三維測量技術(shù)在顱頜面結(jié)構(gòu)和手術(shù)中的應(yīng)用

谷 天，陳 嵩

(口腔疾病研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室華西口腔醫(yī)院，四川 成都 610041)

顱頜面部是復(fù)雜的幾何體，準(zhǔn)確了解其結(jié)構(gòu)有助于制定更有效的診療計(jì)劃。以往學(xué)者們主要利用頭顱側(cè)位X線片對顱頜面結(jié)構(gòu)進(jìn)行二維的測量研究[1-8]，但二維測量技術(shù)存在放大失真、解剖結(jié)構(gòu)重疊等問題[9]，因此并不能準(zhǔn)確表示顱頜面部結(jié)構(gòu)，學(xué)者們也無法準(zhǔn)確地利用二維測量技術(shù)進(jìn)行相關(guān)研究。近年來，三維成像技術(shù)不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助三維測量技術(shù)憑借其空間高準(zhǔn)確性，已在顱頜面部的研究中獲得越來越廣泛的應(yīng)用。本文就三維測量技術(shù)在顱頜面結(jié)構(gòu)和顱頜面手術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)行綜述。

1 三維測量技術(shù)的優(yōu)勢

近年，針對顱頜面部的三維成像技術(shù)已經(jīng)有了較大的發(fā)展，如三維CT技術(shù)、錐束CT技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)、近景立體攝影技術(shù)、結(jié)構(gòu)光技術(shù)、核磁共振系統(tǒng)等。三維CT技術(shù)可以獲取清晰逼真的立體圖像，可以任意角度旋轉(zhuǎn)、切割，直觀地顯示顱頜面各個部位以及周圍解剖結(jié)構(gòu)間的位置關(guān)系[10]；錐束CT技術(shù)掃描范圍靈活、圖像精確、成像迅速、偽影少，線性及角度測量誤差也分別在1 mm及1°以內(nèi)[11-12]；三維激光掃描技術(shù)耗時(shí)短、抗干擾能力強(qiáng)、立體重構(gòu)快捷，利用該技術(shù)掃描后數(shù)字化的仿牙模具模型測量后發(fā)現(xiàn)與實(shí)物測量的金標(biāo)準(zhǔn)間差異很小，準(zhǔn)確性可達(dá)(0.001 2±0.05)mm[13]；近景立體攝影技術(shù)非介入、速度快、無輻射，因此可重復(fù)拍攝，可用于和面部軟組織重建及測量[14]；結(jié)構(gòu)光技術(shù)利用三角測量原理捕獲三維信息，Ma等[15]用該技術(shù)重復(fù)掃描已做標(biāo)記的石膏模型并對掃描后數(shù)字化的模型進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)其精確度為0.93 mm，準(zhǔn)確度為0.79 mm，可靠性為0.2 mm；核磁共振系統(tǒng)對軟組織細(xì)微特征有超強(qiáng)分辨力，尤其適用于頭頸部影像收集[16]。

綜上，與二維測量技術(shù)相比，建立在三維成像技術(shù)上的三維測量技術(shù)最大的優(yōu)勢在其較高的準(zhǔn)確性。不少學(xué)者也對三維測量技術(shù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行了研究。2004年，Adams等[17]對3D-CT在顱骨測量上的準(zhǔn)確性進(jìn)行了比較，他們以來自精密卡鉗建立的物理測量作為金標(biāo)準(zhǔn)，將在CT上測得的數(shù)據(jù)與在傳統(tǒng)X線片上的進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)二維測量方法的誤差范圍為(-17.68～+15.52) mm，而在3D-CT上測量結(jié)果的誤差范圍是(-3.99～+2.96) mm，準(zhǔn)確度提高了4～5倍(圖1)，Cavalcanti等[18]對此也得出了相似結(jié)論。2008年Khambay等[19]對Di3D的準(zhǔn)確性與可重復(fù)性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示Di3D重復(fù)性獲取標(biāo)志點(diǎn)的范圍是0.11～0.14 mm，在臨床接受的0.2 mm的范圍內(nèi)，這說明Di3D在獲取面部信息的精確性有了很大的改進(jìn)。2012年Nur等[20]對就同一對象的顱頜面部拍攝的傳統(tǒng)X線正位片與CBCT正位片上的相同21項(xiàng)包括線距、角度、比率等指標(biāo)的測量結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)線性測量上2D與3D的準(zhǔn)確性有顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，但在角度與比率測量上二者無明顯差異。

2 影響三維測量技術(shù)準(zhǔn)確性的因素

2.1 面部不自主運(yùn)動

2012年，Lubbers等[21]采用3dMDface系統(tǒng)研究面部不自主運(yùn)動對測量結(jié)果的影響。兩位研究者以自己為研究對象，在給面部做好61個標(biāo)志點(diǎn)后保持頭部處于自然狀態(tài)，使FH線與地面平行，利用3dMDface系統(tǒng)給自己面部拍攝20次影像，每兩次間的拍攝間隔為10 min，用于放松面部肌肉。前期研究顯示該系統(tǒng)的平均技術(shù)性誤差為0.09 mm。進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析處理后得到的誤差為0.41 mm，因此面部不自主運(yùn)動引起的誤差為0.32 mm，遠(yuǎn)超過技術(shù)性誤差，這說明面部的不自主運(yùn)動對使用3dMDface系統(tǒng)進(jìn)行頭影測量有影響，在進(jìn)行后續(xù)研究的時(shí)候需要排除這一項(xiàng)干擾。

