金珉廷，劉 怡

(北京大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院·口腔醫(yī)院，正畸科 國(guó)家口腔疾病臨床研究中心 口腔數(shù)字化醫(yī)療技術(shù)和材料國(guó)家工程試驗(yàn)室 口腔數(shù)字醫(yī)學(xué)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

頭影測(cè)量分析在口腔正畸臨床中是不可或缺的一部分，也是臨床醫(yī)生做出正確合理的診斷和治療設(shè)計(jì)的依據(jù)，其中頭位是頭影測(cè)量應(yīng)用的基礎(chǔ)[1]。由于獲取影像過(guò)程中出現(xiàn)對(duì)象姿勢(shì)的變化造成個(gè)體差異，測(cè)量之前頭顱影像的再定位(reorientation)是必然的過(guò)程。確定頭位可通過(guò)兩種方法實(shí)現(xiàn)，即顱內(nèi)和顱外。顱內(nèi)確定頭位方法指以顱內(nèi)解剖標(biāo)志點(diǎn)為基礎(chǔ)構(gòu)建平面而確定頭部位置；顱外確定頭位方法指是通過(guò)視線等，以反映個(gè)體實(shí)際形態(tài)或生理特性而確定個(gè)體頭部位置[2]。在傳統(tǒng)二維頭顱側(cè)位片上，將經(jīng)過(guò)眶下點(diǎn)(orbitale，Or)和耳點(diǎn)(porion，Po)構(gòu)成眶耳平面(frankfort plane，F(xiàn)H plane)，或蝶鞍點(diǎn)(sella, S)和鼻根點(diǎn)(nasion，N)連線構(gòu)成前顱底平面(SN plane)作為經(jīng)典的顱內(nèi)構(gòu)建水平面確定頭位的方法。一直認(rèn)為“自然頭位(natural head position, NHP)”是最普遍而標(biāo)準(zhǔn)化的顱外頭位確定方法，具有高度可重復(fù)性，定義為兩眼平視前方，視線軸與地平面平行[3]，并且認(rèn)為FH平面與地平面平行時(shí)頭部位置幾乎與自然頭位一致[4]，但是在1956年Downs[5]通過(guò)100個(gè)青少年的側(cè)面相與頭顱側(cè)位片結(jié)合證明，顱內(nèi)FH平面與自然頭位之間可產(chǎn)生向上或向下10°的偏差，在臨床設(shè)計(jì)分析中一定要慎重考慮。之后，多數(shù)研究證明了FH平面和自然頭位確定的頭部位置不一致[6-7]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，大視野錐形束CT(cone beam computed tomography，CBCT)影像超越了二維頭影測(cè)量學(xué)的局限性，這種技術(shù)的應(yīng)用使硬組織和軟組織結(jié)合解釋立體顱面部成為可能[8-11]。關(guān)于頭位確定的研究也開始使用三維影像，使其更加完善。目前對(duì)于三維頭顱影像的再定位，仍然基于耳點(diǎn)和眶下點(diǎn)構(gòu)成的水平面。使用立體的三維影像無(wú)雙側(cè)結(jié)構(gòu)、標(biāo)志點(diǎn)重疊的問(wèn)題，即構(gòu)建水平面可選用雙側(cè)耳點(diǎn)和雙側(cè)眶下點(diǎn)[12-13]，但是由于人體普遍存在不對(duì)稱性，雙側(cè)4個(gè)標(biāo)志點(diǎn)同時(shí)在一個(gè)平面很難。目前有研究表明，在三維頭顱影像中雙側(cè)耳點(diǎn)和雙側(cè)眶下點(diǎn)隨機(jī)選取三個(gè)點(diǎn)構(gòu)建4種水平面，并與傳統(tǒng)二維影像構(gòu)建的FH平面進(jìn)行比較，結(jié)果顯示差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[14]。應(yīng)用顱面部三維影像可以足夠清楚地觀察到標(biāo)志點(diǎn)的位置，但是由于存在雙側(cè)解剖結(jié)構(gòu)的形態(tài)和/或位置上的不對(duì)稱，在三維空間當(dāng)中，雙側(cè)耳點(diǎn)和雙側(cè)眶下點(diǎn)同時(shí)構(gòu)建一個(gè)水平面是很難的。本研究通過(guò)比較三維頭顱影像中在雙側(cè)耳點(diǎn)和雙側(cè)眶下點(diǎn)中隨機(jī)選取三個(gè)點(diǎn)構(gòu)建的4種水平平面，并進(jìn)一步檢驗(yàn)頭部位置的變化對(duì)于雙側(cè)耳點(diǎn)和雙側(cè)眶下點(diǎn)位置的影響，為三維頭影測(cè)量確定水平參考平面提供理論依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料

