錐形束CT三維頭影測量參考坐標系的研究進展

施丹妮 楊鑫 吳建勇

上海交通大學醫學院附屬新華醫院口腔科 上海 200092

自1931年有學者發明頭顱定位側位片拍攝技術并提出用頭影測量分析來指導正畸治療以來，頭影測量一直作為正畸醫生顱面部生長發育分析、畸形診斷、治療方案設計、矯治前后變化評估以及輔助顱頜面手術的重要工具。但二維X線頭顱側位片存在影像不規則放大、失真扭曲、組織結構重疊等問題，影響測量分析結果的準確性。為解決這些問題，Grayson等[1]于1983年通過整合頭顱正位片及側位片，提出了三維頭影測量分析的概念，而這種分析方式基于二維影像，并不能完整提供患者的顱面部三維信息。1998年，錐形束CT（cone beam computed tomography，CBCT）正式進入口腔領域，實現了顱頜面部三維結構的精確重建，大量學者開始研究基于CBCT影像的三維頭影測量分析。

想要建立完善的三維頭影測量分析系統，需要將顱頜面立體結構置于三維參考坐標系中，從而將標志點定位數字化、規范化、并進一步將數據公式化。

理想的頭影測量參考坐標系要滿足可靠性高、個體內重復性高、個體間差異小、簡便易操作這4項基本要求。根據參考坐標系的建立目的將其分為包含整個顱面部的整體參考坐標系，以及針對不同面部單位（如上頜、下頜、頦部等）的局部參考坐標系，為三維參考坐標系的建立提供指導。

隨著三維分析技術的不斷進步，大量臨床研究涉及到了三維頭影測量參考坐標系的建立，但仍未制定出統一的標準，進而阻礙了不同研究之間的橫向比較。

本文就近年來國內外CBCT三維頭影測量中參考坐標系建立的研究進展進行綜述，分別討論整體及局部參考坐標系在三維頭影測量中的定義、建立方法、特點及應用。為建立標準化、統一化的三維參考坐標系提供依據，以期推動三維頭影測量方法標準化的研究進展。

1 整體參考坐標系

整體參考坐標系由互相垂直的矢狀面、水平面（軸面）及冠狀面組成，分別將頭部分為左右、上下、前后兩部分。目前，構建整體參考坐標系的方式主要有自然頭位法和解剖標記點法，其中，自然頭位法需要用到特殊設備且操作復雜，因此，臨床中解剖標記點法構建三維參考坐標系應用更為廣泛。

1.1 自然頭位法

1.1.1 自然頭位的獲取方式 自然頭位即個體放松平視前方時頭部的生理位置，反映了自然狀態下頭面部的真實情況，具有良好穩定性和可重復性[2-4]，是公認的評價面部容貌的最佳參照基準[5]。

自然頭位的獲取方式分記錄自然頭位法，即被個體在自然放松狀態下自我調節擺出的頭位；以及評價自然頭位法，即醫生通過主觀認識調節個體的頭位，但由于受醫生主觀經驗的影響較大，相關研究較少[6]。

由于在拍攝CBCT的過程中需要使用頭部固定裝置，此時的頭位并非自然頭位[7]。因此，有研究者提出將記錄自然頭位與評價自然頭位相結合，將CBCT影像中的頭位校正為自然頭位，主要方式有數字化定位傳感器、激光水準儀法以及三維立體攝影技術。

數字化定位傳感器裝置能記錄俯仰、橫滾、側偏角的變化，可用于校正患者CBCT拍攝時的頭位。有學者[8-9]證實，數字化定位傳感器的應用可極大提高獲得自然頭位的可重復性。但頭戴式傳感器的自重會影響自然頭位準確性，而置于口內的設備則阻擋了上下唇圖像的獲取，影響圖像的配準。

