（计算机应用技术专业论文）颅面测量与正畸的三维可视化研究.pdf

摘要 颅面结构测量与正畸的三维可视化是人体形态研究的一项重要内容。它是口 腔医学，法医学，计算机应用科学，生物医学工程等专业研究的前沿课题之一， 具有广泛的应用前景。 本文在陕西省科技创新项目的资助下，针对颅面结构的三维测量和正畸可视 化，进行了颅面三维重建，颌面三维测量和颅硅交互式仿真矫正及正畸预测的研 究。开发出了一套完整的颅面重建、测量和正畸可视化的软件，主要工作包括以 下三个方面： 在颅面骨组织的三维重建方面，主要利用相关视觉来实现，通过x 光头颅定 位仪拍摄多i 隔带有外加标志点的x 光图像，重建并生成面部三维数据，然后减去 x 光图像及m 型超声测得的软组织厚度以得到三维颅面。该方法与基于c t 的方法 比较起来，辐射强度较小，更经济，更有实用推广性。另外在标志点匹配方面， 本文提出了一种基于位置相似性特征的点匹配算法。 在颌面的三维测量方面，主要利用三维激光扫描仪来获取三维数据。通过自 行丌发的三维测量软件，将f a r k a s 颅面形态直接测量法与现代激光扫描技术相 结合，能够在p c 机上进行临床中所要求的各类三维面部测量。 在颅面交互式仿真矫正及正畸预测方面，依据正颌手术中所需要的专家知 识，采用监督学习的方法，开发出了一个基于双层有限元模型的虚拟f 畸系统。 该系统能针对两种基本的截骨手术进行模拟和手术后软组织形变预测，并具有自 学习功能。 关键字：重建，x 光图像，点匹配，颅面三维测量，激光扫描仪，正畸可视化 有限元，预测 口录 州北工业大学硕十学位论文 a b s t r a c t 3 - dm e a s u r e m e n ta n dv i s u a l i z a t i o no ft h ec r a n i n mi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o n t e n t i nt h er e s e a r c ho fh u m a nm o r p h o l o g y i ti sw i d e l yu s e dn o to n l yi na n t h r o p o l o g y ， h i s t o r y ，a n da r t ，b u ta l s oi no r t h o d o n t i c s ，p l a s t i cs u r g e r y ，a n df o r e n s i cm e d i c i n e f i n a n c e d b y t h e t e c h n o l o g y i n n o v a t i o n p r o j e c t o fs h a a nx ip r o v i n c e ，3 - d r e c o n s t r u c t i o no ft h ec r a n i u m ，3 - dm e a s u r e m e n to ff a c ea n di n t e r a c t i v ep l a s t i cs u r g e r y e m u l a t ea n dp r e d i c t i o nh a v eb e e nr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r ，a n das e r i e so fs o f t w a r eh a v e b e e nd e v e l o p e d t h em a i nw o r ki sa sf o l l o w s ： t h em e t h o db a s e do nc o m p u t e rv i s i o ni sa d o p t e di nt h e3 - dr e c o n s t r u c t i o no fc r a n m m a na p p r o a c ho fp a s t i n gt h el e a dg r a n u l e so nt h ef a c eo fap a t i e n ta n dr e c o n s t r u c t i n gt h e f a c et h r o u g ht h ec o r r e l a t e dv i s i o ni su s e d t h e nt h e3 - dc r a n i u mm o d e li sc o n s t r u c t e db y s u b t r a c t i n gt h et h i c k n e s so fs o f tt i s s u ef r o mt h ef a c em o d e l ，t h ew h o l es y s t e mc o n s i s t s o fi m a g ep r e p r o c e s s i n g ，f e a t u r e p o i n tr e c o g n i t i o n ，m a t c h i n g ，t e x t u r em a p p i n g ， a n i m a t i o n ，a n d3 - dm e a s u r e m e n t o n l yt h ex r a ym a c h i n e ，a d h e s i v et a p e sw i t hl e a d g r a n u l e sm a dm u l t r a s o n o g r a p ha r en e e d e d t h ee x p e r i m e n td e m o n s t r a t e st h a t t h i s a p p r o a c hi se f f e c t i v ea n do fh i g hp r e c i s i o n c o m p a r e dw i t ht h em e t h o db a s e do nc t ，i t h a st h r e er e m a r k a b l ea d v a n t a g e s ：l o wr a d i a t i o n ，e c o n o m i c a la n dg o o di np o p u l a r i z a t i o n ， i na d d i t i o n ，an c wp o i n tm a t c h i n ga l g o r i t h n ab a s e d0 np o s i t i o ns i m i l a r i t yi sp r e s e n ti n t h ep a p e rt os o l v et h ep r o b l e mo fc o 玎e s p o n d i n gm a t c h i n g 3 - df a c ed a t ac o l l e c t i o ni sr e a l i z e db yt h e3 - dl a s e rs c a n n e ri n3 - dm e a s u r e m e n tw i t h t h ej o i n to fm o d e r nl a s e rs c a n n i n gt e c h n i q u ea n df a r k a sd i r e c tm e a s u r e m e n tm e t h o do f c r a n i u m ，3 - dm e a s u r e m e n ts o f t w a r e i s d e v e l o p e d i tc a nm e a s u r ea l l t h ec l i n i c a l m e a s u r e m e n ti t e m st h r o u g hp c a v i r t u a lp l a s t i cs u r g e r ya n dp r e d i c t i o ns y s t e mb a s e do nd o u b l e 。l a y e rf i n i t ee l e m e n t m o d e li s d e v e l o p e d t h i ss y s t e mc a ne m u l a t et w ob a s i cb o n ef r a c t u r es u r g e r i e sa n d p r e d i c tt h es o f tt i s s u ed e f o r m a t i o na f t e ro p e r a t i o n i na d d i t i o n ，i th a st h es e l f - l e a r n i n g f u n c t i o n k e y w o r d s ：r e c o n s t r u c t i o n ，x r a y s c o r r e s p o n d i n gp o i n t sm a t c h i n g ，3 dm e a s u r e m e n to f c r a n i u m 、l a s e rs c a l m e r ，3 dv i s u a l i z a t i o no f o r t h o d o n t i c s ，f i n i t ee l e m e n t s ，p r e d i c t i o n 绪论 阿北f 业火学硕 学何论文 第一章绪论 1 1 研究目的及意义 颅面结构的三维测量是人体形态研究的一项重要内容，从1 9 3 1 年b c o a b e n t 首创x 光头颅定位片进行颅面测量到现在，将近有七十多年的历史。无论是在人 类学、民族学、美学等社会科学的研究中，还是在医学、法医学、考古学等方面 部有着非常广泛的应用。 在口腔医学及外科整形医学上，人体的颅面部畸形表现为颅面部骨髂和上下 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。一般通过牙颔 畸形的矫治及整形手术可以对牙齿、颅面部骨骼进行改变，并使颅面部的软组织 形态发生相应变化，从而获得平衡、协调的软硬组织关系和颅面部形态，这个过 程就称为颅丽的讵畸。而整个f 畸过程中，精确地评价颅面部畸形患者的软硬组 织形态是颅面畸形诊断和治疗的关键步骤之。