糖尿病伴牙周炎患者下頜前磨牙剩余牙槽骨內牙根三維模型的建立

牙周炎已被列為糖尿病的主要并發癥之一，是引起糖尿病患者牙齒松動、脫落的直接原因。研究表明，糖尿病可加重牙周組織破壞，牙槽骨喪失明顯增加[1-2]。相對于常規型牙周炎，當糖尿病伴牙周炎患者的牙周組織受到炎癥侵襲及創傷刺激時，牙槽骨吸收形態更加復雜，吸收程度更重，更易導致牙齒的松動甚至脫落[3]。傳統二維圖像很難對其牙槽骨喪失情況進行準確判斷，隨著錐束計算機體層攝影術（cone beam computed tomography，CBCT）被廣泛的應用于口腔疾病的診斷與分析中，并與數字化軟件的圖像分割技術相結合，使得活體個性化牙根三維模型的建立成為可能[4]。建立剩余牙槽骨內的牙根三維模型，對精準測量糖尿病伴牙周炎患者的剩余牙槽骨和牙槽骨的喪失程度，制定精準治療方案具有重要意義。本研究旨在通過CBCT圖像數據建立糖尿病伴牙周炎患者下頜前磨牙剩余牙槽骨內的牙根三維模型，以期為剩余牙槽骨量的三維準確測量研究提供基礎模型。

1 材料和方法

1.1 材料來源 選擇2019年2月在空軍特色醫學中心口腔科就診的糖尿病伴牙周炎志愿者1例，男，60歲，對患者分別進行血糖控制和牙周基礎治療。空腹血糖控制在8.88 mmol/L以下，牙周基礎治療包括口腔衛生宣教、自我控制菌斑、正確有效的刷牙、齦上潔治術、咬合調整消除咬合性創傷，牙周局部上2%碘甘油，4次/d等，療程14 d。患者對本研究知情，并簽署知情同意書。

1.2 實驗設備和軟件 CBCT（KaVo 3D eXam，卡瓦公司，德國），電壓84 kV，電流450 uA，層厚25 um；醫學影像學軟件Mimics18.0（Materialise公司，比利時）；計算機主機，配置：Intel（R）Core（TM），i5-6500 CPU@3.2GHz，4.0 GB內存，Windows7操作系統。

1.3 方法

1.3.1 CBCT圖像的獲得 CBCT掃描參數為：管電壓84 kV，管電流450 μA，層厚25 μm，曝光時間26.9 s，顯示矩陣像素0.25 mm，患者坐位，眶耳平面和地平面平行，頭部置于CBCT掃描架中，牙列正中咬合，進行CBCT大視野掃描，以0.25 mm體素分辨率保存為DICOM格式體層數據。

1.3.2 分割提取活體牙根 應用醫學影像軟件Mimics 18.0中的Import Image命令導入患者的DICOM格式的體層數據，增強導入的CBCT圖像（圖1）。由于不同組織灰度值不同，因此通過閾值來提取研究所需的目標組織，故閾值的設定是否準確是提取牙體組織的關鍵。經多次調整CBCT斷層圖像的閾值參數后，定為Min800～1 200 HU，Max3 071 HU，分別在最小閾值800 HU和1 200 HU時建立下頜各個蒙版（Mask）層，然后將2個最小閾值建立起來的Mask層重疊，運用Edit Mask中的Erase工具對除了右側下頜第一前磨牙以外的器官進行擦除，以此區分開頜骨及牙齒，從而獲得右側下頜第一前磨牙的三維數字模型（圖2）。在CBCT掃描的過程中，出現的噪聲可能導致牙體組織部分信息丟失，進而在獲得的模型中形成空洞，本研究運用Draw工具進行空洞填補，使得模型更加平滑，也更接近牙齒真實的解剖形態（圖3）。