2.2 測量者經(jīng)驗(yàn)

Gwilliam等[22]讓30個醫(yī)師在已掃描的6個3D面部影像上對24個給出的標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，并計(jì)算30個醫(yī)師之間標(biāo)記結(jié)果的差異。結(jié)果顯示不同醫(yī)師對所使用的系統(tǒng)的熟悉程度對結(jié)果有較大影響，而他們的經(jīng)驗(yàn)也提示了測量結(jié)果的不同。標(biāo)記點(diǎn)的可重復(fù)性與測量者的經(jīng)驗(yàn)沒有直接的聯(lián)系，但越有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)師對標(biāo)志點(diǎn)的標(biāo)記結(jié)果彼此間越接近。

2.3 面部標(biāo)志點(diǎn)的提前標(biāo)記

Aynechi等[23]利用三維成像技術(shù)獲取受試者面部影像，并對影像進(jìn)行顏貌分析。他們就獲取圖像前是否標(biāo)記標(biāo)志點(diǎn)對測量準(zhǔn)確性有無影響進(jìn)行了研究。他們選取了19個標(biāo)志點(diǎn)，進(jìn)行了18項(xiàng)線距的測量，并將提前標(biāo)記與未提前標(biāo)記的測量數(shù)據(jù)與作為金標(biāo)準(zhǔn)的卡鉗測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。結(jié)果顯示兩種測量方法與金標(biāo)準(zhǔn)都十分接近，但提前標(biāo)記組有7個測量項(xiàng)，未提前標(biāo)記組有6個測量項(xiàng)，P值均小于0.01。但Aynechi同時(shí)指出，雖然P<0.01，但測量結(jié)果差異幅度<2 mm，在臨床上可認(rèn)為此差異沒有意義。

3 三維測量技術(shù)在顱頜面結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用

3.1 正常人群顱頜面部結(jié)構(gòu)的研究

對正常顱頜面部結(jié)構(gòu)的正確認(rèn)識有助于對各類顱頜面部畸形有進(jìn)一步的理解。2007年Baik等[24]運(yùn)用激光掃描技術(shù)對60名正常牙合成人進(jìn)行面部掃描，利用Rapidform 2004 program對面部影像重建后建立軟組織的三維圖像參考平面及三維坐標(biāo)系，在三維圖像上確定29個標(biāo)志點(diǎn)，以此進(jìn)行了39個線性指標(biāo)、8個角度、29個線距比的測量，測量結(jié)果可能作為一個3D的評價(jià)面部圖像的標(biāo)準(zhǔn)。2012年Ghobril等[25]對60名Ⅰ類牙合人群面部進(jìn)行掃描，建立三維坐標(biāo)系，選擇不同的腔洞進(jìn)行體積計(jì)算。計(jì)算所得各腔洞體積比大概為上頜竇：男性20.9%，女性19.1%；眼眶腔：男性13.4%，女性14.7%；鼻腔篩竇：男性29.7%，女性30.2%；口腔：男性36%，女性36%。

3.2 顱頜面畸形人群的研究

過去學(xué)者們曾利用二維測量技術(shù)對顱頜面畸形人群進(jìn)行研究[2，6]，但他們的測量結(jié)果都僅展示了側(cè)位片所見的平面上的線距、角度、比率等。2003年Takashima等[26]對10名青春期前的顱面短小癥患的面部照片、牙模、X線片、螺旋CT和三維重建后的圖像進(jìn)行研究，用以驗(yàn)證提出的4種關(guān)于顱面短小癥患者咀嚼肌形狀及體積的特點(diǎn)的假設(shè)。他們對咬肌、翼外肌、翼內(nèi)肌及顳肌的體積、肌肉總周長和相應(yīng)橫截面面積的比值進(jìn)行測量計(jì)算，并觀察耳、下頜、牙的畸形對咀嚼肌是否有影響。結(jié)果顯示4塊咀嚼肌在患側(cè)的體積明顯小于健側(cè)，并且其患側(cè)肌肉形狀與健側(cè)相對比更不規(guī)則，耳、下頜、牙的畸形也不能判斷患者顱面短小癥的嚴(yán)重程度。Yanez等[27]在2011年對20個面部不對稱病人的頭骨進(jìn)行3D-CT掃描并重建，與面部對稱人群進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)下頜角點(diǎn)是最不對稱的一個點(diǎn)，因此在制定治療方案時(shí)應(yīng)當(dāng)有所考慮。

