颅面部畸形 [颅面部软硬组织三维模型的研究]

　　[摘要]目的：利用头颅定位X线片构建颅面部软硬组织的三维模型。方法：在受试者的面部贴金属标志点，同期分次拍摄侧位，45°位和正位头颅定位X线片，基于相关视觉法原理，获得各标志点的三维数据，实现对颅面部软硬组织的三维重建。结果：用两张成45°夹角的头颅定位X线片，对颅面部的软组织和骨组织实现了逼真的三维重建。系统具有4个特点：①颅面部软组织和骨组织可同时重建；②颅颌面立体结构三维重建及二维图像的同期映射；③具有图像储存功能；④具有多种显示功能。结论：本研究基于二维X片建立一种简单安全，利于广泛使用的颅面部三维重构系统，为颅面部的牙颌畸形的诊断和分析提供新的途径。
　　[关键词]头颅定位X线片；三维重建；颅面部
　　[中图分类号]R783.5 [文献标识码]A[文章编号]1008-6455（2011）01-0112-03
　　
　　Study on the three dimensional model of craniofacial soft and hard tissues
　　HOU Yu-xia1,ZHOU Hong1,PAN Jun-jun2,ZHANG Yan-ning2
　　(1.Orthodontic Department of Stomatological Hospital, Xi"an Jiaotong University,Xi"an 710004,Shaanxi,China;2.Computer Department of Northwestern Polytechnical University)
　　
　　Abstract: Objective To construct the three-dimension(3-D）model of craniofacial soft and hard tissues by using the cephalograms. MethodsMetal symbol points were pasted on the face of volunteers. Three cephalograms were taken from lateral at the same time, and taken from 45 degree and frontal directions. The 3-D coordinates of symbol points in Lateral and 45 degree cephalograms were acquired by the method of multi-view, then the 3-D model of craniofacial soft and hard tissues was reconstructed.Results Based on the two cephalograms, the 3-D model of craniofacial soft and hard tissues were reconstructed. The system had four advantages:①Craniofacial soft and hard tissues reconstructed at the same time; ②The three-dimensional model and the two- dimensional cephalograms imaged together ;③ Imaging result stored in person computer;④The three-dimensional model displayed in many manners.Conclusion The 3-D reconstruction system was simple, safe and easily to be used. It was a new method for the diagnosis and analysis of maxillofacial malformation.
　　Key words: cephalogram; 3-D reconstruction; craniofacial
　　
　　颅面部畸形表现为颅面部骨骼和上下牙列在三维空间中的位置和大小异常以及表面软组织的形态改变，寻求准确、标准、系统的三维测量方法来评价颅面部形态是学者们长期追求的目标。从1931年Broabent[1]首创用X线头颅定位片进行颅面部测量到现在，它在颅面部生长发育研究；牙颌畸形的诊断和治疗；正颌整形手术的计划、模拟和疗效评价等方面发挥了重要的作用。目前，仍然是临床上主要的诊断依据。本研究拟用头颅定位X线片重建颅面部软组织和硬组织三维模型，为临床提供一种简单，易于广泛应用的颅面部三维重建方法。
　　
　　1材料和方法
　　1.1工作原理：使用两个（或多个）摄像机同时在不同角度拍摄同一场景，而后利用视觉差计算物体的深度。当这两个角度之差小于90°时，称为“相关视觉法”。与该方法等价的另一种思路使用一个摄像机在不同角度依次获得同一场景的两幅或多幅图像，然后计算深度[2]。本研究在严格头颅定位的条件下，同期分次拍摄侧位，45°位和正位头颅定位片。通过成45°角的两张X线片上相互匹配的标志点对获得颅面部的三维信息，对颅面部三维形态的进行重建。
　　1.2硬件和软件系统：头颅定位摄片机：SIEMENS ORTHOCEPH 10S；软件系统：软件功能主要由Visual C++实现，图形平台为OpenGL。面部标记物：面部的标记点为30×15的点阵。标记点的材料主要由金属铅构成，金属铅具有阻射线的性质，在X线片上可以清晰的看到。点阵的行间距为10mm，列间距为5mm。金属点固定在医用胶布上，拍片时贴在受试者的面部。
