基于X線和激光掃描的顱面部三維重建與手術模擬系統的研究

周洪 張艷寧 馮耀普 侯玉霞

基于X線和激光掃描的顱面部三維重建與手術模擬系統的研究

周洪1張艷寧2馮耀普1侯玉霞1

（1.西安交通大學口腔醫院 正畸科，西安 710004；2.西北工業大學 計算機學院，西安 710068）

牙頜面畸形的發病與治療均涉及顱面部頜骨、牙齒、軟組織的三維空間結構改變。對顱面部形態進行三維的測量與分析多年來一直是國內外學者研究的熱點問題。目前，對于單一組織都能較為精確捕獲它們的三維信息，但是單一組織不能全面反映顱頜面各部分之間的解剖關系，因此多結構多方法聯合重建成為形態學研究的方向。本課題組用頭顱定位X線片和激光掃描獲取顱面部軟硬組織圖像數據，研究開發顱面部軟硬組織三維重建及正頜手術模擬、預測系統，為顱面畸形的診斷、治療方案確定和定量控制、預后評估提供新的途徑。

頭顱定位X線片； 三維重建； 激光掃描； 顱面復合體

顱頜面的畸形常表現為頜骨、牙齒、軟組織三維空間結構的異常，三維的顱面部形態分析能夠提供更準確和全面的信息用于畸形的診斷和治療方案的制定。以往對于顱面部三維形態重建的方法包括X線片、CT掃描、核磁共振、莫爾云紋、立體攝影、激光掃描等。這些方法雖然都可以建立三維模型，但都存在著一定的缺點，如精度不足、射線暴露多、重建技術復雜等，阻礙了它們在臨床上的推廣使用。

X線頭影測量技術自1931年由Broadbent開創以來，在正畸與正頜外科臨床中應用最為廣泛，是研究顱面生長發育、牙頜畸形的重要手段。隨著數字化頭影X線片的問世，為基于X線片的三維重建帶來更好的應用前景[1]。激光掃描三維重建技術是目前最先進的形態學研究技術，具有成像快、精度高、操作方便的特點。本課題組擬采用數字化X線攝影和激光掃描的方法，建立一種易于操作、快速重建、射線暴露少的面部軟硬組織三位重建和測量分析系統，為顱面畸形的診斷、治療計劃制定和定量控制、預后評估提供新的途徑。

1 基于X線片的顱面部硬組織三維重建

雙平面X線立體攝影技術是目前常用的三維重建方法，它基于雙目視覺的原理，用2張同期拍攝的正交X線片建立三維坐標系，獲得顱面部標志點的三維坐標，從而進行距離、角度及比例指數的測量，將標志點連接描繪顱頜骨骼結構的三維框線圖[2-3]。Nguyen等[4]在干頭顱的正側位片上選定121個特征點，在三維坐標系中將這些點連接，特征點之間通過線性平滑處理，最終生成骨組織的三維輪廓圖。由于受標志點數量的制約，故三維框線圖及輪廓圖都不能準確地反映顱面部三維形態，不利于牙頜畸形的觀察、手術模擬和形態預測。基于CT影像的三維重建技術能夠立體、逼真地再現顱頜面解剖形態，但是薄層CT（1～1.5mm）掃描帶來的過多射線暴露嚴重限制了它的臨床應用。鑒于X線及CT建模的特點，本課題組采用以CT頭顱標準模板為基礎的形變建模方法，首先選擇7個正常面型的志愿者建立CT頭顱標準模板，進一步將頭顱定位X線片上標定的64個特征點（圖1），與CT標準模板上相應的點匹配、模板形變后，即可獲得具有個體面型特征的顱面部硬組織三維模型（圖2）。

2 基于激光掃描的顱面部軟組織及牙頜模型三維重建

基于光學三角測量原理的三維激光掃描能夠獲得物體表面各采樣點的三維坐標，構建物體的三維數字模型。Moss等[5-6]最早將氦氖激光掃描用于面部軟組織的三維形態的測量研究。近年來隨著硬件和測定計算方式的改良，新型的激光掃描系統具有更高的精確度和方便性。Kusnoto等[7]對牙頜模型和面部三維激光掃描精度的研究顯示：磨牙寬度測量精度為0.2mm，上腭深度測量精度為0.7mm，面部模型的精度達到（1.9±0.8）mm。Kovacs等[8]在對面部三維建模標準的研究中，利用Vivid910激光掃描儀在不同實驗條件下對5位志愿者進行掃描，分析獲得最佳掃描精度的條件。國內的學者劉林等[9]利用Vivid910型三維激光掃描儀采集2例面部畸形患者信息重建其面部圖像，并開發可進行13個定點、3項線距、2個角度測量的測量系統。龍麗華等[10]利用Vivid910型三維激光掃描儀采集28名個別正常頜志愿者面部軟組織數據，并進行43個標志點、104項三維自動測量，通過與直接測量法的比較研究表明：71%的點距測量差值小于2mm，16%的點距測量差值為2～3mm。

