锥形束CT线性测量头颅骨的精确性

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2014.20.025

中国组织工程研究 ›› 2014, Vol. 18 ›› Issue (20): 3252-3256.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2014.20.025

• 组织构建基础实验 basic experiments in tissue construction • 上一篇下一篇

锥形束CT线性测量头颅骨的精确性

孙晓琳，王学金，陈志国，金磊

大连大学附属中山医院口腔科，辽宁省大连市 116021

收稿日期:2014-02-19 出版日期:2014-05-14 发布日期:2014-05-14
通讯作者: 王学金，大连大学附属中山医院口腔科，辽宁省大连市 116021
作者简介:孙晓琳，女，1980年生，辽宁省大连市人，汉族，2006年大连医科大学口腔医学院毕业，硕士，主治医师，主要从事口腔正畸、修复研究。
基金资助:
大连市科技局科学研究一般项目(2012E12SF075)

Linear measurement accuracy using cone-beam computed tomography for human skull

Sun Xiao-lin, Wang Xue-jin, Chen Zhi-guo, Jin Lei

Department of Stomatology, Affiliated Zhongshan Hospital of Dalian University, Dalian 116021, Liaoning Province, China

Received:2014-02-19 Online:2014-05-14 Published:2014-05-14
Contact: Wang Xue-jin, Department of Stomatology, Affiliated Zhongshan Hospital of Dalian University, Dalian 116021, Liaoning Province, China
About author:Sun Xiao-lin, Master, Attending physician, Department of Stomatology, Affiliated Zhongshan Hospital of Dalian University, Dalian 116021, Liaoning Province, China
Supported by:
General Program of Scientific Research of Dalian Municipal Science and Technology Bureau, No. 2012E12SF075

摘要/Abstract

摘要：

背景：锥形束CT在口腔医学中的应用日益广泛，优点不可取代，线性测量是其重要功能之一，线性测量在整个头颅范围内的精确性和可重复性有待进一步研究，不同的分辨率和扫描层厚对线性结果的影响也需要进一步研究。
目的：评价锥形束CT在两种不同象素下对人头颅骨线性测量结果的精确性。
方法：选取4个干头颅，选定其上22个解剖标志点进行11条线段长度的物理测量作为金标准，将头颅进行锥形束CT 0.3 mm和0.15 mm两种不同象素的扫描，在轴位图像和冠状位图像上进行线段测量，SPSS 17.0软件比较图像测量和物理测量值的差异。
结果与结论：物理测量和图像测量结果的差值在-0.27-0.14之间，两种象素的差值均与物理测量结果之间差异无显著性意义(P > 0.05)，两种象素结果相比差异也没有显著性意义(P > 0.05)。结果可见锥形束CT在轴向和冠状向上的线段测量具有很高的精确性，当进行线性测量时推荐使用较大的分辨率(0.3 mm)，这样放射剂量更小，扫描时间更快。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

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关键词: 组织构建, 骨组织工程, 植入物, 锥形束CT, 种植, 头颅, 线性测量, 象素, 分辨率

Abstract:

BACKGROUND: Cone-beam computed tomography has been widely applied in the dentistry due to irreplaceable advantages. Among those advantages, linear measurement is one of the important ones. Further studies are suggest to explore the accuracy and repeatability of linear measurement for the whole skull, as well as the effect of different resolution and scanning thickness on the linear measurement results.
OBJECTIVE: To evaluate the accuracy of linear measurement using cone-beam computed tomography (Newtom VG) on the human skull, with two different voxel sizes.
METHODS: In this study, 22 anatomic landmarks in four dry human skulls were marked and 11 linear measurements were obtained. These were considered to be the gold standard (real measurement). The skulls were scanned by cone-beam computed tomography (Newtom VG) at two voxel sizes: 0.3 mm and 0.15 mm. Linear measurement was performed in axial and coronal planes. SPSS software version 17 was used for data analysis between radiographic measurement and real measurement.
RESULTS AND CONCLUSION: The mean differences of real and radiographic measurements were -0.27 to 0.14 in four different sections, and statistical analysis showed no significant difference between linear measurements and gold standard (P > 0.05). There was no significant between two different voxel sizes (P > 0.05). Cone-beam computed tomography (Newtom VG) is highly accurate and reproducible in linear
measurements in the axial and coronal planes. A cone-beam computed tomography scan with a larger voxel size (0.3 mm) is recommended, resulting in lower radiation dose and faster scan time.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

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Key words: cone-beam computed tomography, cephalometry, skull, dental implantation

中图分类号:

R318

孙晓琳，王学金，陈志国，金磊. 锥形束CT线性测量头颅骨的精确性[J]. 中国组织工程研究, 2014, 18(20): 3252-3256.