因此，寻求准确、标准、系统的 三维测量方法来评价颅而部形态是医学研究者们长期追求的目标。 在医学一h ，对颅面部的三维测量主要是基于两类方法：第二_ 种是基于常规x 光头颅定位片的方法。这种方法是目前医学上用的最多、最成熟的方法。它在颅 而部生长发育研究，各种颅面部牙颌畸形的渗断和治疗，正颌整形手术的计划、模 拟和疗效评价等方丽发挥了重要作用，并积累了大量资料。但常规的x 光片是二 维的重叠投影像，它无法准确反映三维方向上复杂颅颌面的形态。6 0 年代起，随 着计算机科学的发展，尤其是数字图像处理技术和计算机视觉的应用，使得颅面 三维测量和计算机辅助分析不断得到发展。国外的学者利用双曰视觉的原理，使 用| 三、侧位片在计算机辅助f 得到了鳃剖标志点的三维坐标：“，对距离，角度， 比例进行计算，同l = 寸计算机还可以根据标志点的空间分布自动描绘出颅颌面的骨 髓结构的三维框线图。但这个过程中存在点定位不准的问题，并且没有真正榴建 出颅面部的三维模型”。第二种足基于c t 扫描重建的方法。8 0 年代螺旋c t 出现 后，c t 三维重建技术得到了很大发展。现代的螺旋c t 工作站中包括完善的三维 重建软件，它通过c 1 i 薄层连续扫描，实现了三维数据获取与显示的自动化，具 有精度高，i 重复性好的优点。现在国外不少大的医院和研究机构通过螺旋c t ， 能够重建出精确反映颅面部结构的三维模型，并且在颅面部骨折，肿瘤，面部严 重发育畸形的诊断，颌而外利手术的计划和疗效评价、手术模拟等方面得到了应 用”。但这些研究并没有得到普及，由于c t 薄层扫捕存在电离辐射的问题，使得 它般用于特定的患学，不能做大样本的研究工作。另外这种方法的费用高，资 料不易存储的缺点也限制了它在t f 畸、正颌领域中的广泛应用。除了上述两大类 绪论 西- i e ：t 业火学硕士学位论文 方法外，莫尔云纹，立体摄影，激光扫描等非介入的研究面部三维结构的方法也 常常在一些文献中提到5 ，其中激光三维扫描测量技术被认为是目前困际上最先 进的软组织测量技术。由于它简便易行、对人体无伤害而又能精确反映面部软组 织形态并使之可视化，因此成为学者们研究的热点之一。然而这些光学的方法多 用来研究人体面部的表面形态，不能对软组织覆盖下的骨组织形态进行研究和测 量。另外，利用虚拟现实技术实现部分手术的仿真模拟，即特定部位的虚拟手术 是目前医学界和计算机科学领域的一个研究热点，可以广泛应用到手术训练，医 科教学及科学可视化方面。 本文的研究分成三个方面：一是利用多张x 光片重建颅面部的三维骨组织， 寻找一种一定程度上代替c t 的方法来帮助建立中国人面部形态的三维数据库， 降低临床费用。二是利用激光扫描技术获取人类颅面部软组织的三维图像，在计 算机上实现面部形态的精确三维测量：三是开发个简单的颅面交互式仿真矫正 及正畸预测系统，能进行一些基本的正畸手术模拟，为临床颅面部畸形的诊断和 治疗计划的确定提供参考依据。 整个项目的研究在很多学科，尤其是医学领域有着重要而深远的意义： ( i ) 利用多张x 线片进行颅面部骨组织的三维重建，具有病人接受辐射少，成本 低，利于广泛推广和使用等特点。并且在临床应用中正位和侧位片是病人最 基木的资料，用这些资料重构骨三维必将有广泛的应用鼢景。精确的建立骨 三维模型在临床上可以进行正常形态的三维测量，寻找中国人的正常值范 围。可以对颅面部畸形进行三维测量分析，模拟正畸矫治，正颌手术，整形 手术的骨块移动，也可以进行颅面部骨髂的生长发育研究。此项研究与激光 扫描仪对颅面部表面软组织形态研究相结合。将对中国人的颅面部研究起到 很大的推动作用。 ( 2 ) 激光扫描技术具有深度测量和纹理映射的功能，够获取和储存数字资料，部 分重建面部器官，并进行面部运动的动态检测和模拟评估。可以在临床中用 作档案存储、手术评估、投影直线测量、表面测量和区域测量，形态比较与 分析、手术规划和预测、制作身体模型和外部假体。因此该系统能建立 _ i 腔 征畸、j f 颌外科、整形美容外科诊断和治疗的参考与基础。 ( 3 ) 基丁激光扫描的三维测量系统具有极高的精确度，可以对牙齿的矫治，整颌 手术，整形手术等进行定量分析达到对治疗量上的控制。通过有限元方法建 立的形变模型可以对治疗所引起的细微物理、空间变化，术前和术后的变化 进行对比评估，临床上进行颅面形态的三维重建，动态模拟手术的方法和结 果。并且使于术演示更清晰、更直观，有利于医生之间以及与忠者之间的交 流，并可用于医科教学。 ( 4 ) 该课题的研究成果能为颅而部软组织生长发育的研究提供一个安全、快捷、 准确的研究方法。生理学上人类个体生长发育的研究是个具有重要意义的 绪论 ! i 北t 业大学硕十学位论文 课题，该系统可用作生长发育的预测标准，预测正畸或外科手术治疗对孩子 而部软组织所带来的变化。 1 2 研究现状 本文研究的重点主要在两个方面：颅骨的三维重建和面部软组织的三维测 量。下谢首先回顾一下这两大方面的研究现状。 1 2 1 骨组织三维重建的方法 a 基于x 光图象重建的方法 在1 9 3 1 年，b r o a d b e n t 和h o f r a t h 首次将标准的x 线投影测量技术应用于口 腔正畸领域。