配準技術是將不同時期、不同設備或不同部位影像數據空間對齊的一種方法,在臨床中廣泛應用于疾病診斷、關節(jié)置換、放射治療規(guī)劃、療效監(jiān)測等多個領域[1-3]。常用的匹配方法包括剛性變換和非剛性變換,不同類型組織匹配對數據的要求、對算力和時間的消耗以及最終匹配精度不同[4-5]。在顱頜創(chuàng)傷、頜骨缺損修復重建、正頜外科等相關CT影像的研究里,通常處理較多的是顱頜骨這類基本無形變的剛性組織,因而大多用到剛性匹配[6-8]。目前常用的配準方法有基于體素(voxel-based)、基于標記點(landmark-based)和基于表面(surface-based),但還沒有一種能廣泛接受的精準易行的顱頜面三維CT影像配準方法[9]。為提高匹配的精準性、降低匹配的難度、縮短匹配的時間,本研究針對不同治療時期顱頜面CT影像,提出一種基于重心點測量的配準方法,實現高精度顱頜CT影像的三維配準。

1 資料與方法

1.1 臨床資料 選擇2016年1月至2021年12月在聯(lián)勤保障部隊第920醫(yī)院耳鼻咽喉頭頸外科就診20例患者治療前、治療后CT影像資料(DICOM 3.0)。其中男11例,女9例;年齡(30.30±9.48)歲。納入標準:①CT影像包含完整頜面部CT平掃范圍;②至少包含治療前、治療后(間隔1月左右)2次CT影像資料。

1.2 方法

1.2.1 CT數據獲取 頜面部CT影像資料采用64排螺旋CT掃描,層厚0.4～0.6 mm,利用PACS導出DICOM3.0數據。

1.2.2 圖像處理 在3D Slicer 5平臺上[10],通過Segment Editor模塊分割雙側中耳聽小骨及篩骨頂部雞冠作為顱底骨組織特征性區(qū)域(region of interests,ROIs),具體步驟如下:①將閾值范圍設置為226～3 071,獲得骨組織區(qū)域;②修整軸位圖像區(qū)域,將聽小骨與顳骨骨壁相連處分開,通過“Island”工具分別保留左右聽小骨特征骨區(qū)域;③修整軸位圖像區(qū)域,將篩骨與顱底相連層次擦除,通過“Island”工具保留篩骨突入前顱底部分的特征骨區(qū)域;④通過Segment Statistics模塊計算3個特征骨區(qū)域的重心點(Centroid),分別得到其x y z坐標值;⑤在Markups模塊中,利用剛才得到的坐標值,創(chuàng)建PointList,將點位分別命名為右側中耳點(Rc)、左側中耳點(Lc)及雞冠點(Ec),即顱底骨組織3個特征性區(qū)域的重心點,如圖1所示。通過空間兩點距離公式,可計算得到Lc與Ec距離dLRc、Ec與Lc距離dELc、Ec與Rc距離dERc,即顱底三角各邊的長度。

1.2.3 剛性變換CT影像及頜骨形態(tài)變化定量分析 通過Fiducial Registration模塊,將治療前、治療后兩組重心點進行剛性變換,得到變換Transform信息,變換其中包含了平移、旋轉、縮放等信息。對術后CT影像采用Transform變換,得到最終位置,實現治療前、治療后CT影像配準,以比較3個方向上骨組織形態(tài)變化。

將治療前、治療后顱頜骨三維模型,通過Transform變換,實現治療前、后模型的配準,利用Model to Model Distance模塊,計算生成色彩位移圖,觀察頜骨形態(tài)變化情況。

1.2.4 可信度的計算和統(tǒng)計分析 分別由兩位臨床醫(yī)師擔任測量者,分別測量20例患者治療前顱底Rc、Lc及Ec三點的三維直角坐標系坐標值,通過SPSS 19.0計算其組內相關系數(ICC),以驗證該測量方法的可信度。

