李江波，周　洪（.烏魯木齊市口腔醫(yī)院正畸科新疆烏魯木齊830000；.西安交通大學(xué)口腔醫(yī)院正畸科陜西西安70004）

·齒科美容·

基于二維X線片三維顱面結(jié)構(gòu)模型建立的研究

李江波1，周洪2
（1.烏魯木齊市口腔醫(yī)院正畸科新疆烏魯木齊830000；2.西安交通大學(xué)口腔醫(yī)院正畸科陜西西安710004）

目的：以頭顱X線正側(cè)定位片和激光掃描獲取的軟組織圖象為數(shù)據(jù)源，研發(fā)歸一化的顱頜硬軟組織三維模型。方法：①人臉貼定鉛點(diǎn)：鉛點(diǎn)共5個(gè)，分布在呈“十”字交叉狀的兩個(gè)方向上，即面中線方向和眶耳平面方向。②拍攝頭顱X線正側(cè)位片須保證頭顱在水平姿勢(shì)位下拍攝，囑患者牙齒咬合接觸。③三維硬組織結(jié)構(gòu)模型的建立：以結(jié)構(gòu)完整，表面清晰且符合亞洲人特點(diǎn)的頭顱作為標(biāo)準(zhǔn)模型并確立三維坐標(biāo)系，調(diào)整X線片使其與模版的坐標(biāo)系相一致，在標(biāo)準(zhǔn)頭顱模型上標(biāo)定特征點(diǎn)54個(gè)，作為初始特征點(diǎn)，再在X線正側(cè)位片上調(diào)整這些點(diǎn)的位置，作為目標(biāo)特征點(diǎn)，要求二者所定義的位置相一致。依據(jù)一定形變算法，以X線片所確立的特征點(diǎn)對(duì)縮放后的標(biāo)準(zhǔn)頭顱模型進(jìn)行變形，得到患者顱頜硬組織模型。④激光掃描面部軟組織：拍攝面部正中，左右45°，共3幅圖象。⑤面部軟組織重建：將掃描獲得的三幅圖象進(jìn)行前期處理，合成患者完整的軟組織三維模型。⑥軟硬組織擬合：通過(guò)鉛點(diǎn)坐標(biāo)的配準(zhǔn)，將面部軟組織與骨組織擬合起來(lái)。結(jié)果：①構(gòu)建了能夠反映顱頜硬組織表面結(jié)構(gòu)的三維模型；②實(shí)現(xiàn)了硬軟組織的擬合。構(gòu)建的三維圖象生動(dòng)、直觀的顯示了顱面部的結(jié)構(gòu)，并且可以從任意角度觀察其三維形態(tài)，為進(jìn)一步進(jìn)行正頜手術(shù)的模擬和形貌預(yù)測(cè)奠定了基礎(chǔ)。結(jié)論：①與CT重建相比，該系統(tǒng)信息源獲取簡(jiǎn)易，放射危害小，雖不及CT精確，但手術(shù)關(guān)鍵區(qū)域與患者較為吻合，具有一定的應(yīng)用前景；②激光三維掃描是目前最先進(jìn)的軟組織獲取方法，本研究實(shí)現(xiàn)了軟硬組織的擬合，真實(shí)可靠。

二維X線；三維重建；形變

X線頭顱定位片是正畸、正頜外科臨床中應(yīng)用最廣的顱面部形態(tài)分析手段，它與模型分析、臨床檢查共同構(gòu)成了患者的診斷分析資料。隨著正頜外科的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的二維空間的研究方法已不能滿足臨床工作的需要。人們期待著對(duì)顏面結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行三維的分析研究，從而為臨床診斷分析、手術(shù)矯治設(shè)計(jì)、術(shù)后追蹤觀察以及手術(shù)效果評(píng)價(jià)提供更多的信息和客觀依據(jù)。目前，顱頜面硬組織的重建方法主要有頭顱X線立體攝影技術(shù)和CT影像三維重建技術(shù)。雖然CT建模具有精度高，準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)，但迫于其放射劑量高，費(fèi)用昂貴等原因，限制了它的臨床應(yīng)用。本研究以二維的X線正側(cè)位片對(duì)頭顱標(biāo)準(zhǔn)模版進(jìn)行形變，得到患者的顱頜硬組織模型，再與激光掃描獲得的面部軟組織模型實(shí)現(xiàn)擬合，三維重建患者的顱頜面硬軟組織形態(tài)。