選擇2016年4月至2017年7月于北京大學(xué)口腔醫(yī)院正畸科就診的患者32例，年齡13～51歲，平均(20.2±9.54)歲，其中男性7例，女性25例。納入標(biāo)準(zhǔn)：(1)恒牙列；(2)頦下點(diǎn)(menton，Me)離正中矢狀面的距離≤2 mm[15]，面部基本協(xié)調(diào)對(duì)稱，無(wú)明顯畸形；(3)無(wú)正畸治療或正頜外科手術(shù)史；(4)無(wú)腫瘤、唇腭裂等顱面部疾?。?5)無(wú)面部外傷史；(6)全身狀況良好，無(wú)全身疾病史。排除標(biāo)準(zhǔn)：(1)乳牙列；(2)多生牙，牙列缺損；(3)Me點(diǎn)離正中矢狀面的距離>2 mm；(4)面部先天性畸形或外傷史；(5)正畸或正頜外科手術(shù)史。本研究經(jīng)過(guò)北京大學(xué)口腔醫(yī)院倫理委員會(huì)審查批準(zhǔn)(PKUSSIRB-201631133)， 所有參與研究的對(duì)象均簽署知情同意書。

1.2 數(shù)據(jù)獲取

用CBCT掃描儀(NewTom VG Volumetric Scanner，Aperio公司，意大利)獲取正畸患者的數(shù)據(jù),掃描范圍從顱骨頂部至頦部。掃描參數(shù)：電壓110 kV，電流1～20 mA，投照范圍為15 cm×15 cm，空間分辨率為0.30 mm，放射時(shí)間約3.6 s。掃描數(shù)據(jù)以DICOM格式儲(chǔ)存。

1.3 測(cè)量

進(jìn)行4種不同水平參考平面在三維虛擬空間中旋轉(zhuǎn)角度的測(cè)量，首先在Dolphin軟件中導(dǎo)入DICOM格式的CBCT數(shù)據(jù)，本研究采用的解剖標(biāo)志點(diǎn)見(jiàn)表1。為了減少定點(diǎn)誤差，三維頭顱影像渲染圖與多維圖結(jié)合進(jìn)行雙側(cè)耳點(diǎn)和雙側(cè)眶下點(diǎn)的定點(diǎn)，并保存(圖1)。進(jìn)入軟件3D 定向頁(yè)面，借助紅色參考線，將水平面調(diào)整至其所定義的位置。為了構(gòu)建一致的坐標(biāo)系，正中矢狀面在三維渲染圖與多維圖結(jié)合應(yīng)用下，使參考紅線經(jīng)過(guò)N點(diǎn)、S點(diǎn)和樞椎齒突最高點(diǎn)(Dent)的位置而構(gòu)建。從雙側(cè)耳點(diǎn)和雙側(cè)眶下點(diǎn)(共4個(gè)標(biāo)志點(diǎn))中隨機(jī)選取三個(gè)點(diǎn)構(gòu)建4種不同水平面，分別定義為，平面1：水平面由雙側(cè)眶下點(diǎn)與右側(cè)耳點(diǎn)構(gòu)成，簡(jiǎn)稱Rp平面；平面2：水平面由雙側(cè)眶下點(diǎn)與左側(cè)耳點(diǎn)構(gòu)成，簡(jiǎn)稱Lp平面;平面3：水平面由雙側(cè)耳點(diǎn)與右側(cè)眶下點(diǎn)構(gòu)成，簡(jiǎn)稱Ro平面；平面4：水平面由雙側(cè)耳點(diǎn)與左側(cè)眶點(diǎn)構(gòu)成，簡(jiǎn)稱Lo平面(圖2)。在軟件三維虛擬空間當(dāng)中計(jì)算的旋轉(zhuǎn)角度為俯仰角(Pitch)、 側(cè)偏角(Yaw) 和橫滾角(Roll)， 其定義見(jiàn)表2、3和圖3。根據(jù)Oh等[14]建議以雙側(cè)眶下點(diǎn)和右側(cè)耳點(diǎn)構(gòu)建的水平面作為參照，即本研究以Rp平面為基準(zhǔn)，記錄以軟件全局坐標(biāo)系計(jì)算的每一平面與之旋轉(zhuǎn)角度的差異(表4)。將研究對(duì)象根據(jù)年齡分為兩組：(1)13～17歲組：男性5例、女性13例，共18例；(2)18歲以上組：男性2例、女性12例，共14例。不同年齡組分別以Dent點(diǎn)作為三維影像坐標(biāo)系的原點(diǎn)測(cè)量雙側(cè)耳點(diǎn)和雙側(cè)眶下點(diǎn)位置，分析頭部的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)雙側(cè)耳點(diǎn)和雙側(cè)眶下點(diǎn)位置的影響。間隔兩周由同一位研究者進(jìn)行第二次水平面的確定，并記錄測(cè)量值。