測量20例患者治療前、治療后顱底三角各邊長度,計算通過SPSS 19.0配對t檢驗,以驗證顱底三角邊長的穩(wěn)定。

2 結果

2.1 DICOM數據信息 獲得20對術前、術后CT影像DICOM數據,其中CT層厚0.450～0.625 mm,體素點尺寸0.320～0.514 mm。

2.2 圖像處理結果 ①Segment Editor模塊圖像分割:聽小骨位于顳骨中耳腔內,錘骨臨接骨膜、鐙骨臨接耳蝸,易于分割;雞冠部變異較多,可表現為分叉、融合、中空等樣式,但僅保留突入前顱底部分也易于分割操作。②調用Segment Statistics模塊,分別計算這3個圖像區(qū)域的重心點,得到Rc、Lc、Ec,如圖2所示。該步驟耗時約1 min。

A:右側中耳聽小骨;B:左側聽小骨;C:篩骨頂部雞冠;D:放大后右側聽小骨;E:放大后左側聽小骨;F:放大后雞冠。

2.3 剛性變換結果 以1例下頜骨右側巨大囊性病變患者為例,治療前右側下頜骨體部被嚴重侵蝕,累及髁突,如圖3所示。開窗置管治療1年后,下頜骨成骨良好,囊性病變明顯縮小,如圖4所示。但2次CT的拍攝范圍、頭顱角度位置均不同。采用重心點測量后,剛性變換術后CT影像,將治療前后CT配準后影像擬合顯示,如圖5顯示。平均剛性變換操作耗時約10 s。

治療前CT軸位、冠狀位、矢狀位、三維重建影像,可見右側下頜骨體部被嚴重侵蝕,累及髁突。

開窗置管治療1年后CT軸位、冠狀位、矢狀位、三維重建影像,可見,下頜骨成骨良好,囊性病變明顯縮小。

將治療前、開窗置管治療1年后CT影像配準,軸位、冠狀位、矢狀位上圖像重合良好,頜骨解剖結構標志清晰,三維重建影比對頜骨成骨變化情況直觀可靠。

配準后擬合顯示:從軸位清晰可見,上頜骨及左側下頜骨升支配準良好,病變區(qū)域可見骨體明顯縮小,成骨良好;從冠狀位清晰可見,顱骨、左側下頜骨升支、莖突均配準良好;矢狀位清晰可見,顱骨、眶底配準良好,下頜骨新生骨骨小梁清晰;三維CT上可見,顱頜部淺黃色治療前CT影像與深黃色治療后CT影像平滑過渡,但頸椎部不重合。

2.4 測量結果 通過兩位測量者測量的顱底重心標志點坐標值的可靠性分析統(tǒng)計,得到組內相關系數為0.878。同一患者不同時期拍攝的顱頜面部CT,其拍攝參數、影像范圍、頭位角度均有所不同,因此對于同一骨性區(qū)域的重心標志點,其三維坐標值也完全沒有可比性。通過計算3個標志點坐標值之間的相對距離,可發(fā)現其長度基本恒定。顱底標志點間距離治療前、治療后差距:dLRc為(0.049±0.060)mm、dELc為(0.259±0.229)mm、dERc為(0.231±0.248)mm,小于層厚及體素點尺寸。將dLRc、dELc、dERc經配對t檢驗,P>0.05,無統(tǒng)計學差異,如表1所示。

表1 治療前后配對t檢驗統(tǒng)計結果

2.5 治療前后頜骨形態(tài)分析 通過計算生成色彩位移圖,可見頜骨囊性病變經治療后,形態(tài)變化顯著,下頜骨升支最大位移約17 mm;而頜骨其它部分匹配精準,僅在牙列、頦部、顴弓根區(qū)域有1 mm左右移位;在頸椎部分偏移較大,也達到10 mm左右,如圖6所示。