x 线头颅定位侧位片在正畸，诈颌领域得到广泛的应用，至今在国 内外临床应用中依然是病人的基础的资料，在对牙颌畸形的分析诊断中占有主要 的地位，但是侧位片在显示不对称的左右下颌体、下颌支时不能正确的显示他们 的解剖位置。因此要描述和测量面部的畸形，特别是不对称畸形，更准确的分析 颌骨之间空间结构关系，能剥骨的结构进行三维测量分析是非常必要的。 g r a y s o n 医生1 5 1 曾经采用多平面x 线投影片对半丽萎缩综合征的病人进行三 维分褫分析的资料来自于后前位的f 位片，和颅基底的x 线片。他从后前位片 的矢j 戈方向上三个不同的深度上描述了颅面复合体相对于币常的偏差。在颅基底 x 像片眦从垂直方向上三个层面描绘了患者相对于f 中矢状平而的偏差。他虽然 对面部的不同深度的形态进行了描述，但获得的只是三维结构的两维投影信息， 并未得到物体表面的三维信息。 8 0 年代初期，基于双目视觉的x 线三维重构方法得到了发展。线立体摄影 是通过对头颅在两个不同角度上x 线投影分析而实现三维空间重构的分析技术。 其基本原理是当从不同角度观察物体即可获得该物体表面的真实三维空问信息。 目前文献报道颅颁面x 线立体摄影技术有：双平面x 线立体摄影和共平面x 线 立体摄影。 ( 1 ) 双平面x 线立体摄影法( b i p l a n a rx - r a ys t e r e o p h o t o g a m m e t r y ) 般平面x 线立体摄影工作原理：利用相同条件而且垂直交叉的x 线对颅颌面 侧面及前后位投照曝光，同时获取颅面部正位和侧位x 线影像，颅颌而上任意骨 性标志点p 沿x 线方向分别在正位和侧位胶片平面上形成相应的投影点p f 和 p 1 ，结合p f 和p l 二维平面坐标分析，即可确定实际标志点p 的三维空问坐标， 即p f 和p l 反x 线方向形成的交叉点的位置，通过这种方法可以确定颅颌结构任 意标志点在空间卜三维坐标，从而计算出三维空间上各标志点之间的距离、角度 及相关比例的测量【1 ” b r o a d b e n t 从一丌始就强凋在研究和测量头的i 长发育时，要互补的使用侧位 和f 位投影测量片。他强调难位片的使用不仅是要研究他本身的值，而目还用来 绪论 两北一业大学硕士学位论文 帮助理解侧位片所显示的头颅结构。b r o a d b e n t 和s a s s o u n i 都试图通过研究这两张 片子来获得对头颅的三维的理解。他们设计了定位器( o r i e n t a t o r ) p 6 1 来校正由于x 线是散射所带来的变形，并用此来对头颅f 位或侧位x 片同时进行二维测量分 析，从而获取颅颌面结构三维空洲数据，正是这一技术的最早运用。g r a y s o n 医 生利用已有的正常人标准的f 侧位片作为原始资料，用光线交叉的方法来重建标 志点的三维坐标，并对三维形态进行分析。其原理在本质上与双平面立体摄影技 术。最近随着科学技术的发展，此重建方法有更新的运用。h i d e k io k u m u r a 医生 6 1 用激光三维扫描仪获得研究模型的三维图像，用正位和侧位x 线片上基于双平 面摄影原理重建的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，将两者在计算机中拟合一起做出 了具有三维的功效的图像。这个的图形结合了x 线片和牙齿模型的信息，可以生 动的显示骨骼的形态和牙齿的咬合关系，能够在正畸一正颌手术治疗的计划过程 中有所帮助，并且能提供给患者生动的图像信息。近年来国内也报道了相关研究 并应用颅颌面畸形的临床诊断分析。国内的学着邵金陵，朱敏等【4 5 j 用x 线摄影 机分别拍摄出相互垂直的f 、侧位头影片。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。 这种重建方法是通过投影点的两维坐标，计算出空唰点的三维坐标，所以需 要在两维的f 位片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 机基于灰度自动选点都存在定点误差。这一方面是由于并刁i 是所有结构标志点在 正位或侧位x 线光片上都具有同样的分辨性，另方面是由于颅颌结构的曲面形 态，在侧位片j i 处于最上或最下的标志点在正位片并不一定表现为最上或最下位 置。这样就会造成空划点的三维坐标计算误差。由于所选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。在牙 颌畸形的观察，手术的计划和模拟等方面的应用中受到限制。 ( 2 ) 共平面x 线立体摄影法( c o p l a n a rx r a ys t e r e o p h o t o g r a m m e t r y ) 共平面x 线立体摄影技术是从运用于地形图描绘的体视镜中得到启示的。 b a u m r i n d 首先把体视镜工作的光学几何原理应用于x 线头影测量领域中。共平面 x 线立体摄影基本原理：两个处在同水平且不同角度x 线球管对颅颌正位或者 侧位进行投照，使其在同一平面上分别形成两张正位或侧位片，根据同一平面两 张正位或侧位片上相同标志点位置变化，利用三角形相似原理，求出标志点实际 三维空间坐标 该方法的具体技术要求：两个x 线球管中心聚焦点必须在同一平面且连 线与胶片平行。