3 基于X線片及激光掃描的顱面部三維重建系統

完整的顱面部三維模型應包括骨組織、軟組織、牙頜模型三維信息。單一的技術很難實現顱面部軟硬組織的同期重建，以往的聯合重建方法有激光與CT、激光與X線片、顱面部及牙頜模型的激光掃描、CT與立體攝影、CT與照片等；但是，目前還沒有一種聯合重建的方法能夠滿足臨床應用的要求。

激光掃描與數字化X線片聯合重建，具有操作方便，射線暴露量低，軟組織重建準確的優點。1999年，Okumura等[3]利用頭顱正側位X線片，基于雙平面攝影原理重建各解剖標志點的三維坐標，并用標志點構成顱頜面骨骼三維框線圖；同時利用激光掃描獲取牙頜模型的三維圖像，再將二者擬合，構建了具有三維功效的圖像。2005年，Nakasima等[11]利用頭顱X線片、面部照片及牙頜模型初步建立了頭部的三維模型。2007年，Noguchi等[12]利用激光掃描獲取面部軟組織和牙頜模型的三維數據，然后在Surface圖像軟件的幫助下，利用映射匹配技術將其整合到由頭顱正側位X線片所確立的參考坐標系中，再與形變后的下頜骨模板結合，得到了帶有牙齒的下頜骨及軟組織三維模型，并對1名下頜后退手術患者進行了術后容貌預測。該方法結合的下頜骨形變技術，是對以往建模手段的大膽創新，但是由于未形成完整的顱頜硬組織形態，使其在臨床應用中受限。

以二維頭顱正側位X線片為數據源，對CT頭顱標準模板進行形變，可得到具有患者面部特征的硬組織三維模型（圖3）。激光掃描獲得面部軟組織和牙頜模型的三維數據。在同一坐標系中實現牙頜模型和硬組織的匹配、軟組織模型和硬組織模型的擬合，形成完整的顱頜面硬、軟組織三維結構模型（圖4）。

4 三維正頜手術模擬和預測系統的研究

目前，計算機輔助的顱頜面三維手術模擬、預測系統有兩種，其一是基于雙平面X線立體攝影技術的三維手術模擬；其二是基于CT圖像的三維手術模擬。

基于雙平面X線立體攝影技術的手術模擬是在頭顱正、側位片重建的顱面部三維模型上進行多種正頜手術模式的模擬。1999年，Chen等[13]利用X線片結合激光掃描的方法建立正頜手術模擬預測系統。該系統先將軟、硬組織數據文件輸入交互編輯的程序，再由外科醫生在臨床檢查診斷的基礎上決定截骨的方式；但該方法重建的圖像是三維骨骼框線圖，手術模擬預測的效果不夠直觀。

本課題組在構建出包括顱面部硬、軟組織三位一體的模型基礎上，實現了正頜手術虛擬和軟組織形態預測。

在研發軟件的Load MultiModel窗口中載入形變重建的三維模型，根據手術類型選擇所需要切割的骨塊，進行骨塊移動的模擬。在硬組織移動的基礎上，采用硬軟組織移動比率結合曲面插值的方法來預測術后軟組織形態。本系統可進行塊狀切割和多元化切割（圖5、6），不僅能夠模擬幾種經典的正頜外科術式，還可以利用系統的多元化切割功能模擬復雜切割方案。

本系統提供有7種常用手術模式下的軟硬組織位移比率關系，其中5種單頜手術，2種雙頜手術。在Correlation of Skull and Face窗口下，分別載入患者術前軟組織三維模型，面部初始特征點和術后面部目標特征點，利用曲面插值算法對軟組織模型進行形變，得到患者術后的軟組織容貌特征，其手術前和手術后的圖像見圖7。

5 討論

顱頜面的關系為三維空間結構關系，顱頜面的畸形常表現為三維空間結構的異常。顱面部復雜的三維結構使其定性描述和定量測量都相當困難。本研究基于X線及激光掃描不僅實現了顱面硬、軟組織及牙頜模型單一組織的重建，并且實現了軟組織、硬組織和牙頜模型的高效擬合，重建了反映顱面結構的三維模型，從而，有助于牙頜面畸形的精確判斷與分析。