　　1.3实现方法：①面部贴金属标志点：标志点的粘贴范围：上界：眉毛上缘向上10mm；近中界：面部中线；下界：下颌骨下缘；后界：下颌支后缘。粘贴时胶布与面部软组织表面结合紧密、，不会因为转动头部而发生移位。②拍摄X线片：为了最大程度地满足相关视觉的条件，拍摄时受试者的头部用头颅定位架严格定位，使眶耳平面与水平面平行。同期分次拍摄侧位片、45°位片和正位片。③CT扫描测量面部软组织厚度：选择眉毛上缘上10mm为上界、下颌下缘为下界、层厚为10mm，连续断层扫描，扫描范围与面部标志点的范围相同。对每一层都按照金属标志点的列间距分别测量面部的软组织厚度，共测量了450个点的厚度，这些测量值后面用于做软组织校正。④图像预处理及颅面部软组织三维模型生成：45°位和侧位这两幅图像标志点的重叠最少，用于做颅面部的三维重建。对原始X线图像进行直方图均衡及图像增强后，进行标志点的检测与提取，识别与匹配，使用数学方法使标志点匹配的正确率达到100%。对匹配好的标志点对按照双目视觉的方法进行标定及深度测量，最终得到立体坐标系下的三维数据。在生成各个标志点的三维数据后，通过插值、三角片划分、表面法向量计算就可以得到受试者的面部软组织的三维模型。如果允许还可以加上受试者的肖像纹理使之更加逼真。⑤颅面部骨组织三维模型生成：对CT片测量，可以得到一张与每个标志点相对应，含有30×15个元素的软组织映射表，其中每个元素对应的是所在标志点处的软组织厚度。对颅面部软组织模型向内缩进厚度个单位，得到新的三维表面即为软组织校正后的颅面部骨组织。三维显示时还可以按需要施加纹理映射。
　　
　　2结果
　　本研究使用两张互成角度的头颅定位X线片实现颅面部软硬组织的三维重建。重建的三维图像逼真、直观的显示了颅面部软硬组织的形态结构，并且可以从任意角度进行旋转观察（如图1～2）。
　　
　　3讨论
　　颅面部复杂的三维结构使得对其定性的描述和定量的测量都相当困难。自Broabent首创头颅定位X线头影测量技术以来，这种以正位或侧位X线片测量分析的技术广泛应用于临床实践，并得到了空前的发展，但常规正位或侧位X光片是两维的重叠投影像，再加上X线投影过程中的放大效应,无法准确反映三维方向上复杂颅颌面发育及缺损畸形特征。
　　随着计算机及数字图像处理技术的发展，国外的学者利用双目视觉的原理，使用正、侧位片在计算机的辅助下对颅面部进行了三维研究。Grayson[3]利用正常人标准的正侧位片作为原始资料，用双平面立体摄影的原理获得标志点的三维坐标，并对颅面部三维形态进行分析。Hideki Okumura[4]使用正位和侧位X线片获得解剖标志点的三维坐标，将这些空间的点用直线连接起来构成由三角形的平面组成颅面部骨骼的三维框线图。国内的学着邵金陵，朱敏等[5-6]用相互垂直的正、侧位头颅定位X线片，运用计算机X线头影测量系统进行了颅面部硬组织的立体形态研究。以上的三维重建方法均需在两维的正位和侧位片中寻找空间一点的投影点，无论是人工选点还是计算机自动选点都存在定点误差，标志点的数量有限导致所绘出颅面部的三维框线图，不能体现三维形态的曲面外形，效果不逼真。
　　基于CT的颅面部三维重建具有精度高，逼真的特点[7-8]，但高质量的三维重建依赖于超薄层扫描，电离辐射较大，比普通CT检查接受的X线量多4～10倍。另外，他的费用高，资料不易存储和交流等缺点也限制了其在正畸、正颌领域中的广泛应用。其他的还有莫尔云纹，立体摄影，激光扫描[9-11]等非介入的研究颅面部三维结构的方法，这些光学的方法多用来研究面部表面形态，不能对软组织覆盖下骨组织的形态进行直接研究。
　　本研究与以往的研究相比具有以下特点：①同时重建颅面部软组织和骨组织。在面部预先贴上了30×15个表面标志点，并对这些点进行自动匹配，因为有足够多的点，重建出了较为逼真的面部软组织和骨组织的三维模型。解决了传统X线的重建方法中用解剖标志点作匹配所难以解决的误匹配和不能生成三维模型的问题。②颅颌面立体结构的三维重建及二维图像的同期映射功能。头颅三维模型可以动态旋转从多角度进行观察、可满足基础研究或临床诊断分析之需要，用于重建的侧位片45°位片和正位片可同时映射到三维模型上，同时对原X线片进行观察（如图3）。③图像储存功能。本系统对于重建的三维图像具有体数据存储和打开功能。对于三维模型中的每一个体素的三维坐标都能以文档的形式储存在电脑的中，需要再次调用此图像时，只需将保存的文件打开就可以得到图像，而不需要重新执行重建过程。这样可为患者建立形象生动的图文档案；颅颌面畸形患者的测量资料、手术前后图像等资料可供回顾性研究分析，并可用于颅颌面生长发育规律的研究。④具有多种显示方法。本系统对三维模型的显示有三角片，填充和散点。并且可以对图像施加光照和纹理，生成具有真实感的图像并突出特定的信息，还可将软组织和骨组织的图像叠加在一起显示，点击鼠标可显示点击处的软组织厚度和软组织下的骨组织形态，并进行多角度的旋转观察。这种三维立体的显示方法特别适用于教学，相当于电子解剖，使面部的解剖关系表现更直观，易于理解（如图4～5）。
　　本研究使用两张成45°角的头颅定位X线片实现颅面部软组织和骨组织逼真的三维重建，它是对X线颅面部三维重建新方法的探索，重建所需要的硬件设备很普及，重建软件系统操作简单可在PC机上进行，他在正畸正颌临床和科研中都将有广阔的应用前景。
　　
　　［参考文献］
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　　[收稿日期]2010-09-26 [修回日期]2010-12-20
　　编辑/何志斌