两x 线球管中心线交角不宜过大，绝对小于4 5 。其中一个x 线球管垂直胶片投照，另一个x 线球管偏离投照，但其距胶片垂直距离保持不 变。确定两个参数，即两个x 线球管中心聚焦点距离b 和垂直投照至胶片的 距离h ，一般情况下h 值为6 0 英寸( 1 5 2 4 c l n ) 。各标志点计算方法：以某一空 间标志点p ( x ，y ，z ) 为例，根据相似三角形几何原理求得z = b b + s ，s 为p 在两 绪论 p q ，忆1 业人学硕七学位论文 个胶片上相对移动的距离。并依次得出x = x l ( h z ) ， i ，y = y l ( h z ) h ，其中s ， x 1 ，v l 在胶片上实际测量可获得。在实际应用中为了计算方便，通常把坐标原点 定在s e l l a 点f 蝶鞍点) ，x 辅通过n a s i o n 点( 鲁根点) ，x y 平面通过a n s 点( 前鼻棘 点1 。 s h e l d o nb a u m r i n d 医生在1 9 8 3 年h5 】阐明了用两张x 线片作三维测量的过 程。整个过程中所用到共面立体几何原理。专门用于三维测量的共丽颅面部立体 测量系统包括特殊的x 线摄影系统和相应的计算软件。它包括一个中心x 线球管 和一个旁侧x 球管，并且两个球管的焦点之剧的距离是已知的。中心球管到投影 平面的距离是一定的。侮个球管的中心射线的投影点的位置是己知的。有了头颅 定位架保证患者在拍片过程中头位不变。具有自动换片系统可以自动更换x 线底 片。这样分别用两个球管先后拍摄两张司一头位，且互成角度的两张x 线片。以 中心球管的中心射线的投影点为三维坐标系的原点，投影平面为x ，y 平面，中 心射线为z 轴方向。由于投影条件相同空问一点两次互成角度的投影的两个投影 点在同一坐标系中。用已知的参数用相似三角形的原理可以求山空间点的三维坐 标，依此类推对于颅面部任何标志点都可以抉得i 维坐标，进而一j _ 以作标志点间 的距离，角度的计算。 这种方法相对坝平面x 线技术而言，克服了颅颌结构在两个平面方向上投照 的不同放大误差，因而求出标志点的三维坐标值更精确，另外在两胶片上对同一 标惑点的确定比较容易。但由于该技术需要特殊设备以及计算方法复杂，在研究 和应用上受到限制。因此在临床上没有得到广泛研究和应用。 b 。基j 二c l 的方法 1 9 7 2 年x 线训算机断层摄影( c o m p u t e d t o m o g r a p h y c y ) 进入临床应用。c t 的发展经历了几个骧程碑，1 9 9 1 年单层螺旋c t ( h e l i c a l o rs p i r a lc o m p u t e d t o m o g r a p h ys c t ) 研制成功，1 9 9 8 年多层螺旋c t ( m u l t i s l i c es p i r a lc o m p u t e d t o m o g r a p h ym s c t ) 研制成功l 。三维c t t h r e ed i m e n s i o n a lt o m o g r a p h y b d c t ) 于1 9 7 7 年首先由h e r m a n 等用表面提取的方法做成，并于1 9 8 0 年应用与 临脒。8 0 年代中划以后逐渐受到重视。c t 三维熏建技术是x 线断层摄影技术 的发展重建数字网像的方法以及计算机发展的结果。并目闩趋成熟，在整个医 学领域发挥重要的作用。 由于骨组织有较高的衰减值，很容易与软组织区分，三维重建效果很好。首 先扫描定位确定感兴趣的区域，然后用横断面薄层连续扫描或重叠扫描。层厚为 1 5 3 mn 1 最佳，将获得的扫描资料输入计算机后处理工作站。预先确定螺旋轴 ( x ，y ，z ) 和三维成像的部位，并确定一个c t 值( 常用1 5 0 2 0 0 h e ) 作为三 维算法中的域值，利用机内软件程序进行图像处理。m s c t 的图像后处理有独立 的s g i 图像工作站完成，工作站具有m p r ，容积渲染( w ) l u m e r e n d e n yv r ) ， 表面遮盖显示( s h a d o ws u r f a c ed i s p l a ys s d ) 等多蘑重建方式可获得立体的骨结 构影像【4 ”。处理后的三维影像可以直接显示在电脑的显示屏i - - ，c t 三维重建是 利用c t 扫描的数据经计算机软件处理后获得的图像。从技术上来讲并末提供新 绪论 两北i ：业大学硕士学位论文 的数字信息【4 1 。但它是图像却更直观，更符合人的思维模式，增加了人们对解剖 结构的认识能力。 重建的主要技术方法： ( 11 表丽轮廓重建技术( s u r f a c er e n d e r i n gt e c h n i q u es r t ) 及。s r t 是保留c t 扫描物体表面数据经特殊软件处理，以不同灰白度重建物体表面轮廓，形成三维 立体图像1 4 】并可用一种旋转光照技术，通过光线亮度和投影角的变化，使图像具 有更佳的视觉效果。表面阴影显示法( s n r f a c e s h a d ed i s p l a y ，s s d ) 。