1　資料和方法

1.1原理

顱頜硬組織的三維重建是利用雙平面X線立體攝影的工作原理［1］：利用相同條件且垂直交叉的X線對(duì)顱頜面的側(cè)位和后前位投照暴光，以獲取顱頜面的側(cè)位和正位X線影像。顱頜面上任意骨性標(biāo)志點(diǎn)P，沿X線方向分別在正位和側(cè)位膠片平面上形成相應(yīng)的投影點(diǎn)Pf和Pl，通過(guò)Pf和Pl二維平面坐標(biāo)的分析，即可確定實(shí)際標(biāo)志點(diǎn)P的三維空間坐標(biāo)，即Pf和Pl反X線方向形成的交叉點(diǎn)的位置。通過(guò)這種方法可以確定顱頜面結(jié)構(gòu)任意標(biāo)志點(diǎn)在空間上的三維坐標(biāo)。選擇頭顱X線正側(cè)位片上能同時(shí)確立的且位于骨組織表面的特征點(diǎn)54個(gè)，建立其三維坐標(biāo)，并作為目標(biāo)特征點(diǎn)對(duì)頭顱標(biāo)準(zhǔn)模板進(jìn)行形變，從而得到反映患者特征的顱頜硬組織模型。

硬、軟組織擬合的原理：人臉表面的鉛點(diǎn)可以同時(shí)在X線片和激光掃描中顯影。利用正側(cè)位片可以確定鉛點(diǎn)的三維坐標(biāo)，由呈“十”字交叉的5個(gè)鉛點(diǎn)坐標(biāo)便可準(zhǔn)確而穩(wěn)固地確定人臉距骨組織的位置。最后，激光掃描的軟組織模型通過(guò)鉛點(diǎn)坐標(biāo)的匹配實(shí)現(xiàn)與硬組織模型的擬合。

1.2硬件和軟件系統(tǒng)

頭顱定位攝片機(jī)：OrthophosPlusXG（Sirona）數(shù)字化曲面體層X(jué)光機(jī)；日本美能達(dá)公司產(chǎn)Minolta VIVID910三維掃描儀；主機(jī)：AMD Athlon II X2 245Processor 2.90 GHz，內(nèi)存2G，硬盤500G，操作系統(tǒng)windows 7；軟件系統(tǒng)：軟件功能主要由Visual C++實(shí)現(xiàn)，圖形平臺(tái)為OpenGL。

面部標(biāo)記物：呈1.5mm長(zhǎng)，直徑為1.5mm的小圓柱體。標(biāo)記點(diǎn)的材料主要由金屬鉛構(gòu)成。金屬鉛具有阻射線的性質(zhì)，在X線片上可以清楚的看到。金屬點(diǎn)固定在醫(yī)用膠布上，拍片時(shí)貼在受試者的面部。

1.3方法

1.3.1面部貼定鉛點(diǎn)：將直徑1.5mm的粗保險(xiǎn)絲切割成5小段，每段長(zhǎng)1.5mm。將金屬點(diǎn)用醫(yī)用膠布貼在以下5個(gè)位置，即眉間點(diǎn)、鼻梁上點(diǎn)、鼻尖點(diǎn)、左側(cè)眶外側(cè)點(diǎn)，右側(cè)眶外側(cè)點(diǎn)（如圖1）。囑患者頭部保持水平姿勢(shì)，表情自然，雙眼平視前方。貼鉛點(diǎn)時(shí)，動(dòng)作應(yīng)輕柔，以不引起軟組織受壓變形為準(zhǔn)，同時(shí)避免造成皮膚破損。拍攝X線正側(cè)位片時(shí)，可事先打出水平激光束，該激光束基本上位于眶耳平面，借此對(duì)雙側(cè)眶外側(cè)點(diǎn)和鼻梁上點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整。

