測量傳統項目基礎上[5]，選擇42個測量項目，建立了一套新的CT三維頭影測量 法。
3.2 三維頭影測量法特點
牙頜面畸形可在三維空間的任一方向上體現，因此需在前后、左右和上下方向上對面部骨骼進行量化評估[11]。我們前期研究通過將顱面畸形患者的三維影像定位于三維坐標中，測量獲得標志點在水平向、矢狀向和垂直向上的位置差異，實現了對顱頜面畸形準確全面定量診斷，對術前設計具有指導作用[3]。但在臨床工作中，不僅需要結果準確可靠，還需要簡明實用便于操作。
本研究中建立以N點為原點的三維坐標系，并定義CP，通過A點、B點和Pog點的突距直接量化上、下頜及頦部標志點相對于顱底在前后方向的位置，真實體現側貌輪廓改變，對正頜手術中前后方向上定位上、下頜骨具有直接指導作用。偏頜畸形患者的咬合平面、MP與FHP不僅在垂直方向成角，在水平方向也存在成角，因此既往僅采用咬合平面與FHP夾角表示不直觀，實際參考價值不高。頜骨垂直向距離的測量參照模型外科的測量方法，選擇牙尖點到FHP的距離[13]。以中切牙觸點到FHP的距離為基準，兩側B3點、B6點到FHP的差值可以體現頜骨偏斜在此點造成垂直向高度的差異，手術中兩處標記點大致對應截骨線上方的梨狀孔邊緣和顴牙槽嵴區域。下頜牙槽高度的測量選擇Is1l或L6至MP的高度，大致體現了兩側下頜牙尖點到下頜骨下緣距離的差別。Cond到Go的距離體現了升支長度，但在面部不對稱的患者，可能存在髁狀突水平高度不一致，導致同樣的升支長度但Go不在同一水平高度；而Go的高度對面容影響明顯，為此在測量項目中增加了Go至FHP的距離，從水平向寬度和垂直向高度兩個維度定義兩側Go位置的差別。
人的面部結構普遍存在輕度不對稱，但明顯不對稱不僅影響容貌，還影響頜面部功能。準確分析量化牙頜面畸形對其矯正至關重要。面中線處標志點位于SP上，兩側對稱標志點（如ZP、Go等）以SP為對稱面呈左右基本對稱的關系，至SP和HP的距離分別體現兩側對稱點在水平和垂直方向上的差異。中線標志點的偏距數值體現面中線處標志點的偏移情況，兩側成對標志點到SP的距離體現了兩側上面部、中面部、下面部以及下頜髁狀突在水平方向的對稱差異。在三維測量模型中，可比較任意一對標志點在水平方向和垂直方向上的差異；標志點可視畸形情況和手術目標選擇，標志點和測量項目選擇越多，測量結果更全面，但也增加術前工作量。牙頜面畸形患者的硬組織形態復雜多樣，我們的經驗是根據畸形特征盡量以最少的標志點獲取相對全面的測量信息，在效率與全面之間做好平衡。
3.3 提高測量結果準確性的措施
測量結果的準確性取決于基準標志點標記和坐標系建立的準確性。而面部不對稱患者因頭位定位偏差、解剖變異、標志點移位等原因，更容易造成測量不準確。定義基準平面的標志點至關重要，這些標志點標記不準確會導致基準平面和三維坐標系建立不準確。我們采取了一些措施保證測量過程的準確。首先對FHP，可以提取標志點的三維坐標值驗證，同一水平面的坐標Z值相同。其次，基準平面建立后，以SP切割三維模型并通過鏡像技術擬合理想頭顱模型，檢驗SP平面是否合適。另外，對畸形嚴重復雜的病例，在術前制作頭顱模型時先在模型上標記標志點，再以之為參照在計算機上標記，可保證標志點的準確性。
綜上述，本研究建立了一套利用CT三維重建測量牙頜面畸形的方法，測量方法準確、項目全面，為正頜外科術前準確量化畸形提供了可靠保證，在Mimics軟件支持下縮短了術前測量分析時間，獲得的結果直觀可靠。然而，由于傳統的X線頭影測量結果不是真實數值[9]，三維測量結果不能通過其測量參考范圍進行驗證，而目前尚無成熟的三維測量參考范圍，因此測量準確性有待進一步明確。另外，螺旋CT掃描時為仰臥位，為獲得穩定的下頜位置采用牙尖交錯位，這樣獲得的測量結果在術中對骨骼和牙齒就位更具有指導作用，但與自然頭位下息止頜位的軟組織形態存在差異，測量結果需結合臨床檢查綜合考慮，以避免因體位頜位不同造成診斷偏差。CT三維測量獲得的是顱面骨骼的真實測量結果，除用于術前診斷、術前術后對比、檢測生長發育中的變化情況，掃描數據還可輸出用于快速原型、3-D打印、有限元分析等[14-16]。隨著3-D打印技術的發展，今后在術前精確測量規劃手術后，通過3-D打印技術直接生成咬合導板，既能簡化術前準備程序，還能進一步提高手術的準確性和確保更好的術后效果。