s s d 是被扫描 物体表面象素的数字模拟成像，在图像中闽值范围以内的象素做等密度处理并成 像，小于阈值的象素不能显示。通过不同角度“打光”，使器官不规则表面上离 光源近侧的部分较亮，远侧部分较暗而产生立体感。不同阈值会使不同c t 值的 组织成像。重建问隔小于层厚的重建图像加强了图像信息，减少了图像阶梯状边 缘，塥越小，所得到的图像表面越光滑，越接近实物。 ( 2 ) 容积重建技术( v o l u m e t r i cr e n d e r i n gt e c h n i q u ev r t ) v r t 是利用特殊的 成像系统，保留c t 扫描物体内部和外部的所有数据，经特殊的软件处理，以不 同的颜色和透明度来衡量密度，形成更为清晰逼真的三维立体图像【4 j 。它选择显 示4 种不同组织密度的解剖结构，图像呈半透明形式，边缘柔和，信息丧失少， 解剖标志明确，是目前最高级的三维显示方式。 ( 3 ) 多平面重建( m u l t i p l a n er e c o n s t r u c t i o nm p r ) 是另1 种重建方法实际上 是一种二维成像，类似断层而本质不同，将一组连续的横断面图像串联起来经过 后处理重建出任意方向上的圈像，以冠矢状而，任意平面或曲面显示。 三维重建图像的效果与参数的选择密切相关。t a r j a nz 1 4j 研究了c t 扫描重 建三维的最佳扫描和重建参数。计算机技术的发展巨大地推动了有c t 图像重构 面部三维图像的效果。关于三维c t 影像测量可信度方面，m a t t e s o n 等1 4 j 对三维 c t 影像的距离、角度测量的精确度进行了评价，指出三维c t 重建影像测量精确 度高于常规x 线头影测量，并与颅颌实体标本测量值比较，其测量值之问平均差 值仪为01 9 r a m ，角度差值为o - 3 8 。，个体之间测量误差为0 1 o6 6 m m ，充分说 明了三维c t 影像测量精确性高及可重复性好。h i d e b o l t 通过对头颅骨实体及其 三维c t 重建影像相关距离角度测量比较，得出了相同的结论【2 。在颅颌骨结构 标志点定位方面，k r a g s k o v 等【2 4j 对其可信度进行了评价，指出i 维c t 影像标志 点标记可重复性及准确性不如常规x 线l f 侧位头影片。但对小对称颅颌面畸型分 析中，三维c ，f 影像能体现不可取代的优势。 八十年代中期开始，颅面部c t 的三维重建的研究逐渐增多，并且在临床上 应用于得越来越多。用来研究颅面部的形态和各种病理情况。通过对骨折患者的 颅而部骨的重建可以直观地看到骨折的部位及骨折块的移位情况。还可以用来观 察颅面部各种损伤的情况并指导制定手术计划，可观察颌面部肿瘤对周围重要器 官的浸润范围等等| 4 l 。 c t 影像三维重建影像能生动逼真、立体地再现颅面解剖形态。它克服了普 通x 线摄影片影像不清、结构重叠等缺点，对于复杂的颅面畸形的观察分析显示 绪论 r 坷- f l1 业人。学硕士学位论文 出独特的优势，为颅颌面整形外科、斛剖学、人类学研究提供了“无创性活体电 子解剖”方法。但是由于三维c t 影像重建需要大量的原始的c t 扫描资料，因 而比普通c t 检查接受的x 线量多4 1 0 倍。所以一般用于有比较复杂的损伤或 颅面部畸形的病人，不能应用于无治疗需要的j e 常人。也不适于对面部畸形的长 期观察和术后的长期形态的改建的研究。因为不能建立人群的正常值数据库，无 法将畸形患者的资料与正常人进行比较。使得c t 颅面部三维蘑建在面部畸形的 珍断和分析，手术的预测和模拟方面的应用受到限制。另外，能做c t 重建的硬 件和软件设备都很昂贵，技术要求很高，使得它的普及范围很小，仅在级别较高医 院罩能实现，实际的临床应用更少。 c 基于m r i 三维重建的方法 核磁共振成像是近年来继c t 之后的一种新型高科技影像学检查方法，8 0 年 代初才应用于临床的医学影像学诊断。它具有无电离辐射损害，无硬性伪影，能 多方面和多参数成像。高度的软组织空间分辨能力，空间分辨能力，无需对比剂 就可以显示【| ! i 【管结构的等独特的优点。m r i 三维重建成像技术是在m r i 两维数据 显示的基础上发展起来的技术，同c t 三维重建相比，发展较晚，尤其在骨三维 重建方面应用不够广泛。，由于他的成像特点，骨和软组织的交界处显示不如c t 清析：用来作骨的重建骨的表面毛糙在骨的三维重建方面应用不够广泛，4 ；如 c t 的效果好，但其在软组织的显示方面比c i 、要好。 1 2 。2 面部软组织的三维测量 a 直接测量法 人体测量学是通过刘人体的整体和局部进行测量，探讨人体的类型、特征、 变异和发展的学科。直接测量法是人体测量学的一部分，多用f 标准值的获得， 一般选择一定数量的，具有代表性的活体人。主要是采用各种传统计量工具对颅 而部软绍织f l 勺各点、线、面之间比例关系的测定。 直接测量方法中有国际上广泛采用的r u d l fm a r t i n 法，浚法在规定若干测量 点的基础上，先存被测量者面部直接用彩笔于各个测量标志作好标记，再用专用 测量t 具对各部位进行商线、弧线、角度、弧度等方面的测量f j 。随着技术的发 展，直接测量法也在不断完善。8 0 年代，l e s i l i egf a r k a s 建立了系统化的颅面部 表面形态直接测量法”j 。