圖1　金屬鉛點(diǎn)位置標(biāo)定

1.3.2頭顱X線正側(cè)位片的拍攝：為了最大程度的滿足雙平面X線立體攝影的條件，拍攝時(shí)患者的頭部用頭顱定位架嚴(yán)格定位，使眶耳平面與水平面平行。拍攝數(shù)字化正側(cè)位片，轉(zhuǎn)存至計(jì)算機(jī)中。在旋轉(zhuǎn)視角的過(guò)程中，影像科醫(yī)生幫助患者保持頭部位置，盡量降低實(shí)驗(yàn)誤差。

1.3.3頭顱模版及三維坐標(biāo)系的確定：網(wǎng)絡(luò)下載一標(biāo)準(zhǔn)頭顱表面模型，符合亞洲人的特點(diǎn)，顱頜結(jié)構(gòu)完整，表面清晰且數(shù)據(jù)量很小，僅490kb。確立三維坐標(biāo)系，X軸方向?yàn)樗较蚪?jīng)過(guò)雙側(cè)骨性外耳道上緣的直線，Y軸方向?yàn)榇怪毕虼┻^(guò)顱頂且與頭顱正面中線相吻合的一條直線，Z軸方向?yàn)槭笭钕蚯椅挥诳舳矫嫔洗┻^(guò)梨狀孔的一條直線。三軸交點(diǎn)為O。在該坐標(biāo)系下，頭顱模版可以用鼠標(biāo)以任意角度旋轉(zhuǎn)，亦可直接以下定位：正位，左右側(cè)位和頂位，以便于后期的觀察定點(diǎn)。頭顱模版的顯示支持散點(diǎn)、三角片和填充三種模式，以適應(yīng)不同情況的需要。

1.3.4 X線片的預(yù)處理：數(shù)字化X線正側(cè)位片以TIF格式轉(zhuǎn)存至計(jì)算機(jī)后，在主程序窗口下，其坐標(biāo)系需先經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)才能進(jìn)行后期的操作。校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)與頭顱模版坐標(biāo)系完全一致，可以通過(guò)上下左右平移和旋轉(zhuǎn)操作，使X軸與雙側(cè)骨性外耳道上緣相齊，Y軸與頭顱正面中線相吻合，Z軸與眶耳線相一致。其中，在正位片只能調(diào)整X軸和Y軸的位置；在側(cè)位片只能調(diào)整Y軸和Z軸的位置。校準(zhǔn)完成后，保存設(shè)置。

1.3.5頭顱模版特征點(diǎn)的選取與初始顱骨的生成：在頭顱標(biāo)準(zhǔn)模版上進(jìn)行定點(diǎn)，要求按照正側(cè)位片所定義的特征點(diǎn)位置和順序進(jìn)行標(biāo)定，具體分布見(jiàn)表1，如圖2。標(biāo)定完畢后，保存文件為標(biāo)準(zhǔn)特征點(diǎn)。由于模版頭顱大小與患者真實(shí)頭顱大小不一致，故需按照X線片所確立的頭顱尺寸對(duì)模版進(jìn)行縮放操作。具體步驟如下：先在模版頭顱上標(biāo)定四個(gè)點(diǎn)，即位于眶耳平面上的左側(cè)耳點(diǎn)，右側(cè)耳點(diǎn)，左側(cè)眶下緣點(diǎn)，右側(cè)眶下緣點(diǎn)，生成坐標(biāo)文件A。再在X線正側(cè)位片上以同樣的順序標(biāo)定這4個(gè)點(diǎn)的位置，生成坐標(biāo)文件B。在同一坐標(biāo)系下，利用坐標(biāo)文件A與B之間的匹配，實(shí)現(xiàn)頭顱模版大小的縮放，生成初始顱骨。初始顱骨上的特征點(diǎn)保存為初始特征點(diǎn)。在縮放過(guò)程中，頭顱為等比例變化，不發(fā)生扭曲變形，且標(biāo)準(zhǔn)特征點(diǎn)隨頭顱縮放亦發(fā)生改變，但其在顱骨上的位置不變，無(wú)需在初始顱骨上重新定點(diǎn)。