CT三維重建可全面了解顱面三維結構，顯示骨骼情況[1-2]，為復雜顱面畸形的精確診斷提供依據。但目前CT三維重建圖像測量仍采用二維X線頭影測量法，以線距和角度量化牙頜面硬組織與顱底間關系，不能充分體現顱面結構的三維空間關系，測量結果不夠直觀，不能直接用于手術設計。有學者基于CT三維重建后的標志點進行三維坐標分析[2]，獲得了更準確和全面的信息，建立了面部不對稱畸形的三維測量模型[3]，實現了從三維方向上準確測量顱面部形態結構，測量結果可直接用于手術設計，但測量方法較繁瑣。本研究旨在運用Mimics軟件（Materialise公司，比利時），建立正頜外科術前精確診斷的三維頭影測量分析法，為臨床牙頜面畸形的診治提供一種簡便方法。報告如 下。
1 材料與方法
1.1 實驗對象
以2012年1月－2013年10月解放軍總醫院和解放軍第309醫院收治的15例牙頜面畸形擬行正頜手術的患者作為實驗對象。其中男7例，女8例；年齡17～37歲，平均23.6歲。牙頜面畸形臨床分類[4]：下頜前突伴上頜發育不足4例，上頜前突伴下頜發育不足4例，長面綜合征2例，顏面不對稱畸形5例。
1.2 圖像采集和三維重建
術前采用16排螺旋CT（Siemens公司，德國）對頜面部進行掃描。像素矩陣512 × 512，電壓120 kV，電流50 mA，掃描層厚1.0 mm。患者取仰臥位，面中軸與CT掃描縱軸一致，雙眼自然閉合，表情放松，牙齒處于牙尖交錯位。將獲得的CT數據以DICOM3.0格式存儲，通過Mimics軟件對硬組織和軟組織進行三維重 建。
1.3 三維測量模型的建立
1.3.1 骨組織測量標志點
根據經典的X線頭影測量項目[5]和前期研究[3]，篩選出33個標志點，見表 1、圖 1。
表1
顱面骨組織標志點縮寫及定義
Table1.
Representation and definition of skeletal landmarks
圖1
骨組織測量標志點在頭顱三維模型上的位置 ? 正位 ? 右側位 ? 剖切圖 ? 仰視位 ? ?1.3.2 建立三維頭影測量分析坐標系
以N為原點，水平面（horizontal plane，HP）選取經N與法蘭克福平面（Frankfurt horizontal plane，FHP）平行的平面；中矢狀面（sagittal plane，SP）選取經N和S與FHP垂直的平面；冠狀面（coronal plane，CP）選取經N并與FHP和SP垂直的平面。見圖 2。
1.3.3 基準平面和測量平面
基準平面：FHP，過雙側外耳道上點和Or（L）的平面。測量平面：① 腭平面（palate plane，PP），過ANS和PNS并與SP垂直的平面；② 下頜平面（mandible plane，MP），由Me和Go（R，L）三點定義；③ 咬合平面（occlusal plane，OP），由兩側第1磨牙咬合中點和中切牙觸點三點定義；④ 審美平面，鼻尖與頦部最突點的切線。見圖 3、4。
圖3
基準平面和測量平面在X線頭影測量片和三維頭影中的位置 ? 正、側位X線頭影測量片 ? 正、側位三維頭影 ? ?1.3.4 三維頭影測量項目
在X線頭影測量傳統項目的基礎上[5]，選擇42個測量項目，見表 2。在Mimics軟件中建立測量模板并分別定義測量項目內容。由同一名醫師將標志點在三維模型上分別進行3次標記，測量結果以均數±標準差表示。
表2
三維頭影測量項目及定義
Table2.
