基于CT三维重建技术的颌骨侧断层交互分析法.doc

基于CT三维重建技术的颌骨侧断层交互分析法郭华艳 黄远亮(同济大学附属东方医院口腔科，上海 ，200072)【摘 要】目的 通过颌骨三维CT影像，开发了一种交互式方式计算牙根方向，自动化设计牙根的方法。材料和方法 对种植患者进行64排螺旋CT扫描，获得DICOM（Digital Imaging and Communications on Medicine）数据，首先获取颌骨三维CT影像数据，重建颌骨结构的三维模型，这样目标牙齿的牙根清晰可见。其次，在目标牙齿区域位置人工建立虚拟切割平面。通过口腔临床种植医师的观察，交互式调节平面的方向和位置，直至平面沿着牙根的方向。最后，基于虚拟切割平面的方向获得牙根方向，在计算机辅助种植设计软件上通过三维CT影像数据生成颌骨三维模型，使牙根可视化，交互式放置和调整虚拟切割平面。结果 基于此种交互式设计分析，可以获取牙根轴位方向，藉此评估缺失牙的原牙轴方向。结论 基于虚拟切割平面的方向获得牙根方向，最终为临床种植外科种植体的植入方向、角度的把握及导板的制作提供科学依据。【关键词】牙种植；计算机辅助；计算机断层成像An Interactive Method for Computing virtual cutting plane based on computed tomography(CT) 3D reconstructionGUO Hua-yan, HUANG Yuan-liang. Department of Stomatology, Shanghai East Hospital Affiliated to Tongji University, Shanghai 200072, China)Corresponding author: HUANG Yuan-liang, Email: , Tel:1156AbstractObjective To develop an interactive method for computing virtual cutting plane through CT 3D images. Methods Dental implant patients will accept Philips Brilliance 64-Slice Spiral CT scan. DICOM data were gained and mandible 3D image was reconstructed by computer aided design implantation system. In this way we can visualize root orientation. And then through this single tooth a virtual cutting plane can be reconstructed, an interactive method for adjusting the virtual cutting plane can be utilized. Results Based on the interactive method for analyzing root axial orientation, the original orientation of missing teeth had finally been reconstructed. Conclusions Based on this interactive method, finally an accurate orientation and angle of dental implantation were offered. And then implantation surgical guide could be designed and made.Key wordsdental implant computer-aided computed tomography口腔种植修复外科需要术前进行认真仔细的计划。在口腔种植修复术前根据CT影像，需对患者是否具有足够的骨结构和骨量进行判断，以确保牙种植体能够长期稳定地行使功能1-3。也就是说，基于患者的颌骨三维CT影像，种植医生需要获取种植区牙槽骨的高度、宽度以及种植体植入角度。近年来，计算机辅助外科计划技术发展迅猛，借此可以从颌骨三维CT影像数据获得相关的量化信息4,5。对于缺失牙种植修复，种植体植入的最适宜的角度或方向是缺失牙的牙根方向。因此在牙种植外科计划中，通过颌骨三维CT影像来评估牙根方向变得尤为重要。1材料与方法对种植患者进行64排螺旋CT（Philips Brilliance 64-Slice SpiralComputer Tomography）扫描，获得DICOM数据，在计算机辅助种植设计软件中通过三维CT影像数据计算牙轴方向，三步骤包括：（1）生成颌骨三维模型，使牙根可视化；（2）在每一个牙根位置交互式放置和调整虚拟切割平面；（3）获取牙根轴位方向，藉此评估缺失牙的原牙轴方向。1.1生成颌骨三维模型及牙根形态可视化为了能够观察颌骨结构中所有牙根的分布情况，需通过颌骨三维CT影像重建颌骨与牙根的三维表面模型结构，尤其是牙根需要与周围骨组织进行分离。基于我们的观察与分析，利用等值面提取的方式可以将这些结构进行分离。