激光水準儀[10]以紅外線光束投射于患者面部作參考線，再以標記點貼于面部標記與參考線重合，從而建立三維參考坐標系，但標記面部軟組織可能導致頭部輕微的偏移，且軟組織的可動性會影響參考坐標系的建立，同時，標記與照相步驟分離導致操作時間長，影響其準確性和操作便捷性。

Lam等[11]通過三維立體攝影技術拍攝參考板建立坐標系校正軟件中的頭位網狀模型，無需頭戴設備也不用在面部標記參考點。該方法為目前精確度最高的自然頭位記錄方法，但該方法需要增加面部掃描與三維數據融合配準過程，臨床實用性較差。

1.1.2 自然頭位下參考坐標系的建立 校正自然頭位后，平行于真性水平面作橫斷面，將顱面部分為上下兩部分，其中真性水平面與鉛垂線垂直同時與地平面平行，理論上是一個恒定不變的平面，不受顱面部生長發育的影響；過面中線垂直于橫斷面，作正中矢狀面；同時垂直于矢狀面和橫斷面作冠狀面，從而獲得在自然頭位下的整體參考坐標系。

1.1.3 自然頭位法特點及應用 Vinchon等[12]將參考平面分為內在參考平面和外在參考平面，內在參考平面由顱面部骨性標志點構建，外在參考平面則通過頭位、視軸等定義。自然頭位建立的參考坐標系均由外在參考平面構成，優勢在于不受面部不對稱或結構畸形的影響，且不存在定點誤差[13]。

該方法的局限性在于無法應用于斜頸、神經肌肉失調等難以找到自然頭位的患者。此外，Madsen等[14]驗證自然頭位的組內重復性，證實其組內偏倚小于2°，其差異具有統計學意義。但上述研究只檢驗了俯仰角的可重復性，未提及橫滾角和側偏角的可重復性[15]，其三維方向上的可重復性及準確性需要研究者在大樣本數據的基礎上進一步驗證。

綜上，自然頭位法建立的參考坐標系適用于受頭位影響較大的測量指標以及面部嚴重不對稱或畸形的研究對象，如上氣道容積、橫截面積、形態、走向的測量[16]，舌骨位置的形態特征分析，顱頜面手術的輔助分析等。

1.2 解剖標記點法

1.2.1 解剖標記點法定義 解剖標記點法即利用顱頜面部標志點對參考平面進行定義，其構建的平面均為內在參考平面[12]，且大部分由二維頭影測量引申而來，優勢在于無需限制受試者頭位，且長期廣泛應用于臨床，具備正常參考值。

該方法的局限性在于以下2點。首先，二維影像中建立的平面在三維影像中難以定義，如眶耳（Frankfort，FH）平面4點不共面問題，影響其準確性。其次，當存在面部不對稱或畸形的時候，參考平面會產生扭曲。

1.2.2 解剖標記點法建立參考坐標系 解剖標記點法建立三維參考坐標系，需要通過定位解剖參考標記點來定義3個參考平面，即水平面（軸面）、正中矢狀面、冠狀面。其中，冠狀面通常通過同時垂直于與正中矢狀面和水平面獲得。因此，水平參考平面和正中矢狀參考平面的確定至關重要。

水平參考平面的確定：多采用FH平面或者與之平行的平面。FH平面由眶下點和耳點構成，其與地面平行時的頭部位置曾被認為與自然頭位一致。但研究[17]證實，FH平面與地面平行時的頭位并非自然頭位。由于FH平面在二維頭影測量中一直作為頭顱定位的標準參考平面，目前三維頭影測量中的水平參考平面大多仍采用FH平面。

三維影像可以同時對4個點進行定位，但由于人體普遍存在不對稱性，這2對標志點常缺乏共面性。Oh等[18]比較雙側眶下點和耳點隨機三點所構成的4種FH平面與傳統二維影像FH平面的一致性，發現4種三維影像與二維影像的FH平面無明顯差異，但考慮到眶點定點容易、可靠性高，耳點定點重復性較差。