Definition and projects of 3-D cephalometric analysis
2 結果
以鼻根點為原點建立三維頭像測量分析坐標系，在該坐標系中定義基準平面和測量平面，通過骨組織測量標志點至對應基準平面和測量平面的距離，可在同一坐標系內獲得相應標志點及定義的測量平面間的三維空間關系的準確數值，見表 3。測量結果體現牙面組織的真實情況，較X線頭影測量分析更全面準確。建立測量模板后，只需標記測量點，測量結果即自動生成，耗時短。
表3
三維頭影測量結果（3 討論
牙頜面畸形的矯正手術是在面部三維方向上通過移動、旋轉合理地放置上、下頜骨，在建立上、下頜間良好咬合關系的同時兼顧美學要求。為達到該目標，必須在術前準確量化評估畸形，并對手術部位、牙-骨塊移動方向和距離進行精確設計。傳統的X線頭影測量技術由于是二維投影影像，不僅結構重疊難以還原顱面骨骼真實的三維關系，而且投影后兩側影像放大導致測量結果不準確[2, 6]，影響了手術設計的準確性。為此，本研究通過CT三維重建影像建立一種三維頭影測量分析法，以期提升牙頜面畸形矯正術前設計準確性，提高手術療效。
3.1 三維頭影測量項目定義及臨床意義的改變
CT三維重建影像中由于平面定義及部分標志點的位置與X線頭影測量不同[6-11]，因此測量項目的意義也與X線頭影測量不同。X線頭影測量時是通過SNA和SNB角度來確定上、下頜骨相對于顱底的位置關系，并作為手術前后比較以及觀察顱頜面生長發育變化的依據[12]。但蝶鞍影像中心點（S點）并非解剖標志點，不在骨骼上，不能在三維重建影像上直接標識。Yitschaky等[8]報道三維影像測量中涉及S點的測量項目均與X線頭影測量存在顯著差異。本研究以位于SP上解剖位置固定的鞍背上緣中點替代標記該點，便于觀測和標記。由于鞍背上緣中點位置較S點略高，位置升高可能造成前顱底平面與水平面的夾角增大，所以采用三維頭影測量SNA和SNB角度時略大于實際 值。
此外，在三維影像中測量平面是真實平面，不同于X線頭影測量中以直線定義三維平面，如SN連線只代表一條直線，不能代表前顱底平面，SNA或SNB三點測量的角度只能代表三維空間中兩條直線交角[9]。面部不對稱者可能因A點和B點偏離SP，成角的兩條直線不在SP，角度值的參考意義也因此降低。Tulunoglu等[6]比較二維和三維測量結果后發現，X線頭影測量的測量值大多較三維測量數值顯著增大。Olmez等[9]報道計算機輔助下三維測量與干性頭顱實測值一致，而X線頭影測量數值與實測值差異顯著，越遠離X線中軸放大越明顯，放大率最高可達16.2%。因此，在三維影像模型上繼續以二維測量指標為參照，不僅測量不準確，還可能造成診斷和手術設計失誤。本研究根據經典的X線頭影測量項目[5]和前期研究[3]，篩選出33個測量標志點，并在X線頭影測量傳統項目基礎上[5]，選擇42個測量項目，建立了一套新的CT三維頭影測量 法。
3.2 三維頭影測量法特點
牙頜面畸形可在三維空間的任一方向上體現，因此需在前后、左右和上下方向上對面部骨骼進行量化評估[11]。我們前期研究通過將顱面畸形患者的三維影像定位于三維坐標中，測量獲得標志點在水平向、矢狀向和垂直向上的位置差異，實現了對顱頜面畸形準確全面定量診斷，對術前設計具有指導作用[3]。但在臨床工作中，不僅需要結果準確可靠，還需要簡明實用便于操作。