这f q , i f , u 量法能够客观、全面地反映颅面部形态，为学者 们广泛接受，f a r k a s 本人也因此被誉为“欧洲的测量之父”。 直接测量法能够客观真实反映面部形态、操作简便、可p , l j 亥t j 获得数据、无需 特殊复杂设备。但对仞学者来说有可能因压迫软组织引起变形而使测量不精确； 工作量大，特别是对大样本进行测量时耗费大帚的时间和人力。 绪论 p q ti 业大学硕士学位论文 b 照片测量法 2 0 世纪初s i m o n 首先提出用面部照相的方法对颜面部进行研究，此法的主要 价值是依据照片对被测对象的面部取得整体的认识，在此基础上研究面部各部分 比例及形态结构特点，属于二维测量。照片测量法在拍摄前需要设置一定的尺度 和垂线等作为参照物，以备下一步的测量及放大倍数的确定。将摄取的底片制成 幻灯片在幻灯机上放大为与活体等大的影象或直接按标志尺度和垂线放大为与活 体等大的照片，在透明硫酸纸上描绘颜面及其器官轮廓和标志出测量点，再利用 图像数字化仪将全部标志点按编号输入电子计算机图像分析系统，求出各测量项 目的值。 一 照片测量法具有数据获得容易、软组织结构显示清楚及价廉等优点，但不能 提供三维立体结构的信息，而且对两维的信息也有不可靠性。r a b e y 5 1 首先提出用 患者的照片、x 线片以及牙颌模型建立一个面部模型，从而可以在三维立体平面 真实准确地进行分析。由于此装置复杂、昂贵，难以应用于i 临床。 c x 线头影测量法 属于二维测量，经历了早期的手工测量阶段和后期的计算机辅助分析系统阶 段。1 9 3 1 年b r o a d b e n t 将x 线头影测量应用于口腔正畸的研究和临床以来，颅面 部的形态学研究取得了巨大的发展，相继建立了各种分析方法对软组织侧貌进行 定量的评价，常用的分析方法有b u r s i o n 法州、h o l d a w a y 法吣l 、b i s h a r a 法l i ”， 还有许多其它的x 线头影测量分析方法忙刈，其相同点是均为而下1 3 的测量， 使用各种线和角度对唇、颏形态和位置进行评价。 1 9 5 8 年丹麦皇家牙科学院首次提出了电子计算机x 线头影测量方法。随后， b o r k 和s o l o w 首次将电子计算机应用于x 线头影测量。7 0 年代初，图像数字化仪 被应用j 二x 线头影测量系统，将原来的头影描绘图迹上的手工测量变为通过图像数 字化仪对头影描绘图上的标志点数值化，再经过计算机测量、分析处理，回收到各 种分析结果和面部模板图。但是，无论是手工测量或是数值化计算机测量，均需 在头影图上进行，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、定点及测量等方面的原因造成偏差，影响结果的准确性和可靠性。 1 9 7 8 年，o k as w 将数字图像处理技术用于x 线头颅片，随之而来的足8 0 年 代开发出的数字图像处理x 线头影测量系统【2 0 ”j 。浚类系统通过图像输入设备， 可直接将x 线头颅片的图像输入计算机内进行测量分析。数字图像x 线分析系统 有两大特点：其一为提高了头影图像的整体清晰度；其j 为可清晰地分辨出不同 的组织结构。对些因投照条件影响而不清晰的软组织侧影轮廓，经过图像伪色 绪论 阳北i 业人学硕十学位论文 彩处理也可清晰地显示。数字图像处理x 线头影测量系统地应用，改变了以往x 线头影测量必须在头影描绘图迹卜进行的方法，省去了头影图迹拙绘过程，保证 r 头影测量分析的可靠性，提高j 测量的稍度和效率。 无论在手工测量还是在人机交互的半自动分析中，其头影的描迹与标志点的定 位均由人眼来判断与识别，由于x 线头影图像本身复杂性及生物个体的多样性，不同 的测量者对各个标志点的定义理解偏差、测量经验及熟练程度不同，均造成较大的 定点误差阿。而x 线头影测量标志点的自动识别，是提高x 线头影测量技术精确 性的有效手段，也，是当前研究的热点。x 线头影图像中的绝大多数标志点均为某 个特征结构边缘的极点，如最前点、最下点及最后点，或某一几何形状的中心点 如s 点。而计算机对各标志点的讨 别是建立在各标志点空蒯位置数学描述及几何 定义的基础上，经过严密的运算而得到的。因此计算机自动识别与定位标志点有 其客观的根据，无疑消除了人为主观因素造成的误差，为x 线头影测量分析中标 志点的确定开辟了一条新途径。张晓等人【s 1 y , 9 0 年代研究丌发出了自动x 线头影 测量分析系统，该系统通过对x 线图像的采集、处理，使标志点的定位更加准 确。他们的研究认为，自动x 线头影测量分析系统和人机交互式计算机系统对硬 组织的测量，准确性在统计学上差异无娃著忡。而对软组织的测量分析，前者的 准确一巨具有优势，因为经计算机图像处理技术处理后的x 线片的质量，尤其是软 组织影像的狄度和对比度明显得到改善，软组织测量标志点的定位准确性明显提 高，测量分析更抛准确可靠。但是该系统的准确性受以下因素的影u 向：输入输 出设备的精度，扫描仪是目前较为理想的图像输入设备，可：阿图像资料直接转化 为数字信号输入计算机，并保持较高的精度：计算机图像分辨率的高低，一般 应至少达到1 0 2 4 1 0 2 4 的空间分辨率；x 线头颅片的质量。