1.2交互式放置和调整牙根轴向虚拟切割面对患者进行CT扫描后，可以获取患者颌骨DICOM数据。依据患者解剖结构，在二维CT图像上选择合适剖面切片令其完整显示牙弓形态。在这二维切片上，描记形成二维牙弓曲线，二维牙弓曲线穿过所有牙齿的中心，沿着牙-牙槽嵴长轴分布，交互式在牙齿中心形成一个节点，绘制生成Spline曲线，这条曲线穿过所有这些节点。1.3获取牙根方向在三维影像上，通过交互式设计，拟将每个牙齿的侧断切面在矢状面、冠状面、轴状面或任意方向角度上调整，直至接近于天然牙体长轴。2结果通过颌骨CT扫描所得的DICOM数据，运用计算机辅助种植规划系统软件，进行二维牙弓曲线生成的侧断层图像交互式调整，获得了在矢状面、冠状面、轴状面及任意方向角度均可观察分析种植手术区骨结构的软件功能。在二维CT图像轴状位上选择合适的剖面切片上，能够显示完整的牙弓形态。如图1所示红色曲线，沿着Spline曲线，可以虚拟切割牙-牙槽嵴平面（或者Spline曲线），其方向从根尖延伸至牙-牙槽嵴方向，可以看到绿色不同线性切面。图1 二维及三维影像上的牙弓平面通过多次测试，采用交互式方式，可以使每个牙齿的侧断切面在三维方向上进行调整，进行种植手术设计或测量，模拟种植体方向，将切面调至天然牙方向。已获得拟种植精确方向上的骨结构与骨量情况，同时可保证种植体接近天然牙牙体长轴，最终达到良好的修复效果，行使咬合功能，同时，可以在冠状面、矢状面、轴状面或任意方向上观察种植手术区的情况，如图2-6。图2 三维及二维影像上的剖切面图3 种植手术区冠状剖切面图4 种植手术区矢状剖切面图5 种植手术区轴状剖切面图6 种植手术区任意方向的剖切面3讨论值得注意的是每一个侧断切面均是垂直于二维断层切面。然而对于正常人来说，不同的牙齿有不同的倾斜度，并非完全垂直于牙合平面或者牙弓平面。正常人下颌牙牙合面牙尖形成一纵牙合曲线，即为Spees曲线。Spees曲线系指下颌牙的牙合平面为圆弧上的一段截弧。该圆弧向后延伸直达髁突前缘 ，圆心位于眶中水平面上后嵴后部的某处，半径为6.5-7.0cm。其标志是从下颌中切牙的切缘、下颌侧切牙的切缘、下颌尖牙的牙尖，下颌第一、第二前磨牙的颊尖，下颌第一磨牙的近中颊尖到远中颊尖的联线为一条向上凹的曲线，最深处都集中在前磨牙区6。为了确保行使良好的功能，上颌牙齿与下颌形成相应的尖窝交错关系，上颌牙切缘或颊尖连接，可形成一条凸向下的曲线，即为补偿曲线。修复引导种植的目的在于恢复患者良好的咀嚼功能，种植体方向需保证一定的倾斜度，因此在进行种植区骨量测量分析时，虚拟侧断切面不应垂直于牙弓平面，而是具有一定的倾斜度。如果虚拟切面垂直于牙弓平面，那么在对种植区骨量测量时就会出现误差。目前存在的大部分计算机辅助种植手术设计软件，均未解决此问题。3.1种植手术区的测量分析对于牙种植患者进行术前准备时，基于上述原理可通过计算机辅助规划软件交互式分析方法，实现在侧断层图像上将模拟种植体调至与天然牙体长轴真正一致的位置，这样就能获得患者缺牙区骨量及拟种植体的精确测量数据，用以确定种植计划的正确性和安全性。3.2种植手术计划与手术导板设计利用计算机辅助设计系统可以模拟植入种植体，术前不仅可利用种植体的直径和长度，预测种植效果，更重要的是可以确定是否需要进行骨增量手术，保障手术的安全性和精确性。同时为种植手术导板的准确和精确设计提供参考。4结论本文通过建立颌骨CT三维图像牙轴断层面交互设计分析技术，可以更全面地观察种植手术区软硬组织结构，为口腔种植临床医师提供一个更为便利的方式制定种植手术计划，同时也是保证了手术的安全性和精确性。该软件可以从矢状位、冠状位、轴状位或任意角度任意位置进行交互式调整，为临床种植医师提供了更为便利的方式去全方面观察种植手术区，同时在临床上，针对颌骨病变、牙齿数目、形状及萌出异常等疾病的诊断与治疗，也提供了多渠道的观察手段。参考文献1 Cuppone M, Seedhom BB, Berry E. Design of drill guides for the thoracic and cervical regions of the spine. In Proceedings of Medical Image Understanding and Analysis, 2001, 129，2830. 2 Watzinger W,Birkfellner F, Wanschitz F, et al. Computer-aided positioning of dental implants using an optical tracking system case report and presentation of a new methodJ. Journal of Craniomaxillofacial Surgery, 1999, 17(2): 7781.3 Almog DM, Benson BW, Wolfgang L, et al. Computerized tomography-based imaging and surgical guidance in oral implantology. Jounal Oral Implantology, 2006, Vol.32(1): 148.4 Fuller CD, Scarbrough TJ, Fiducial. Markers in image-guided radiotherapy of the pro