圖1 Mimics下導入DICOM格式圖像

圖2 右側下頜第一前磨牙三維模型側面圖

圖3 空洞填充前后同一切面圖

1.3.3 確定剩余牙槽骨吸收邊界 在獲得的CBCT斷層圖像中，包含右側下頜第一前磨牙的斷層圖像共28張。運用Point工具從右側下頜第一前磨牙的遠中面中1/3與剩余牙槽嵴交點處取點，沿著剩余牙槽嵴每兩張斷層圖像取一次點，共取得14個點。將取得的14個點連起來，得到剩余牙槽骨的邊界曲線（圖4）。

圖4 牙槽嵴取點示意圖

1.3.4 剩余牙槽骨內的牙根三維模型的建立 運用曲線切割的原理，用取點連線的方法定義出剩余牙槽骨邊界的切割曲線，此曲線切割面垂直于視平面，采用Cut命令將右側下頜第一前磨牙這個對象分成彼此獨立的2個3D對象，僅留下剩余牙槽骨內的牙根三維模型，切割軌跡將在3D中實時顯示，如果切割深度沒有切透，將被視為無效切割，故應對切割深度予以重視，以免影響模型的精度及研究效率。

2 結果

成功建立了糖尿病伴牙周炎患者下頜前磨牙剩余牙槽骨內的牙根三維模型，該模型清晰完整，可從不同角度觀察和精準測量剩余牙槽骨內的牙根三維形態和參數（圖5）。本例右側下頜第一前磨牙的牙根總長度為16.80 mm，牙根總表面積為212.65 mm2，牙根總體積為219.68 mm3，剩余牙槽骨內的牙根長度為13.24 mm，牙根表面積為164.85 mm2，牙根體積為160.45 mm3。

圖5 剩余牙槽骨內牙根三維視圖

3 討論

3.1 圖像數據的獲取 原始圖像數據的獲取是三維模型建立的基礎，其獲取方法多樣，各具特點。激光三維掃描技術應用于口腔領域，可快速獲取牙頜圖像數據，在口外對石膏牙模型的掃描精度可達到0.01 mm以上，采集點云圖像后重建出的三維模型像素清晰，足以達到臨床要求[5-6]，但成本相對較高，若在口內進行掃描，時常出現盲點，加上激光掃描存在反射，故重建出的三維模型往往需要重構[7]。此外，用激光掃描技術只能對牙冠等可見部分成像，而CT設備可對牙齒、牙槽骨等硬組織進行影像顯影，三維重建后可間接獲得牙根的三維形態信息。多層螺旋CT（Muti Slice CT，MSCT）雖與以往的單層螺旋CT比較，在數據處理系統和探測器結構方面均有了根本性的改進，使其分辨率提高，掃描速度加快，后處理圖像的質量也有很大改善[8]，Hashimoto等[9]分別使用Morita 3DX牙頜面錐束與Toshiba Asterion Super 4層螺旋CT掃描厚度約2 mm的人頜骨鋸層標本，對圖像質量進行對比研究。方冬[8]也針對Implagraphy CBCT與MSCT的圖像質量做了比較，結果在顯示牙槽骨、牙及牙周組織等細小解剖結構時，無論從圖像的解剖形態方面，還是在圖像的細膩程度、銳利度方面，CBCT的能力均高于MSCT。本研究本著CBCT輻射劑量小、獲得信息全面、掃描無創傷和破壞性、操作方便等優點，對患者顱頜面進行CBCT掃描，獲得三維模型的原始數據，以滿足后期對數字化牙頜模型牙根分割的需要。