3.3 顱頜面部發(fā)育的分析評估

三維測量技術(shù)在軟組織的研究方面較二維測量技術(shù)有巨大優(yōu)勢，因此很多學(xué)者將其用于軟組織相關(guān)研究。2013年Brons等[28]嘗試建立一個兒童面部軟組織分析的三維參考系用于分析評估伴或不伴口面部裂的嬰兒及兒童的面部軟組織的生長情況。他們選取了39名嬰兒及兒童作為研究對象，讓兩名實(shí)驗(yàn)人員對獲取的研究對象的三維面部影像軟組織標(biāo)志點(diǎn)及參考系進(jìn)行定位，對他們的標(biāo)記結(jié)果進(jìn)行疊加后計(jì)算Pearson相關(guān)系數(shù)，以證明標(biāo)記點(diǎn)的可靠及可重復(fù)性。實(shí)驗(yàn)證明利用建立的這個參考系可以對不同年齡拍攝的同一對象的面部軟組織三維影像進(jìn)行疊加，以直觀觀察其面部軟組織的生長情況。

4 三維測量技術(shù)在顱頜面手術(shù)中的應(yīng)用

4.1 評估手術(shù)效果

不同于二維測量技術(shù)對手術(shù)前后硬組織的改變或僅是側(cè)貌的軟組織邊緣的標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行研究[5]，三維測量技術(shù)更多的是對軟組織的改變進(jìn)行研究。2009年Jung等[29]利用3D-CT對下頜前突及面部不對稱患者下頜后退術(shù)后軟、硬組織的改變進(jìn)行了研究。患者根據(jù)下頜偏移程度分為兩組，均拍攝術(shù)前1個月及術(shù)后6個月的影像，然后根據(jù)眼眶位置(手術(shù)對其位置無影響)對兩次拍得的影像進(jìn)行疊加，再對已定義的標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行線距及角度的測量，組間、組內(nèi)比較顯示水平向及前后向的改變較大，并發(fā)現(xiàn)硬組織并沒有顯著的移動，軟組織的顯著移動多因口輪匝肌及軟組織的張力而發(fā)生。2010年Baik等[30]利用三維激光掃描技術(shù)對進(jìn)行了正頜手術(shù)的安氏Ⅲ類錯頜畸形患者的手術(shù)效果進(jìn)行評估。Baik采用了與Jung類似的方法，將術(shù)前術(shù)后的影像進(jìn)行疊加以直觀看到下頜術(shù)前術(shù)后的改變。2012年Shimomatsu等[31]利用色彩的不同直觀地顯示出正頜手術(shù)前后下頜畸形患者面部中下份軟組織突出面積的改變。

4.2 輔助顱頜面部診療計(jì)劃的制定

2005年Akira等[32]提出了CBCT可以用于幫助診斷及制定治療計(jì)劃。CT在醫(yī)學(xué)診斷及成像方面已取得了巨大進(jìn)展，但因?yàn)槌杀靖摺⒖臻g要求大、高輻射量等因素在口腔的臨床工作中并沒有得到廣泛應(yīng)用。隨著Limited cone-beam dental CT(3DX)的發(fā)明，CT也能在口腔臨床工作中得到應(yīng)用。Akira研究了3個案例來證明3DX在制定診療計(jì)劃方面的實(shí)用性：①左上第2前磨牙的延遲萌出；②上頜第2雙尖牙的嚴(yán)重嵌塞；③顳下頜關(guān)節(jié)紊亂。研究表明3DX能夠提供比常規(guī)X線圖像更多、更準(zhǔn)確的信息，在制定診療計(jì)劃上也能更全面、準(zhǔn)確。2012年Centenero 等[33]對16名需進(jìn)行正頜手術(shù)治療的骨性錯頜畸形患者的顱頜面部三維影像進(jìn)行拍攝，隨后利用CAD/CAM技術(shù)在Simplant OMS 10.1這個軟件中按照設(shè)定模擬手術(shù)流程，對軟、硬組織的改變進(jìn)行預(yù)測，并對不同外科夾板(surgical splints)進(jìn)行模擬，幫助醫(yī)師決定該如何制作外科夾板使手術(shù)效果最理想。隨后他們對這16名對象術(shù)后3個月的顱頜面三維影像進(jìn)行拍攝，并對兩次獲得的圖像上的線距、角度等17項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測量、分析，最后得出利用Simplant OMS軟件進(jìn)行手術(shù)計(jì)劃、模擬并決定外科夾板的制作是可靠的。

5 展望

三維測量技術(shù)憑借其高準(zhǔn)確性，近年來已得到廣泛的應(yīng)用。目前學(xué)者們利用三維成像技術(shù)已完成了許多僅利用二維成像技術(shù)無法完成的工作，但仍需開展更多的研究，進(jìn)一步分析三維測量技術(shù)所獲得的除線距、角度外更多的顱頜面相關(guān)測量結(jié)果，如體積、曲率、突度等，從而建立并完善不同人群顱頜面結(jié)構(gòu)的平均值，對軟、硬組織三維影像進(jìn)行匹配研究。隨著三維成像技術(shù)的發(fā)展、計(jì)算機(jī)輔助軟件的進(jìn)一步開發(fā)，三維測量技術(shù)必將有更廣闊的應(yīng)用前景。

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