目前该系统成功识 刖了软硬组织标志点共15 个，还未能实现所有标志点的自动定位。姚森等人【5 j 于 2 0 0 0 年又研制出一种利用计算机显示器输入测量标志点和头影轮廓的分析系统， 解决丁目前头影测量需专用输入设备的问题。但该方法在输入标志点时，山于不 同用户将其显示器的显示尺、j 调节的大小不一，同时大部分屁示器并非平面直 角，因此在正式输入6 u ，需要输入显示器的长宽数据，以便系统进行纠j 巳将x 线片固定在计算机显示器上后，x 线片与显示器玻璃后力的圆十字架鼠标标志有 一定的距离，实际输入时需要调节输入者的头侮，使其视线与输入的部位尽可能 垂直。 x 线头影测量在一定程度上能够反映出颅面部的形态，也能反映出软硬组织 之间的关系，且方法简单、容易实施，己广泛应用于颅面部形态学的研究。但是 绪论西北1 业火学硕士学位论文 x 线头影测量对颅面部软组织的评估具有很大的局限性，它只能反映面部中线h 的两维形态，不能提供真正的三维数据，并且被测者需要接受射线。 d 莫尔云纹影像测量法 1 9 7 0 年由英国学者m e a d o w s 和日本学者高崎宏分别发明的一种光学图像测 量技术，即等高云纹法。基本原理是光线透过光栅照射到物体表面，当透过基准 光栅的不同角度观察时，即可看到物体表面的干涉云纹。选择合适的光学系统装 置，可使干涉云纹成为物体表面的等高线。通过对等高线的分析，即可获得物体 表面的立体三维参数。 t a k a s a k i l 7 0 年代初期率先将云纹影像测量法用于医学领域中，随后此方法被 _ e j 于脊杜侧弯及颜面畸形的预测利矫治。在l ：_ _ | 腔领域，此方法己应用在颅颌面生 长发育、颜面对称性、颞颌关节、唇腭裂三维形态等方面【5 1 。国内学者胡林、王 大章等开发了云纹影像的计算机分析处理系统。该测量系统由光栅投影光源、人 体头颅定位装置、记录装置和计算机图像分析系统组成。被测个体拍摄前在面部 涂擦香粉或白色戏剧油彩，目的是增强条纹反差，使拍摄的云纹图片条纹清晰， 提高对比度。拍摄f i l ：用头颅固定装置固定头部并确定眶耳平面与地面平行，然后 ”启光源及光栅震动系统进行拍照，将莫尔云纹条纹图像拍成照片，商接在照片 上或：l 每照片经数字化仪输入计算机后进行测量、数据处理及训算分析，最后由绘 图仪自动描绘出立体感较强的颜面不同角度的透视立体图像和剖面图，打印机输 出所需参数和高程图。 云纹影像测量法准确、可靠，与立体摄影法有同样高的精度，单张照片可以 记录面部的三维信息，获取信息量大，能准确记录特定部位的形态与大小，便于 比较治疗前后的微细变化，且属于非介入性、对人体无伤害。但此方法仍存在许 多缺陷，对于过于平缓或陡峭的平面，灵敏度较低，面部重建不健全且不直观。 e c t 辅助三维重建法 此方法在8 0 年代中期至9 0 年代初期的文献报道较多，9 0 年代以后较少，其 优点是硬软组织可以同时重建，且其对头面部软组织测量的精确性已得到公认， 明显优于x 光，解决了放大效应。缺点是：成本较高、介入性、软组织质地无法 观察等。庞学利等口1 对一例非器质性疾病死亡的3 5 岁的中年男子采用s i e m e n s s o m a t o mp l u s 4 型螺旋c t 进行轴位断面扫描，进行头颈部表面重建和头颈部骨骼 的三维重建。头颈部表面重建结果显示标本头面部结构得到良好重建，但其重建 鼹示的面部轮廓仅包括鼻翼、唇、外，哮廓和部分颏。 绪论 p 叫ei 业人学硕十学位论文 f 三维激光测量术 激光三维扫描测量技术被认为是目的国际上最先进的软组织测量技术。其获 取三维信息的方法很多，有三角法、测距法、干涉法、结构光法及图像分析法 等。其中最基本和常用的原理为激光三角法测距原理，激光束由激光发生器投照 在被测者面部，被测者面部的凹凸不平致激光发生变形，产生一种表面质地和颜 色的图形信息，通过一个线阵劢 c c d 获取，然后通过计算机进行数据转换、运算 等，显示出能任意方向旋转、比较逼真的颜面立体形态图，并可给出各种测量参 数以供参考。 m o s s l 3 l 于1 9 8 7 年采用氦氖激光获取面部的三维信息，但激光扫描所需时问较 长，约1 5 s ，在扫描期间整个面部变化和姿势的改变都会使扫描结果失真。而且为 _ 厂避免损伤限睛，在扫描过程q j 要求闭上眼睛，这样就失去了眶部的信息。 s c a u n g 、r ck n g i m 等人kj 于1 9 9 5 年报道了一种山伦敦大学生命科学系开 发的激光表面扫描系统。该系统可在1 5 s 内获得2 0 0 0 0 单位的数字化信息，能以 0 5 r a m 的精度重建面部软组织图像。他们对3 0 名正常志愿者进行扫描，并选定4 1 个标志点，测量r 8 3 个项目。将这些测量结果利直接测量法相比较，米验证该激 光三维扫描系统的可靠性。结果显示：其中1 2 项( 1 4 0 ) 差值小于1o m m ，1 6 项( 1 哦o ) 差值小于1 5 m m ，测量结果高度可信的区域主要是鼻部和口周，相 关的标恚点主要集中于正中矢状面上。该研究证实激光扫捕可以作为面部某些区 域快速测量的有用工具。 国内姚森等人【5 11 9 9 8 年研制出了颜面形态高精度激光三维扫描和立体形态重 构系统。他们在三维扫描测量仪中使用半