表1 解剖標(biāo)志點(diǎn)的定義Table 1 Define of hard and soft tissue landmarks for head orientation

表2 旋轉(zhuǎn)角正負(fù)的確定Table 2 Define of plus and minus to confirmed direction of 3D rotation

表3 三維旋轉(zhuǎn)角度的定義Table 3 Define of 3D rotation degrees

MSP, mid-sagittal plane.

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

應(yīng)用SPSS Statistics(Version 20，IBM，Chicago, US)軟件，計(jì)算組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(intraclass correlation coefficient，ICC)， 比較兩次測(cè)量結(jié)果的一致性，檢驗(yàn)測(cè)量者自身的可靠性。進(jìn)行單因素重復(fù)測(cè)量方差分析檢驗(yàn)組內(nèi)4個(gè)平面之間的差異。雙側(cè)檢驗(yàn)水準(zhǔn)α=0.05，P<0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 計(jì)算ICC

兩周后重復(fù)測(cè)量數(shù)據(jù)與第一次測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算ICC分別為：Rp平面的r=0.987，Lp平面的r=0.892，Ro平面的r=0.891，Lo平面的r=0.832。兩次測(cè)量結(jié)果自身的可靠性高，其中雙側(cè)眶下點(diǎn)與右側(cè)耳點(diǎn)構(gòu)建的Rp平面一致性最高。

圖1 雙側(cè)眶下點(diǎn)和雙側(cè)耳點(diǎn)的定點(diǎn)Figure 1 Tracing the bilateral orbitale and bilateral porion

圖2 4種水平平面的確定: Rp平面由雙側(cè)眶下點(diǎn)與右側(cè)耳點(diǎn)構(gòu)成；Lp平面由雙側(cè)眶下點(diǎn)與左側(cè)耳點(diǎn)構(gòu)成；Ro平面由雙側(cè)耳點(diǎn)與右側(cè)眶下點(diǎn)構(gòu)成；Lo平面由雙側(cè)耳點(diǎn)與左側(cè)眶點(diǎn)構(gòu)成Figure 2 Define of horizontal planes：Rp plane constructed by bilateral orbitale and right porion; Lp plane constructed by bilateral orbitale and left porion; Ro plane constructed by bilateral porion and right orbitale; Lo plane constructed by bilateral porion and left orbitale

圖3 三維虛擬空間旋轉(zhuǎn)角度的定義Figure 3 Define of 3-dimensional rotation degree

2.2 4種水平面的比較

以Rp平面為基準(zhǔn)(設(shè)置Rp平面Pitch=0、Yaw=0、Roll=0)平面，Lp、Ro、Lo旋轉(zhuǎn)程度的均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差見(jiàn)表4。正負(fù)代表方向，可見(jiàn)組內(nèi)不同平面旋轉(zhuǎn)角度≤0.2°。單因素重復(fù)測(cè)量方差分析比較組內(nèi)4種不同水平面之間三維旋轉(zhuǎn)角度的差異，結(jié)果組內(nèi)4種水平參考平面的俯仰角P=0.196、側(cè)偏角P=0.314、橫滾角P=0.341, 均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。