圖6 治療前后顱頜骨形態(tài)色彩位移圖

3 討論

圖像配準技術是目前醫(yī)學圖像領域的熱門技術,廣泛應用于疾病的診斷、治療計劃擬定、指導治療和疾病進展的觀測[7]。在顱頜創(chuàng)傷、頜骨缺損修復重建、正頜外科、頜骨腫瘤等領域,需要精準比對術前、術后CT影像,以評估術治療的效果[11]。目前常用的配準方法有基于體素(voxel-based)、基于標記點(landmark-based)和基于表面(surface-based),每種方法各有優(yōu)缺點,不同的配準方法,對數據的處理要求、對算力和時間的消耗以及最終匹配精度不同[4],但還沒有一種能廣泛接受的精準易行的顱頜面三維CT影像配準方法[9]。

基于標記點法是通過設定特定標記點位,不需要進行復雜的計算和優(yōu)化搜索,能夠實現圖像之間最快速、最精確的配準[12]。在顱頜面常選用鼻根點、顴弓點、眶下緣點、外耳點、蝶鞍點等這類明顯骨性標志點。在基于X線片二維測量時代,這些標志點較為明確。進入基于CT的三維測量后,雖然三維測量更能準確反映面部標志點對稱性情況,可以更精確地應用于數字化設計[13],但隨之而來的是標志點的識別更加困難、更加耗時[14]?；隗w素法是選取一定區(qū)域的CT數據,根據其中每一個體素的Hu值進行配準。Bazina等[15]對31名正頜手術患者用Dolphin軟件基于體素配準,手動標記顱底一定Hu范圍內的骨質,作為配準參考,計算得出配準最小偏差在左側顴骨區(qū),為(0.09±0.07)mm,最大偏差在右側顴骨區(qū),為(0.21±0.13)mm?；诒砻娣ㄊ峭ㄟ^建立高質量的表面模型,通過復雜的計算而得到。目前引用較多的是Cevidanes等[16]提出的基于顱底形態(tài)的表面配準方法,3名測量者之間差異在0.26 mm左右。Ghoneima等[17]比較了這3種方法,認為用前顱底作為參考結構的基于表面法和基于體素法匹配非常精準,但基于標記點法精度略遜。

本研究選用基于重心點計算的方法,結合了標志點法和體素法的優(yōu)勢,分割顱底特征性很強的聽小骨、雞冠區(qū)域,對分割區(qū)域所有體素計算得出唯一的重心點。組間相關系數為0.878,表明該測量方法高度可信。證明個別像素、層位的偏差并不會造成重心點明顯偏移。

Bastir等[18]指出前顱底發(fā)育完成早于頜面骨,且顱底的形態(tài)與面部高度、寬度密切相關[19],且對于面部不對稱和下頜前突患者,其顱底容積對應性增大并與下頜不對稱相關[20-21]。因此,本研究對象顱底已經發(fā)育完成,理論上治療前后顱底形態(tài)不應有變化。統(tǒng)計結果也證明:治療前治療后顱底重心點標志點距離差異無統(tǒng)計學意義,也小于CT體素本身尺寸。

在治療前后顱頜骨形態(tài)色彩位移圖中,顱頜骨整體匹配非常精準,囊性病變經過治療后體積顯著縮小;牙列、頦部有少量偏移,考慮為下頜骨位置有所偏移;在右側顴弓根的局部少量偏移,其原因尚不清晰,或許與頜骨形態(tài)變化后對關節(jié)窩的受力改變有關;在頸椎、舌骨部分偏移較大,與患者不同時期拍攝,體位變化較大有關。

綜上所述,本研究通過分割顱底中耳聽小骨、雞冠區(qū)域方法確定,計算重心點作為標志點,再剛性匹配的方式,實現了不同時期CT影像高精度三維剛性配準。這種方法配準精準性高、難度降低、時間縮短,可以廣泛用于顱頜面硬組織三維配準,精確觀測比對不同時期CT影像數據,評估骨組織形態(tài)變化。