基于CT掃描的顱面部三維重建及手術模擬預測系統具有精確性高、可重復性好的特點，螺旋CT繪制顱面三維結構的測量準確度平均為0.83%，CT建模測量值之間平均差值僅為0.14mm，個體間的測量誤差為0.03mm[14-15]。國內外也有很多中心建立基于三維CT的顱面部三維重建及模擬仿真系統，如南加州大學學者虛擬正頜患者建立了一個數字化的平臺，可以在平臺上進行顱頜面護理的模擬、教學和研究。顧澤旭等[16]開發的正頜外科診斷分析、手術模擬及術后預測系統等。但是高質量的三維重建依賴于超薄層的掃描，比普通CT檢查接受的射線量多4～10倍。由于超薄層掃描電離輻射較大，故無法建立人群的正常值CT數據庫，無法將畸形患者資料與正常人進行比較。這些原因都限制了CT在口腔臨床中的廣泛應用。頭顱正側位X線片攝影技術成熟、電離輻射小，它是正畸、正頜外科治療的常規檢查項目。基于術前常規拍攝的正側位X線片，重建患者顱面硬組織三維模型，避免了術前CT掃描的射線危害，相對于CT重建，本系統價格低廉，圖像清晰度較好，性價比優越。

模型數據量的大小和重建效果密切相關。模板的數據量越高，重建效果越清晰，但對計算機硬軟件技術支持要求越高。基于X線片及激光掃描的這一系統，在保證重建效果的基礎上，對標準模板和激光掃描數據進行了算法優化，CT標準模板數據量是CT重建結果數據量的1/（30～300），僅403 kb。激光掃描數據重建牙頜模型僅378 kb，軟組織僅約1 600 kb。進行軟、硬組織和牙頜模型擬合后的完整的三維精細模型，僅約2 300 kb。

基于X線片及激光掃描三維顱面結構正頜手術模擬及軟組織形變預測系統，手術模擬過程中，可任意定義截骨平面，不受傳統術式限制，有利于術式的改良和創新；骨塊截取工作簡捷準確，在完成多次切割后尚可進行碎片的拼接；所有操作均可交互式反復進行，以利于獲得最佳的手術方案。術后軟組織預測系統，除了正中矢狀面軟硬組織移動比率相關特征點，同時根據不同的術式也加入了三維方向上的軟硬組織移動比率相關特征點，結合曲面插值形變預測通過特征點的變化來帶動臨近點位置的改變，變化比率由特征點向四周呈線性遞減，從而使軟組織容貌預測結果更精準。

本系統在準確度方面有待進一步研究和改進，采集X線片及激光掃描過程中可能存在面部表情和頭位的變化；眶區和鼻區結構復雜區域的形變重建誤差較大，重建術后容貌預測主要基于有限的二維軟硬組織移動比率關系的數據，尚不足以為軟組織的三維變化預測提供精確的指導。相信隨著軟組織形變算法的完善及軟硬組織變化三維數據庫的充實，預測結果會更加精準。

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Three-dimensional reconstruction and orthognathic surgery simulation system of craniofacial region based on cephalogram s and laser scanning

Zhou Hong1,Zhang Yanning2,Feng Yaopu1,Hou Yuxia1.（1.Dept.of Orthodontics,Stomatological Hospital,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710004,China;2.Dept.of Computer,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710068,China）

Craniofacial malformation was related to the shape and structure of the teeth,jaws and face.Assessment of craniofacial complex in three-dimensional（3D） has long been a focus for many researchers.At present,3D imaging techniques could reconstruct the craniofacial soft tissue or hard tissue successfully.However,they couldn’t reflect the comprehensive structure of craniofacial complex.For the study of the craniofacial complex,combination of 3D imaging techniques provides a promising way toward optimum 3D imaging.The purpose of this study was to reconstruct the 3D images of craniofacial hard and soft tissue based on cephalograms and laser scanning,to found the 3D measurement and orthognathic simulation and forecast system,which may provide a new method for analyzing of craniofacial malformation,and for the quantity control and evaluation of treatment results in the orthodontic treatment,orthopedics and plastic operation.

cephalogram； three-dimensional reconstruction； laser scanning； craniofacial complex

R 782.2

A

10.3969/j.issn.1000-1182.2011.04.001

1000－1182（2011）04-0339-05

2010-10-29；

2011-04-10

周洪（1957—），男，湖北人，教授，學士

周洪，Tel：029-87281409

（本文編輯 湯亞玲）