2.3 頭位轉(zhuǎn)動(dòng)與標(biāo)志點(diǎn)位置關(guān)系

根據(jù)年齡將研究對(duì)象分為兩組進(jìn)行計(jì)算：(1)13～17歲組：男性5例、女性13例，共18例；(2)18歲以上組：男性2例、女性12例，共14例。以Rp平面為參照，Dent點(diǎn)作為原點(diǎn)(origin point)分別計(jì)算雙側(cè)耳點(diǎn)和雙側(cè)眶下點(diǎn)位置的均值和標(biāo)準(zhǔn)差(表5)。應(yīng)用圓周長(zhǎng)公式(圓周長(zhǎng)= 2πr)計(jì)算頭部產(chǎn)生1°轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)不同標(biāo)志點(diǎn)產(chǎn)生的位置變化(表6)。

表4 以Rp平面為基準(zhǔn)不同平面之間旋轉(zhuǎn)角度的差異/(°)Table 4 Rotation degree differences between three planes with Rp plane respectively/(°)

表5 不同年齡段以Dent點(diǎn)為原點(diǎn)的標(biāo)志點(diǎn)的位置/mmTable 5 Landmark coordinates in different age groups/mm

表6 不同年齡段以Dent點(diǎn)為原點(diǎn)計(jì)算頭部不同方向1°轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)雙側(cè)耳點(diǎn)和雙側(cè)眶下點(diǎn)產(chǎn)生的距離變化/mmTable 6 Based on different ages apply the circumference formula calculated change of bilateral porion and orbitale position generated by head rotation in different directions/mm

3 討論

3.1 傳統(tǒng)水平面的確定

3.2 三維正中矢狀面的確定

應(yīng)用三維頭顱影像構(gòu)建正中矢狀面(mid-sagittal plane， MSP)的方法大致有三種，不同正中矢狀面的位置會(huì)增加面部的不對(duì)稱性，也會(huì)造成三維頭影測(cè)量值的誤差[19]。構(gòu)建正中矢狀面的方法有：(1)利用解剖標(biāo)志點(diǎn)的點(diǎn)構(gòu)法；(2)普氏分析法；(3)迭代最近點(diǎn)算法。點(diǎn)構(gòu)法常用的解剖標(biāo)志點(diǎn)有N點(diǎn)、S點(diǎn)、前鼻棘點(diǎn)(anterior nasal spine，ANS)、顱底點(diǎn)(basion，Ba)和Dent點(diǎn)[12, 20]。迭代最近點(diǎn)算法和普氏分析法是通過(guò)應(yīng)用逆向工程軟件使用獨(dú)特計(jì)算公式求得正中矢狀面的方法。Xiong等[21]研究迭代最近點(diǎn)算法和普氏分析法之間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，兩種方法均適合用來(lái)確定正中矢狀面。王斯維等[22]比較構(gòu)建正中矢狀面的三種方法，結(jié)果迭代最近點(diǎn)算法和點(diǎn)構(gòu)法之間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但是這兩種方法與普氏分析法之間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。目前迭代最近點(diǎn)算法和點(diǎn)構(gòu)法被認(rèn)為比較可靠，因此，本研究為了排除不同軟件之間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的誤差和為了實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)化，使用了N點(diǎn)、S點(diǎn)和Dent點(diǎn)來(lái)構(gòu)建正中矢狀面。

3.3 三維水平面的確定

三維影像的出現(xiàn)和發(fā)展使立體的牙頜顱面部軟硬組織解剖結(jié)構(gòu)清晰、準(zhǔn)確定點(diǎn)成為可能。應(yīng)用三維頭顱影像再定位的核心步驟是坐標(biāo)系的建立和設(shè)置原點(diǎn)。三維頭顱影像的坐標(biāo)系由水平面、正中矢狀面、冠狀面構(gòu)成。目前三維顱面影像構(gòu)建水平面的方法主要有：(1)選用雙側(cè)耳點(diǎn)與一側(cè)眶下點(diǎn)構(gòu)建；(2)選用雙側(cè)眶下點(diǎn)與一側(cè)耳點(diǎn)構(gòu)建；(3)選用雙側(cè)耳點(diǎn)與雙側(cè)眶下點(diǎn)連線中點(diǎn)構(gòu)建；(4)選用雙側(cè)眶下點(diǎn)與雙側(cè)耳點(diǎn)連線中點(diǎn)構(gòu)建。Oh等[14]比較傳統(tǒng)二維頭顱側(cè)位片與三維頭顱影像相應(yīng)的測(cè)量值，結(jié)果顯示傳統(tǒng)二維頭顱側(cè)位片構(gòu)建的FH平面與在三維影像中由雙側(cè)耳點(diǎn)和雙側(cè)眶下點(diǎn)隨機(jī)選取三個(gè)點(diǎn)構(gòu)建的4種水平面之間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，相關(guān)系數(shù)約為0.7。Lim等[23]比較以上四種方法構(gòu)建的水平面和外側(cè)半規(guī)管平面(lateral semicircular canal plane，LSP)， 以面部對(duì)稱10例、面部不對(duì)稱10例、唇腭裂10例為研究對(duì)象，結(jié)果顯示5種三維顱面水平參考平面的測(cè)量者自身可靠性(組內(nèi))及3個(gè)不同測(cè)量者之間(組間)差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。本研究為了減少定點(diǎn)誤差，應(yīng)用Dolphin軟件中定位功能，結(jié)合使用紅色參考線和多維圖來(lái)準(zhǔn)確地確定雙側(cè)耳點(diǎn)和雙側(cè)眶下點(diǎn)位置而構(gòu)建不同水平面。

