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综 述

X 线头影测量分析系统的研究现状

温兴涛综述, 李晓智审校

(重庆医科大学附属第一医院口腔科 400016)

关键词:头影测量; 软件; 图像处理; 计算机

中图分类号:R816 1文献标识码:A X 线头影测量技术自1931年由Broadbent 开创以来, 便成为研究颅面生长发育、牙颌畸形机理的重要手段, 在正畸与正颌外科临床与科研中一直具有重要作用。其历史发展可分为3个阶段:(1) 手工描点与测量阶段; (2) 计算机辅助测量分析阶段; (3) 全自动X 线头影测量分析系统阶段。下面就国内外在此项研究中的研究现状作一综述。

1 头影测量分析系统的历史回顾

1 1 Broadbent 在1931年创立了用于头影测量分析的定位正侧位X 线片的拍摄方法和技术。其方法是在头颅定位仪定位

文章编号:1671 8348(2003) 11 1577 03

控制下拍摄X 光片, 然后将硫酸纸覆盖于X 光片上, 对X 线片的头影轮廓及诸测量标点进行描绘。通过人工测量所需要的线段和角度, 做出测量分析。

1 2 1958年丹麦皇家牙学院诞生了世界上第1套计算机辅助头影测量分析系统。随后Bjork 和Solow 首先将电子计算机应用于X 线头影测量。70年代初, 数字化仪被运用于头影测量分析系统, 其将原来的头影描绘图迹上的手工定点变为通过图形数字化仪将描绘图上的标志点输入到计算机内, 再经计算机测量, 分析处理, 从而回收到各种分析结果和面部模板图。

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但是, 无论是手工测量或是计算机数字化测量, 均需在头影描绘图上进行, 从头颅X 线摄片到最终得到测量结果的过程中, 可能因摄像、描图、定点及测量方面的原因造成偏差, 影响结果的可靠性。

1978年Okasw 将头像处理技术用于X 线头颅片, 随之而来的是80年代开发出的数字图像处理X 线头影测量分析系统。该类系统通过头像输入设备, 可直接将X 线头颅片的头像输入计算机内并进行测量分析。该系统有两大特点:其一通过专门设计的灯箱, 将头颅影像片在灯箱上显影后再经摄像机摄入, 减少图像灰度信息的非线性失真, 使显示器上冻结后的头颅图像具有清晰的高分辨性, 提高头影图像的整体清晰度。其二为通过伪彩色来增强图像, 使X 线片上头颅影像的一些难以分辨的灰度范围, 经伪彩色处理后能清晰地分辨出不同的组织结构, 对一些因投照条件影响而不清晰的软组织侧影轮廓经图像伪彩色处理亦可十分清晰的显示[1]。数字图像处理X 线头影测量系统的运用, 改变了以往X 线头影测量必须在X 线头影描绘图上进行描绘的方法。省去了头影图迹描绘过程, 特别是经过图像的灰度变换, 伪彩色处理和边缘增强等图像技术, 能够准确的测定各测量标志点, 保证了头影测量分析的可靠性, 提高了测量的精度和效率。

2 头影测量分析系统的研究现状

2 1 计算机辅助头影测量分析系统的研究

2 1 1 基于二维分析的计算机辅助头影测量分析系统 利用侧位X 线头影测量对颅颌面结构进行分析即为二维的头影测量分析方法。在此项研究中近年来学者们致力于在数字图像处理技术的基础上研究各种功能软件的开发, 改善边缘的提取, 尝试正颌外科手术的模拟及术后容貌的预测等, 并取得了理想的效果。

在国外, 1998年Schulate G 等开发了一套图像视频颌面预测软件, 该软件运用头影测量技术对25例正颌外科手术病人软组织的改变程度进行术前预测, 然后与手术的实际结果进行比较, 结果显示该软件的预测准确性高达80%以上[2]。1999年T sang KH 等研制一套非放射性的头影测量分析方法, 即在数字图形工作站中通过声波数字化系统来测量X 线头颅侧位片。用此方法对30例病人的15项角度及一项线距进行测量, 并将测量结果与传统方法的测量结果进行比较, 差异较显著。作者认为此项技术有待完备, 但却为以后的研究提供了一个方向。2001年T urner PS 等研制一套扫描头影测量方法, 该方法将X 光片用平台扫描仪进行扫描, 图片显示于计算机后, 在计算机显示屏上进行各标志点的描绘, 通过专用软件分析显示其精确度已达到临床应用要求[4]。在国内, 1998年惠光艳等研制了一种新的X 线头影测量分析系统, 就是充分考虑到了正颌外科手术模拟及术后容貌预测, 它采用彩色图像扫描仪作为输入装置, 通过此直接获取头颅X 线片信息输入并存入计算机, 然后在W indows 环境下, 采用V isual C 语言编制程序, 在计算机屏幕上对X 线片进行再现与增强, 进而选取颅颌结构的特征点。此系统的特点是可以任意显现软硬组织, 为正颌外科手术模拟及术后容貌预测提供了便利[5]。2000年徐芸等研制的外寄生式X 线头影测量分析系统, 利用高分辨率的扫描仪输入头影测量X 线片, 在窗口环境下使用高级可视化编程语言VB 建立头影测量参数化系统, 对正畸信息进行集成构成头影测量信息输入数据库, 并对患者进行辅助诊断及预测, 结, 包括示, 重