圖2　特征點(diǎn)位置標(biāo)定與順序

1.4特征點(diǎn)的映射與調(diào)整

由于初始顱骨的坐標(biāo)系與X線片坐標(biāo)系是一致的，顱骨上的初始特征點(diǎn)可以直接映射到X線正側(cè)位片上，但其位置是雜亂無(wú)章的，需按順序一一調(diào)整每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，從而生成具有患者特征的目標(biāo)特征點(diǎn)。在影像重疊較為嚴(yán)重的部位定點(diǎn)時(shí)，如齒槽間隔上的點(diǎn)，軟件提供有X線片亮度、對(duì)比度以及側(cè)重于骨組織和軟組織的反襯調(diào)節(jié)，便于臨床醫(yī)生更準(zhǔn)確的定位。

表1　特征點(diǎn)定義與順序

1.5形變

在形變窗口下，載入初始顱骨模型和初始特征點(diǎn)，再載入X線片所生成的目標(biāo)特征點(diǎn)，利用后者依一定算法對(duì)初始顱骨進(jìn)行形變，從而得到具有患者特征的顱頜硬組織三維模型，保存形變結(jié)果。

1.6面部激光掃描

去除面部鉛點(diǎn)，在原位以黑色水筆點(diǎn)點(diǎn)代之。用激光三維掃描儀對(duì)患者進(jìn)行掃描，分別獲得正面、左側(cè)面45°、右側(cè)面45°三幅圖像。掃描對(duì)象的眶耳平面應(yīng)與地面平行，正中頜位。掃描儀選擇fast方式，wide鏡頭，掃描對(duì)象與鏡頭的距離為1米左右。要求掃描對(duì)象在掃描期間保持靜止，不能眨眼。掃描對(duì)象無(wú)需閉眼，只是不要直視激光發(fā)射窗即可，因此眼部信息不會(huì)丟失。對(duì)于過(guò)長(zhǎng)的額發(fā)及鬢發(fā)用發(fā)夾固定，避免遮擋面部，影響圖像質(zhì)量。掃描完畢后將掃描獲取的圖像轉(zhuǎn)存至計(jì)算機(jī)中。

1.7面部軟組織的重建

1.7.1圖像的前期處理：應(yīng)用RapidForm2004軟件進(jìn)行處理。每幅圖像的處理包括壞點(diǎn)去除、補(bǔ)洞、Remesh、消除abnormal faces等過(guò)程。壞點(diǎn)去除是指刪除那些與所需人臉圖像以外的多余部分以及去除一些邊緣上的噪聲點(diǎn)。Remesh使得圖像的整體分辨率歸一化，即三角面片的分布更加均勻。處理完的圖像選擇vrml格式保存。

1.7.2圖像合成：經(jīng)過(guò)前期處理的三幅圖像經(jīng)過(guò)人工的特征點(diǎn)匹配后，便可拼接合成整體的圖像。首先分別將兩個(gè)側(cè)面圖像與正面圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，也就是以正面圖像為基準(zhǔn)，將側(cè)面圖像轉(zhuǎn)移至正面圖像的坐標(biāo)系中。然后對(duì)校準(zhǔn)后的模型進(jìn)行歸為一個(gè)整體三維模型的處理（merge），并將此整體模型保存為vrml格式的數(shù)據(jù)，以備后續(xù)調(diào)用。配準(zhǔn)時(shí)需要在三維視圖里標(biāo)定3～4個(gè)相對(duì)應(yīng)的特征點(diǎn)，此過(guò)程中可通過(guò)Shift+鼠標(biāo)及Ctrl+鼠標(biāo)來(lái)調(diào)整視圖的位置、角度及大小以利于特征點(diǎn)的選取。

1.8硬、軟組織擬合

利用鉛點(diǎn)坐標(biāo)的匹配實(shí)現(xiàn)軟組織與顱頜硬組織模型的擬合，具體步驟如下：①在Wrl視圖窗口下，載入患者面部軟組織三維模型，進(jìn)行坐標(biāo)系的調(diào)整，校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)與頭顱模版坐標(biāo)系完全一致，保存設(shè)置。②標(biāo)定鉛點(diǎn)坐標(biāo)：在坐標(biāo)系調(diào)整后的軟組織模型上按以下順序標(biāo)定鉛點(diǎn)位置，即眉間點(diǎn)，鼻梁上點(diǎn)，鼻尖點(diǎn)，左側(cè)眶外側(cè)點(diǎn)，右側(cè)眶外側(cè)點(diǎn)，生成坐標(biāo)文件Fl。再在X線正側(cè)位片上按同樣的順序標(biāo)定鉛點(diǎn)，生成坐標(biāo)文件Xl。③在同一坐標(biāo)系下，利用坐標(biāo)文件Fl與Xl之間的匹配，實(shí)現(xiàn)面部軟組織大小的縮放，同時(shí)將患者軟組織模型與顱頜硬組織模型按真實(shí)的軟組織厚度擬合起來(lái)。面部軟組織的縮放過(guò)程為等比例變化，不發(fā)生扭曲變形。