3.4 解剖標(biāo)志點(diǎn)的位置

臨床頭影測(cè)量分析結(jié)果使用毫米(mm)或者角度(°)來(lái)表示，常用標(biāo)志點(diǎn)位置的變化是需要關(guān)注的內(nèi)容，因此，本次研究進(jìn)一步分析了頭部三維方向的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)雙側(cè)耳點(diǎn)和雙側(cè)眶下點(diǎn)位置的影響。目前Kim等[24]應(yīng)用CBCT研究軟組織和硬組織雙側(cè)耳點(diǎn)在三維空間中的位置關(guān)系，將雙側(cè)軟組織和硬組織耳點(diǎn)連線，以一側(cè)耳點(diǎn)設(shè)置為原點(diǎn)，分別計(jì)算發(fā)生1°旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)側(cè)耳點(diǎn)產(chǎn)生的距離變化，結(jié)果顯示硬組織耳點(diǎn)發(fā)生約2.0 mm的變化，軟組織耳點(diǎn)發(fā)生約2.5 mm的變化，但是人的頭部以枕環(huán)關(guān)節(jié)為軸發(fā)生各方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，本研究以Dent點(diǎn)為原點(diǎn)計(jì)算頭部不同方向1°轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)雙側(cè)耳點(diǎn)和雙側(cè)眶下點(diǎn)產(chǎn)生的距離變化。由于顱面部形態(tài)及各標(biāo)志點(diǎn)位置的測(cè)量受到生長(zhǎng)發(fā)育的影響，本研究將研究對(duì)象分為兩組進(jìn)行分析，分別為13～17歲組和18歲以上組，結(jié)果顯示不同方向的頭部轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)雙側(cè)耳點(diǎn)和雙側(cè)眶下點(diǎn)產(chǎn)生不同的距離變化，無(wú)論在什么年齡段，雙側(cè)眶下點(diǎn)發(fā)生1°俯仰角和側(cè)偏角變化時(shí)產(chǎn)生1 mm以上距離變化；雙側(cè)耳點(diǎn)發(fā)生1°側(cè)偏角和橫滾角變化時(shí)產(chǎn)生1 mm以上距離變化。

本研究在三維頭顱影像中選取雙側(cè)耳點(diǎn)和雙側(cè)眶下點(diǎn)構(gòu)建4種不同水平面，并測(cè)量俯仰角、側(cè)偏角、橫滾角。通過(guò)本次研究和以往研究結(jié)果，臨床建議使用雙側(cè)眶下點(diǎn)和右側(cè)耳點(diǎn)構(gòu)建的三維影像水平面，即本研究中的Rp平面確定頭位。本研究選取面部基本對(duì)稱的病例，雖然測(cè)得的水平面之間旋轉(zhuǎn)角度差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但不為零，說(shuō)明個(gè)別對(duì)象的雙側(cè)耳點(diǎn)和雙側(cè)眶下點(diǎn)位置不完全一致，即若選取雙側(cè)眶下點(diǎn)后可能雙側(cè)耳點(diǎn)位置不一致，反之亦然。本研究不足以解釋面部不對(duì)稱性與選取雙側(cè)耳點(diǎn)和雙側(cè)眶下點(diǎn)構(gòu)建三維水平面是否有關(guān)，是否與上下頜矢狀骨性畸形有關(guān)，因此，需要進(jìn)一步確定最穩(wěn)定可靠的三維水平面構(gòu)建方法。