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叠对比等。2001年姚森研制一套采用计算机显示器作为输入装置的X 线头影测量分析系统, 其直接利用计算机显示器输入标志点与轮廓, 并运行于Window s 9X/N T 环境下进行X 线头影测量分析。该系统具有硬件普及, 兼容性好, 易于扩展, 人机界面友好, 标志点的输入简便等优点, 具有较强的推广价值[6]。

2 1 2 基于三维分析的计算机辅助头影测量分析系统 由于牙颌颅面结构本身是三维立体结构的二维表现, 能否将颅面部的解剖形态以三维的形式形象化, 是很多学者热衷研究的问题。目前有两种三维测量分析的方法。

2 1 2 1 以正位和侧位片相结合进行三维立体坐标的重建, 从而进行牙颌, 颅面立体分析。此方法和技术目前已较为成熟, 并部分运用于口腔正畸和正颌外科临床。1998年姚森等报道一种运用标准化和个体化相结合的三维分析方法对复杂、不对称的颅颌面畸形进行诊断分析, 其能确切地诊断出畸形的部位和程度, 对颅颌面畸形矫治方案的确定具有重要意义[7]。2000年王邦康等将视频测量技术运用于三维诊断领域, 其以头颅正侧位片为资料, 重建颅颌标志点的三维坐标, 反映颅颌真实的三维结构, 同时也可分别完成对正侧位片的二维测量[8]。2001年胡哲雄等研制一套面部软组织的三维系统, 其能对面部软组织进行高效简便的三维测量[9]。在国外, 2000年Csazar GR 等研制一套三维的正颌外科模拟系统, 对功能性和美学上的上颌骨发育异常以及Ang le 类错畸形患者进行术前预测, 并与术后的测量结果进行比较, 结果显示该正颌外科模拟系统能用于制定精确的手术计划, 且对较困难的两颌手术能进行较好的预测[10]。2001年M ori Y 等研制出一种精确的三维分析系统, 该系统在X 线头颅正位和侧位片上建立三维坐标系以矫正拍片时由于照片放大和头颅错位所引起的误差, 结果显示其准确性较高, 有较强的推广价值[11]。

2 1 2 2 运用CT 扫描进行三维重建, 此技术出现于20世纪70年代末, 1985年M arsh Masuno 等人发展了此技术[12]。2000年, K itaura H 等建立一种通过三维转换的模拟CT 测量系统, 结果显示其准确性较高, 作者认为这种新的评估方法可以对正颌外科手术提供较有力的帮助[13]。Z ! Graggen M 2001年报道通过CT 拍摄的三维侧面像, 通过数字化的测量系统, 某些复杂的在三维空间内不对称的头影图可以被实质性改善[14]。同年孙凯群等使用螺旋CT 、三维影像重建和计算机测量系统对颅中窝底区解剖标志点进行三维测量, 对颅中窝底区病变的诊断和治疗有积极的指导意义[15]。

2 2 全自动头影测量分析系统的研究 为使头影测量省时且准确性高, 只有实现计算机的自动识别。在国外Cohen 1984年首先介绍了自动提取X 线头影测量片相关标志点的方法, 成功地获取了N 和S 两个标志点。M ostafa 在自动X 线头影测量分析系统的研制中采用了不同的方法分别对X 线的软硬组织进行图形处理和边界提取。但Rudolph 认为靠边缘对物体定位是不可靠的, 边缘不能代表中心, 宽度等的特征, 用边缘对图形的扫描忽略了丰富的来自图像灰度的结构信息。他于1998年用SS 技术(spatial spectroscopy 立体分光镜技术) 研制了X 线头影测量, 自动对15个硬组织标志点进行了识别和测量分析。SS 技术利用一套滤光器按照特定的统计学方式对标志点进行识别定位, 在X 线头影测量的影像输入上迈出了新的一步[16]。2000年Hutton T J 等通过自动塑型方法建立一套系统, 16自动

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3 头影测量分析系统的发展方向

由于只有实现全自动头影测量, 才能避免人工描点, 图像的输入, 输出等造成的误差, 达到理想的精确度。所以, 全自动头影测量分析系统的不断完善将是我们的研究方向, 越来越多的标志点将会被计算机自动识别。同时, 在CT 和M RI 的应用上, CT 是测定X 射线在空间中通过各解剖层面时的衰减参数, 其骨性结构能比软组织衰减更多的X 射线, 因此, CT 常用于观察硬组织解剖结构。而M RI 在软组织内有很好的分辨率和对比, 将CT 和M R I 广泛应用于头影测量分析系统, 再现颅面的真实结构, 从而进行全自动的三维测量分析, 将是未来发展方向之所趋。

总之, 随着医学美容学的发展、人们审美观念的增强及生活水平的提高, 保健与美容将是本世纪医学的主题。同时, 伴随计算机硬软件等高科技的发展, 快速而准确的全自动头影测量分析系统必将广泛地应用于临床并得到日新月异的发展与完善。参考文献:[1]

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