圖3　重建后顱頜硬組織三維展示

圖4　硬軟組織擬合展示

2　結(jié)果

2.1本研究以頭顱X線正側(cè)位片為數(shù)據(jù)源，通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頭顱模型的形變，實(shí)現(xiàn)了顱頜硬組織形態(tài)的三維重建。重建的三維圖象生動(dòng)、直觀的顯示了顱面部的結(jié)構(gòu)，并且可以從任意角度觀察顱頜硬組織的三維形態(tài)。通過(guò)本模型不僅可以觀察畸形的特征和部位，同時(shí)也為進(jìn)一步進(jìn)行顱面部的三維測(cè)量和正頜手術(shù)的模擬及形貌預(yù)測(cè)奠定了基礎(chǔ)。自行開(kāi)發(fā)的三維重建軟件性能穩(wěn)定，用戶界面友好，使用方便，（如圖3）。

2.2本實(shí)驗(yàn)利用鉛點(diǎn)坐標(biāo)的匹配，實(shí)現(xiàn)了激光掃描獲得的面部軟組織模型與硬組織模型的擬合（如圖4）。

3　討論

3.1顱頜面部復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)使得對(duì)其進(jìn)行定性的描述和定量的測(cè)量都相當(dāng)困難。自1931年Broabent首創(chuàng)頭顱定位X線頭影測(cè)量技術(shù)以來(lái)，這種孤立地以正位或側(cè)位X線片進(jìn)行測(cè)量分析的技術(shù)廣泛應(yīng)用于臨床實(shí)踐中，并得到了空前的發(fā)展。從單純手工測(cè)量分析發(fā)展到計(jì)算機(jī)輔助分析，從人機(jī)交互方式的半自動(dòng)分析發(fā)展到計(jì)算機(jī)自動(dòng)分析［2］。但隨著整形外科手術(shù)范圍的擴(kuò)大，尤其是對(duì)于各類三維方向上復(fù)雜的顱頜面發(fā)育、缺損畸形的矯治，傳統(tǒng)的方法如照片、X線平片和X線定位頭影等二維分析方法都不能滿意的記錄和評(píng)價(jià)其復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確地反映畸形的特征，因而不能有效地指導(dǎo)臨床診斷和手術(shù)設(shè)計(jì)與模擬。許多學(xué)者嘗試過(guò)用不同的技術(shù)方法來(lái)獲取該區(qū)域的三維信息，如激光掃描［3］、近景立體攝影，結(jié)構(gòu)光［4］等。這些方法需要特殊的儀器，只能獲得軟組織表面的三維信息，無(wú)法形象生動(dòng)地同時(shí)再現(xiàn)顱面部骨組織的結(jié)構(gòu)并進(jìn)行手術(shù)模擬設(shè)計(jì)。

近十年，CT和醫(yī)學(xué)三維圖像可視化技術(shù)迅速發(fā)展，越來(lái)越多地應(yīng)用到顱頜面形態(tài)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)研究、顱面畸形的診斷分析與手術(shù)設(shè)計(jì)中。CT重建方法能同時(shí)建立面部軟組織和骨組織，且精度高［5］。然而，高質(zhì)量的三維重建依賴于超薄層的掃描，因此比普通CT檢查接受的X線量多4～10倍；同時(shí)，由于電離輻射較大，無(wú)法建立正常人群的CT數(shù)據(jù)，也無(wú)法將畸形患者的資料與正常人進(jìn)行比較；而且，重建的軟件是加密的特殊軟件，只能在工作站中運(yùn)行，操作復(fù)雜，不利于資料的儲(chǔ)存和交流。這些原因都限制了CT在口腔臨床中的普及應(yīng)用。