學者們[19]認為三維影像中FH平面定義可使用2個眶點和1個耳點。若患者面部存在明顯偏斜（如單側顱縫早閉的患者），三點定義FH平面則存在明顯偏差。對此，Pittayapat等[20]提出利用雙側耳點的中點與雙側眶下點構建FH平面，以及最佳擬合四點構建FH平面的方法，但應用于面部偏斜患者時準確性均不可靠。有學者[21]建議將外側骨半規管平面作為水平參考面，因該平面與重力有著恒定關系，相比于FH平面，其受面部不對稱、畸形的影響較小[22]。但外側半規管難以準確定位，且應用于嚴重畸形患者仍存在誤差，故目前應用較少。

正中矢狀參考平面的建立：由解剖標志點確定正中矢狀參考平面的方法主要有3種。一是先構建水平軸面，再選擇2個正中標志點的連線作垂直于水平軸面的正中矢狀面，該方法需定位的點較多，定點誤差較大，且由于只選擇2個正中標志點，微小的定點誤差就很容易造成正中矢狀面的偏移。二是選擇顱面部對稱結構（如左右側眶下點、左右側顴弓最突點）的中點作為正中矢狀參考標記點，但面部不對稱將導致這些標記點偏離正中矢狀面，此類標記點常與正中矢狀面結合評估面部不對稱性。三是利用三維空間中三點確定一個平面的方法直接建立正中矢狀面，此方法準確性最高，其關鍵在于找到構成正中矢狀面準確性最高的3個參考標記點。

關于參考標志點的選擇，研究[23]發現，顏面不對稱患者的面上2/3發育基本正常，變化主要在面下1/3，即上頜標記點具有更高的穩定性，能減少測量和計算誤差。Kim等[24]比較顱面部18個標記點構建的51個正中矢狀面，發現N點、盲孔點、蝶鞍（Sella，S）點、顱底（Basion，Ba）點、顱后點可作為構建穩定正中矢狀面的參考標志點。王嘉藝等[25]將5個標記點構成的10種正中矢狀參考平面進行比較，指出后鼻棘點因處于密度較低的軟組織中，三維重建時會丟失一些信息，導致可靠性降低，測量誤差較大。雞冠中心點（Crista galli，Cg）需要尋找結構中心點，而現有軟件沒有自主識別結構中心點的功能，故定點誤差較大。S、N、Cg三點構成的正中矢狀參考平面穩定性最差，提示平面定義時應盡量選擇分散距離較遠的點。研究結果顯示，S、N、Ba點確定的正中矢狀面準確性最高。

近年來，有學者[26]提出中顱底生長模式具有穩定性，故其通過蝶骨上的雙側棘孔中點與雙側卵圓孔中點建立CBCT參考系，目前尚未有研究評價其參與構建參考平面的準確性。

此外，由于軟組織會掩飾骨組織的不對稱性，Lee等[27]證實，軟組織點結合骨組織點，尤其是眼周軟組織點（如內眥點），對面部對稱性的評價分析更真實有效。因此在評價面部對稱性時，可引入軟組織標記點與骨組織標記點共同構建參考坐標系。

為消除正中矢狀面構建中的定點誤差，有學者利用結合鏡像法提取正中矢狀面。劉筱菁等[28]通過比較迭代最近點法（interactive closet point，ICP）自動構建中矢面（mid-sagittal plane，MSP）；熊玉雪等[29]建立普氏分析法（Procrustes analysis，PA）生成面部MSP。

有研究者[30]比較PA法和ICP法得到的MSP之間的差值，發現差異均在臨床可接受范圍內。然而，目前此類通過數學算法提取正中矢狀面涉及的軟件及操作較復雜，相信隨著三維頭影測量支持設施的發展，正中矢狀面的生成會更加準確、簡便、具有更高的可重復性。