3.2 牙根的分割提取 牙根的三維解剖形態是臨床上影響口腔修復效果的重要因素，其中下頜前磨牙是重點研究的對象之一[10]。Mimics是Materiaise公司交互式的醫學影像控制系統，是一套高度整合而且易用的3D圖像生成及編輯處理軟件，它將輸入的CBCT掃描數據生成牙頜三維模型，再運用軟件提供的灰度閾值、區域增長、形態學操作即布爾運算等分割工具，幫助口腔醫師快速方便的突出感興趣的區域，即下頜前磨牙的牙根所在區域。本研究首先遇到的難題就是牙根的分割，原因一是整個牙體組織密度不均勻，從牙冠到牙根密度逐漸降低，這使得CBCT序列切片圖像中不同位置牙體組織的灰度值不同，在Mimics軟件中針對牙根的分割很難劃分統一的灰度閾值；二是牙根與牙槽骨物理位置接近，約0.15～0.38 mm，且二者密度相似，因CBCT放射劑量較小，在CBCT影像中兩者灰度值較接近，故邊界難以被清晰識別[2]；三是由于牙根某些部位存在不規則性，在CBCT序列切片圖像個別區域會出現偽邊界或邊界缺失。準確的設置閾值是提取目標牙根組織的關鍵，本研究采用半自動分割的方法來提取牙根，期間多次改變灰度閾值的左象限，通過查看圖片檢查提取的組織是否合適，發現閾值左象限設置的太低，會提取許多噪點，閾值左象限設置的太高，會出現目標牙根組織丟失，故本研究利用Mimics將提取的2種不同的像素放在一個蒙罩中，同時運用Mimics提供的一系列工具編輯修改蒙罩，從而提取研究所需的目標牙根組織，編輯好的蒙罩可用來生成3D模型，實現了2D斷層掃描圖片到三維實體模型的轉換。此方法在口腔醫生專業經驗的基礎上，對牙根的灰度圖像進行逐層編輯修改，大大提高了牙根三維模型的精度，但費時費力，效率還待進一步提高。

3.3 剩余牙槽骨內的牙根三維模型的建立 糖尿病伴牙周炎患者牙槽骨喪失的三維形態復雜，且病程發展迅速，口腔醫師需要在短時間內準確評估此類患者牙齒的功能狀態，除了冠根比這一傳統意義上的指標外，更看重牙根的牙槽骨支持面積及體積，因此，需要尋找一種簡單易行的方法，確定牙槽骨吸收邊界，對于此邊界的確定，先前鮮有報道。本研究運用Mimics軟件通過沿剩余牙槽嵴取點連線的方法定義剩余牙槽骨吸收邊界，曲線切割后建立起的牙根三維模型往往沒有經過任何優化，必須經過平滑步驟后，才能得到優化的三角片模型。本研究運用了Mimics軟件中的平滑操作，用來平滑牙根模型幾何體表面。平滑中有兩個重要的參數：平滑因子和迭代次數，平滑因子是0～1之間的一個系數，在遍歷并對每個單元重新賦值的時候，要考慮與該單元相鄰單元的拓撲形狀，使得牙根三維模型在形狀上不會太“突出”，不會太“離譜”，這樣才能達到平滑效果，迭代次數代表著平滑運算的次數，次數越高，平滑效果越好，計算也越慢，但平滑效果好不一定代表模型越真實，故本研究在獲得的三維模型能準確代表剩余牙槽骨內的牙根客觀實體的基礎上，盡量增加迭代次數，得到一個平滑美觀但相對準確的牙根三維模型。

臨床上想要估算出糖尿病伴牙周炎患者牙槽骨吸收的嚴重程度，仍需準確測量出剩余牙槽骨內的牙根長度、表面積及體積，進而計算出與牙根總長度、總表面積及總體積的比值，但如何通過這一系列數值準確反映出基牙牙根的形態與功能，尚有待進一步研究。

綜上所述，CBCT圖像結合數字化軟件圖像分割技術準確地建立了糖尿病伴牙周炎患者下頜前磨牙剩余牙槽骨內的牙根三維模型，為研究糖尿病伴牙周炎患者牙槽骨喪失的三維精準測量奠定了基礎，為臨床上多參數、全面評價糖尿病伴牙周炎患者基牙牙根的形態和功能提供了新方法。