近些年興起的CBCT和3D掃描技術(shù)，使顱面三維結(jié)構(gòu)的獲得更為便捷，輻射劑量大幅度降低，是目前顱面結(jié)構(gòu)三維重建的主流方式［6］。但由于設(shè)備昂貴，大多數(shù)基層單位無(wú)力承擔(dān)，迫切需要一種技術(shù)可行，精度可靠，同時(shí)耗費(fèi)較低的方式，來(lái)進(jìn)行顱面結(jié)構(gòu)三維重建，進(jìn)一步對(duì)正畸正頜聯(lián)合治療有所指導(dǎo)。

X線頭顱定位拍片機(jī)是各大口腔醫(yī)院中必備的儀器，每一位需聯(lián)合正頜外科的正畸患者都需要常規(guī)拍攝頭顱正側(cè)位片，作為基礎(chǔ)資料。本研究以頭顱X線正側(cè)位片為數(shù)據(jù)源，通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頭顱模型的形變，實(shí)現(xiàn)了顱頜硬組織結(jié)構(gòu)的三維重建，該方法是符合臨床實(shí)際的三維重建方法，是對(duì)傳統(tǒng)的二維X線分析系統(tǒng)的新發(fā)展，使其具有更廣闊的應(yīng)用空間。它的應(yīng)用將會(huì)改變傳統(tǒng)的用二維X線測(cè)量來(lái)描述三維形態(tài)所帶來(lái)的誤差，能夠更為全面地描述顱面部的形態(tài)結(jié)構(gòu)；以往憑借醫(yī)生主觀經(jīng)驗(yàn)結(jié)合預(yù)測(cè)圖的描繪、模型外科的手術(shù)制定方法將會(huì)徹底改善；將會(huì)為患者及家屬更好地理解正頜手術(shù)方案、預(yù)期療效及并發(fā)癥等問(wèn)題創(chuàng)造條件；為顱面部生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律的研究，解剖學(xué)、人類學(xué)和醫(yī)學(xué)美學(xué)的研究提供全新的技術(shù)方法；為將來(lái)在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中培訓(xùn)外科醫(yī)生，甚至通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程會(huì)診奠定基礎(chǔ)。