基于以上研究，筆者認為綜合評估準確性、穩定性、臨床可操作性均較高的解剖標記點建立三維參考坐標系的方法為：以S點為原點，水平參考平面以雙側眶點及右側耳點建立FH平面，過S點、N點垂直于水平參考平面作正中矢狀面，同時垂直于水平參考平面及正中矢狀面過原點作冠狀參考平面。該三維參考坐標系目前已經應用于多項探究正常值的測量研究中[31]，并被證實其簡便可靠。

1.2.3 解剖標記點法特點及應用 解剖標記點法建立三維坐標系適用于面部基本對稱的研究對象，尤其是針對正常值范圍的測量研究中。此外，由于其設備及技術要求較自然頭位法低，操作簡便，常利用解剖標記點法對頭位進行初步調整，以準確定義解剖標記點，從而建立局部參考坐標系，通過二次建立參考坐標系的方法提高準確性。

2 局部參考坐標系

2.1 局部參考坐標系的定義

以面部局部結構（如上頜、下頜、顱部、頦部等）的中心為坐標原點，顱面部局部結構的旋轉和位移均圍繞局部坐標系進行，即當局部結構進行旋轉和平移時，局部坐標系也進行相應的旋轉或平移。

在三維頭顱影像中，只有一個整體參考坐標系，但局部參考坐標系可以有多個，同樣由相互垂直的軸面、矢狀面、冠狀面構成。

2.2 局部參考坐標系在不同面部局部結構中的建立

局部參考坐標系的位置可以根據研究目的的不同進行靈活選擇，目前最常應用的局部參考坐標系包括上下頜體部、單顆牙體、頦部、下頜升支部局部參考坐標系，均通過解剖標記點法進行構建。

2.2.1 上下頜體部參考坐標系 上下頜體部參考坐標系常用于評價牙弓內部對稱性、測量牙弓方向、個別牙的傾斜度以及牙弓橫向寬度[10]等。它的建立一般以上下平面作為軸面，矢狀面垂直于冠狀面并平分左右牙弓，冠狀面同時垂直于軸面及矢狀面將牙弓分為前后兩部分。關于平面的確定，Xia等[15]通過牙弓中三點建立平面，如雙側第一磨牙近中頰尖點或雙側第一磨牙頰溝點與雙側中切牙切緣間中點，但當牙弓不對稱（單側多生牙、單側先天缺失牙等）或牙體存在不均等磨耗時，平面的建立將受到顯著影響。

對此，有學者結合主成分分析法（principal component analysis，PCA），引入牙弓中更多的標志點來確定平面，以減小定點誤差。Li等[32]提出改良主成分分析法（principal component analysis-based adaptive minimum euclidean distances，PAMED）構建平面，并將其與三角分析法及PCA法進行比較，發現PAMED法構建的平面具有最高的穩定性和準確性。

此外，腭平面及下頜平面也可分別作為上下頜參考坐標系中的軸面，但正畸正頜治療前后腭平面及下頜平面的改變較大，在測量某些指標（牙傾斜度、牙弓橫向寬度等）時不能作為穩定的參考平面。

2.2.2 單顆牙上建立局部參考坐標系 在測量牙體近遠中、頰舌向傾斜角度時，Tong等[33]提出在單顆牙上分別建立參考坐標系用于牙齒內部確定牙體長軸，并在上述平面參考坐標系的基礎上測量牙齒的傾斜角度。具體方法為：首先以矢狀面平分頜骨左右，冠狀面在左右第一磨牙水平垂直于矢狀面，軸面即為平面（橫斷前牙咬合與上下第一磨牙咬合的平面），調整顱面部位置。隨后對各個牙齒的牙冠與牙根中心點進行3D定位，建立牙齒的解剖近遠中面、頰舌面，和在牙冠牙根水平的水平軸面，借助牙長軸在整體坐標系不同平面上的投影評價牙長軸的傾斜角度。該方法通過二次建立參考坐標系，能極大提高測量的準確性和可重復性，目前在牙齒三維移動的測量研究中廣泛使用。