本研究中建立以N點為原點的三維坐標系，并定義CP，通過A點、B點和Pog點的突距直接量化上、下頜及頦部標志點相對于顱底在前后方向的位置，真實體現側貌輪廓改變，對正頜手術中前后方向上定位上、下頜骨具有直接指導作用。偏頜畸形患者的咬合平面、MP與FHP不僅在垂直方向成角，在水平方向也存在成角，因此既往僅采用咬合平面與FHP夾角表示不直觀，實際參考價值不高。頜骨垂直向距離的測量參照模型外科的測量方法，選擇牙尖點到FHP的距離[13]。以中切牙觸點到FHP的距離為基準，兩側B3點、B6點到FHP的差值可以體現頜骨偏斜在此點造成垂直向高度的差異，手術中兩處標記點大致對應截骨線上方的梨狀孔邊緣和顴牙槽嵴區域。下頜牙槽高度的測量選擇Is1l或L6至MP的高度，大致體現了兩側下頜牙尖點到下頜骨下緣距離的差別。Cond到Go的距離體現了升支長度，但在面部不對稱的患者，可能存在髁狀突水平高度不一致，導致同樣的升支長度但Go不在同一水平高度；而Go的高度對面容影響明顯，為此在測量項目中增加了Go至FHP的距離，從水平向寬度和垂直向高度兩個維度定義兩側Go位置的差別。
人的面部結構普遍存在輕度不對稱，但明顯不對稱不僅影響容貌，還影響頜面部功能。準確分析量化牙頜面畸形對其矯正至關重要。面中線處標志點位于SP上，兩側對稱標志點（如ZP、Go等）以SP為對稱面呈左右基本對稱的關系，至SP和HP的距離分別體現兩側對稱點在水平和垂直方向上的差異。中線標志點的偏距數值體現面中線處標志點的偏移情況，兩側成對標志點到SP的距離體現了兩側上面部、中面部、下面部以及下頜髁狀突在水平方向的對稱差異。在三維測量模型中，可比較任意一對標志點在水平方向和垂直方向上的差異；標志點可視畸形情況和手術目標選擇，標志點和測量項目選擇越多，測量結果更全面，但也增加術前工作量。牙頜面畸形患者的硬組織形態復雜多樣，我們的經驗是根據畸形特征盡量以最少的標志點獲取相對全面的測量信息，在效率與全面之間做好平衡。
3.3 提高測量結果準確性的措施
測量結果的準確性取決于基準標志點標記和坐標系建立的準確性。而面部不對稱患者因頭位定位偏差、解剖變異、標志點移位等原因，更容易造成測量不準確。定義基準平面的標志點至關重要，這些標志點標記不準確會導致基準平面和三維坐標系建立不準確。我們采取了一些措施保證測量過程的準確。首先對FHP，可以提取標志點的三維坐標值驗證，同一水平面的坐標Z值相同。其次，基準平面建立后，以SP切割三維模型并通過鏡像技術擬合理想頭顱模型，檢驗SP平面是否合適。另外，對畸形嚴重復雜的病例，在術前制作頭顱模型時先在模型上標記標志點，再以之為參照在計算機上標記，可保證標志點的準確性。
綜上述，本研究建立了一套利用CT三維重建測量牙頜面畸形的方法，測量方法準確、項目全面，為正頜外科術前準確量化畸形提供了可靠保證，在Mimics軟件支持下縮短了術前測量分析時間，獲得的結果直觀可靠。然而，由于傳統的X線頭影測量結果不是真實數值[9]，三維測量結果不能通過其測量參考范圍進行驗證，而目前尚無成熟的三維測量參考范圍，因此測量準確性有待進一步明確。另外，螺旋CT掃描時為仰臥位，為獲得穩定的下頜位置采用牙尖交錯位，這樣獲得的測量結果在術中對骨骼和牙齒就位更具有指導作用，但與自然頭位下息止頜位的軟組織形態存在差異，測量結果需結合臨床檢查綜合考慮，以避免因體位頜位不同造成診斷偏差。CT三維測量獲得的是顱面骨骼的真實測量結果，除用于術前診斷、術前術后對比、檢測生長發育中的變化情況，掃描數據還可輸出用于快速原型、3-D打印、有限元分析等[14-16]。隨著3-D打印技術的發展，今后在術前精確測量規劃手術后，通過3-D打印技術直接生成咬合導板，既能簡化術前準備程序，還能進一步提高手術的準確性和確保更好的術后效果。