3.2優(yōu)點(diǎn)和不足

3.2.1優(yōu)點(diǎn)：①該系統(tǒng)利用雙平面X線立體攝影的原理，獲取了頭顱正側(cè)位片中54個(gè)特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)，借此對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頭顱模型進(jìn)行形變，得到具有患者特征的顱頜硬組織三維模型。實(shí)驗(yàn)中除了面部貼定鉛點(diǎn)的工作外，無(wú)需其他準(zhǔn)備工作即可進(jìn)行數(shù)據(jù)的常規(guī)采集。而且鉛點(diǎn)數(shù)目少，僅5個(gè)，貼定位置明確，易于定位，不會(huì)過(guò)多占用椅位時(shí)間。該實(shí)驗(yàn)解決了傳統(tǒng)二維X線重建方法中利用有限的解剖標(biāo)志點(diǎn)難以生成完整三維模型的問(wèn)題。相比CT重建方法，其優(yōu)點(diǎn)在于方法簡(jiǎn)單、成本低，患者電離輻射的暴露量遠(yuǎn)較CT小［7］，可用于對(duì)正常人的研究，從而建立正常值數(shù)據(jù)庫(kù)；重建所需要的硬件設(shè)備普及率高，使用方便；開(kāi)發(fā)的軟件系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，可以在一般配置的計(jì)算機(jī)中運(yùn)行，有利于進(jìn)行網(wǎng)上交流，提供遠(yuǎn)程會(huì)診。②重建結(jié)果形象逼真：本系統(tǒng)構(gòu)建了顱頜硬組織結(jié)構(gòu)的三維模型，形象逼真地再現(xiàn)了顱頜面的解剖結(jié)構(gòu)和毗鄰結(jié)構(gòu)之間的位置關(guān)系。該模型可以動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)，從多個(gè)角度進(jìn)行觀察，并對(duì)常用的線距，角度的進(jìn)行測(cè)量，可滿足基礎(chǔ)研究或臨床診斷分析的需要，從而為手術(shù)設(shè)計(jì)與形貌預(yù)測(cè)奠定了基礎(chǔ)。較以往學(xué)者利用正側(cè)位片，基于雙目視覺(jué)原理構(gòu)建的顱面部三維框線圖更逼真，更易于接受。③定點(diǎn)工作量少：本系統(tǒng)需要分別在標(biāo)準(zhǔn)頭顱模型和X線正側(cè)位片中標(biāo)定54個(gè)特征點(diǎn)，相比現(xiàn)有文獻(xiàn)中正側(cè)位片能同時(shí)確定的72個(gè)特征點(diǎn)，在保證重建結(jié)果一定準(zhǔn)確性的前提下，經(jīng)反復(fù)嘗試已經(jīng)做出一定程度的減少，主要去除了固有頭顱的部分解剖特征點(diǎn)。因?yàn)樵摬课坏闹亟ńY(jié)果對(duì)后續(xù)的正頜手術(shù)模擬與形貌預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性幾乎沒(méi)有影響。其中，在正側(cè)位片的定點(diǎn)過(guò)程中，可以利用系統(tǒng)提供的X片亮度，對(duì)比度調(diào)節(jié)等功能進(jìn)行解剖結(jié)構(gòu)的識(shí)別，以便于更準(zhǔn)確地定位；標(biāo)準(zhǔn)頭顱模型的定點(diǎn)工作不需要在應(yīng)用于不同患者時(shí)重復(fù)進(jìn)行，因?yàn)樵擖c(diǎn)可以隨標(biāo)準(zhǔn)頭顱的縮放而變化，但解剖位置不變。④重建時(shí)間短，顯示多樣化：因本系統(tǒng)采用的標(biāo)準(zhǔn)頭顱模型屬于表面模型，數(shù)據(jù)量小，僅490kb，相比CT模型，對(duì)計(jì)算機(jī)的配置要求大為降低，硬組織形變過(guò)程20s之內(nèi)即可完成。三維模型的顯示模式有散點(diǎn)、三角片和填充三種，而且可以對(duì)圖像施加光照或紋理圖形學(xué)的算法來(lái)顯示，生成具有真實(shí)感的圖像并突出特定的信息。本系統(tǒng)還可將軟組織和骨組織的圖像疊加在一起顯示，或者分開(kāi)顯示，并進(jìn)行多角度的旋轉(zhuǎn)觀察。這種三維立體的顯示方法特別適用于教學(xué)，相當(dāng)于電子解剖，使面部的解剖關(guān)系更加直觀，易于理解。

3.2.2不足：本實(shí)驗(yàn)是方法的初步探索，在建模過(guò)程中遵循將問(wèn)題簡(jiǎn)單化的原則，因此還存在一些問(wèn)題有待于深化和完善：①關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)頭顱模版上特征點(diǎn)的位置是否準(zhǔn)確，即與正側(cè)位片所描述的位置是否一致，目前還無(wú)法查證。在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，將會(huì)通過(guò)形變模型與CT模型在一些線距、角度測(cè)量結(jié)果的對(duì)比，間接說(shuō)明二者在定點(diǎn)位置上的一致性。②形變特征點(diǎn)的選取是制約形變效果的主要因素。選取點(diǎn)越多，結(jié)果就越真實(shí)，但同時(shí)也增加了臨床醫(yī)生的工作量，可使用性降低；選取點(diǎn)越少，結(jié)果就越粗糙，使臨床可應(yīng)用性成為疑問(wèn)。如何在二者之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)，今后可以繼續(xù)嘗試著改進(jìn)。此外，若能將標(biāo)志點(diǎn)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)整合進(jìn)來(lái)，無(wú)疑會(huì)使建模效率得到大幅度提升。③目前，形變后的顱頜硬組織模型雖然帶有牙齒，但并不代表患者真實(shí)的咬合情況。因?yàn)橐胪ㄟ^(guò)形變技術(shù)來(lái)模擬患者真實(shí)的牙合情況，難度相當(dāng)大，不僅需要每個(gè)牙齒足夠多的信息點(diǎn)，而且在正側(cè)位片上牙齒影像的重疊是相當(dāng)嚴(yán)重的，很難標(biāo)定。今后可以激光掃描牙合模型，再進(jìn)行整合，最終形成具有患者牙合特征的顱頜硬組織模型。

［1］SheldonBaumrinal，MoffitF，CurryS，etal.ThreedimensionalX-raystereometryfrompairedcoplanar images:Aprogress report［J］.Am J Orthod，1983，84（4）:293.