2.2.3 下頜升支局部參考坐標系 下頜升支位置的評估常應用于逆時針旋轉下頜手術中，由于下頜升支形態不規則，定位難度較大，Wan等[34]假定手術前后雙側髁突點（Condylion，Co）與雙側喙突點（Coracoid process，Cor）位置恒定，以右側Co點為原心，雙側Co點與Cor點定義為水平面，過右側Co點和Cor點作矢狀面，垂直于矢狀面及水平面左冠狀面建立基于下頜升支部的局部參考坐標系，再以Co點、Cor點和下頜角點作下頜升支參考平面，從而評估下頜逆旋手術前后下頜升支的位置及角度變化。

2.2.4 頦部局部參考坐標系 頦部的參考坐標系常與整體參考坐標系結合評價頦部位置的對稱性，常用方法為以頦下點（Menton，Me）為原心，Me點向下頜內側緣2 cm為左右側頦后點，建立頦三角，并以此為水平軸面，平分雙側頦后點，過Me點并垂直于水平軸面作矢狀面，過Me點垂直于水平軸面與矢狀面作冠狀面。據此而建立的頦部參考坐標系，為頦成型手術的方案設計提供了理論依據[35]。

2.3 局部參考坐標系的應用及意義

頭影測量涉及的幾何參數主要包括線性距離、角度、方向、位置和對稱性5個方面。其中，針對線性距離和角度的測量，常通過將標志點投射到局部參考平面上，在二維影像上對線距和角度進行測量的方式。

然而，頭影測量在整體參考平面上的投射會受到面部局部結構扭轉的影響，從而造成測量誤差。但是局部參考坐標系隨面部單位結構的旋轉而旋轉，故在投射時能有效減小此類誤差。

在評價面部局部結構的位置時，通常是評價該局部結構在某局部坐標系中的相對位置。比如，研究單顆牙在上下頜單位結構中的相對位置時，就需要將牙體置于上頜或下頜局部參考坐標系中進行位置分析。

關于面部局部結構的對稱性分析，包括結構內部的對稱性以及面部局部結構在顱面部整體坐標系中位置的對稱性分析。

結構內部的對稱性可以依據局部參考坐標系中的矢狀面評價其左右側的一致性，Gateno等[35]提出三角分析法對結構內部對稱性進行評估，而位置排列的對稱性可通過比較局部參考坐標系以及整體參考坐標系正中矢狀面之間角度和距離的關系來確定。如在評價牙弓位置排列對稱性時，有研究者借助中切牙中點與整體參考系矢狀面的橫向距離，以及局部參考系統和整體參考坐標系間偏航角及橫滾角方向的角度差異表示[15]。

面部局部結構的方向，則可通過局部參考坐標系和整體參考坐標系三條正交軸之間的角度來表示。因此，針對顱面部局部結構中幾何參數的測量，建立局部參考坐標系，可使測量分析更加簡便合理。

3 小結

目前，三維頭影測量在臨床上的應用廣泛，現有研究結果尚無法將單一的參考坐標系應用于各類研究中。因此，一個合理的三維頭影測量體系應該根據研究內容的不同，選用最適的參考坐標系。如針對面部嚴重不對稱或畸形的患者，應用自然頭位法建立參考坐標系；旨在獲取基于正常人群的正常參考值的研究中采用解剖標記點法確定參考坐標系；而對于顱面部局部結構的分析則可通過二次建立局部參考坐標系的方法，提高準確性。

在以后的研究中，研究者應該致力于將三維參考坐標系的應用具體化和標準化，只有建立標準化參考坐標系，才能確定標準三維頭影測量方法，從而建立包含大樣本資料的數據庫，獲得正常參考值，為正畸診斷和治療方案設計提供依據，并輔助進行精確的臨床療效評價。

利益沖突聲明：作者聲明本文無利益沖突。