［2］DJ.Rudolfh，Sindair.PM，Loggins.JM.Automaticcomputerized radiographic identifyication of cephalometric landmarks［J］.Am J Orthod Dentofacial Orthop，1998，113（2）:173-179.

［3］MossJP，LinneyAD，GrindrodSR.Three dimensionalvisualizationofthefaceandskullusing computerizedtomography and laser scanning techniques［J］. European Journal of Orthodontics，1987，31（5）:192-197.

［4］Lili Ma，Tianmin Xu，Jiuxiang Lin.Validation of a threedimensional facial scanning system based on structured light techniques［J］.Computer Methods and Programs in Biomedicine，2009，3（3）:62-71.

［5］孫應(yīng)明，惠光艷，胡曉娟，等.計(jì)算機(jī)輔助正頜外科手術(shù)的預(yù)測(cè)和模擬系統(tǒng)-顱頜面硬組織的三維重建［J］.中國(guó)美容醫(yī)學(xué)，2002，11（5）:473-475.

［6］楊志誠(chéng)，沈軍.錐形束CT在口腔頜面外科中的應(yīng)用［J］.醫(yī)學(xué)理論與實(shí)踐，2012，25（5）:533-534.

［7］Ngan DC，Kharbanda OP，Geenty JP，et al.Comparison of radiationlevelsfromcomputedtomographyand conventional dental radiographs［J］.Aust Orthod J，2003，19（2）:67-75.

編輯/何志斌

Study on 3D model of the craniofacial structures by 2D X-ray method

LI Jiang-bo1，ZHOU Hong2
（1.Department of Orthodontics，Urumqi Stomatology Hospital，Urumqi 830000，Xinjiang，China；2.Department of Orthodontics，Affiliated Hospital for Stomatology of Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710004，Shaanxi，China）

ObjectiveIn this study，we used frontal and lateral cephalograms combining laser scanning of the the facial soft tissue as the sources of the information to develope the integrated 3D model of the craniofacial hard and soft tissues.Methods①Setting lead points on the face.Lead a total of five points，distributed in a"+"-like character in both directions，that is，the direction of the center line and Frankfort plane direction.②Shooting frontal and lateral cephalograms.It is necessary to ensure that the posture of the head is level and the teeth are in contact.③To establish the 3D model of the Cranialfacial hard tissue.Take the skull from Asians with integrity structures and clear surface as a standard model，then establish the 3D coordinate system.Adjust to the X-ray films and the coordinates of the line.In the standard model of the skull，set 54 feature points as the initial feature points.Then take a adjustment of the location of these points in the frontal and lateral cephalograms，as the target feature points，ensuring that both the positions defined are in correspondence.Based on a certain deformation algorithm，deform the standard skull model according to the feature points established in the X-ray films，then the model of craniofacial hard tissue in patient is achieved.④Laserscanning of facial soft tissue.A total of three screens are shot including the median facial image and the ones from about 45 degrees in the left and right.⑤Facial soft tissue reconstruction.The three screens by scanning are pretreated，then synthesize the complete 3D model of soft tissue.⑥Fitting of the soft and hard tissues.Fit the facial soft tissue and bone tissue models together according to the lead coordinates.Results①The 3D model that reflects the surface construction of the craniofacial hard tissue was constructed.②The fitting of the hard and soft tissues came ture.The 3D image of the model constructed showed a lively and visual screen of the craniofacial structures，and can be observed from any directions.It laid the foundation of the further orthognathic surgery simulation and morphology prediction.Conclusion①Compared with the CT reconstruction，the system easily access to the information sources，radiation hazards small，although was not as accurate as CT，but the key regions of the model were anastomosis to the surgery patients.It will achieve some kind of application in the future.②3D laser scanning is the most advanced method of accessing to soft tissue，this study had a fitting of the soft and hard tissues，real and reliable.

D X-ray；3D reconstruction；deform

R783.5

A

1008-6455（2015）20-0048-06

周洪，教授，主任醫(yī)師，碩士生導(dǎo)師；E-mail：zhouhong@mail.xjtu.edu.cn

2015-07-20

2015-09-16