Sun Xiao-lin, Wang Xue-jin, Chen Zhi-guo, Jin Lei. Linear measurement accuracy using cone-beam computed tomography for human skull[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2014, 18(20): 3252-3256.

图/表（结果） 2

参考文献

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引言

随着计算机技术和放射学检查技术的发展，锥形束CT(Cone beam computed tomography，CBCT)在口腔及颅颌面疾病的诊断以及治疗过程中应用日益广泛^[1]，锥形束CT较传统CT的优势有以下几点：①扫描范围灵活，可以扫描特定的诊断区域，也可以扫描全部的颅面部。②图像精度高：与被投照物之间比例为1∶1，空间分辨率高，可以进行清晰的实际测量。③扫描时间短。④辐射剂量小。⑤图像伪影减少。⑥对头位的要求低等。锥形束CT的图像也是由单个矩阵组成，称为象素。象素越小，图像的分辨率越高，图像越清晰，但放射剂量也随之加大^[2]。锥形束CT检查是种植手术前设计的首选技术，功能包括确定植入种植体的数目、选择正确的种植体植入方向和位置、确定种植体的最佳长度和直径、评估种植术前是否需要植骨等其他治疗准备^[3]。线性测量是锥形束CT技术的重要功能之一，除了在种植体植入术前设计中起到不可或缺的作用外，也通常应用于口腔正畸的诊断分析和口腔颌面部肿瘤大小的判断^[4]。头影测量是正畸治疗过程中重要的一部分，随着影像技术的发展，头影测量也从二维向三维发展。目前，应用锥形束CT进行头影测量主要是通过将其转化为二维图像，然后用软件在数字图像上进行测量，对解剖结构的顶点和测量与传统头影测量方法相同^[5]。因此，锥形束CT线性测量的精确性非常重要。研究表明，94%的锥形束CT测量都是精确在 1 mm以内^[6]。很多学者认为锥形束CT的影像测量值具有精确性和可重复性，在三维方向上都具有等向性^[7-9]，但是否要采用更高的分辨率、更大的图像帧数才能得到更精确的数据，线性测量的精确程度是否与分辨率的大小具有显著的相关性，精确性的程度与什么因素相关，是否在头颅的任何部位精确性都不会受到影响，目前的研究中并无定论。本研究的目的是评价锥形束CT(Newtom VG)在象素大小分别为0.15 mm和0.3 mm时的线性测量准确性。

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材料方法

设计：体外对比实验。

时间及地点：实验于2013年7月20日在大连大学附属中山医院口腔科完成。

材料：4颗完整的教学用人类干头颅骨。

方法：

物理测量：在头颅上选取22个解剖标志点(图1，2)，标志点采用2 mm的杜仲胶固定于头颅上，加热。用电子卡尺测量由22个解剖标志点所构成的11条线段的距离，精确到0.01 mm，这种物理测量的方法由同一名观察者完成，每条线段的距离测量2次，取平均值，得到的数据作为线段距离的金标准。

头颅骨上的参考标志点及线段测量内容：
1	颏孔连线	左侧颏孔	右侧颏孔
2	下颌孔连线	左侧下颌孔	右侧下颌孔
3	翼外板连线	左侧翼外板	右侧翼外板
4	翼内板连线	左侧翼内板	右侧翼内板
5	枕髁连线	左侧枕髁	右侧枕髁
6	腭大孔连线	左侧腭大孔	右侧腭大孔
7	眶下孔连线	左侧眶下孔	右侧眶下孔
8	卵圆孔连线	左侧卵圆孔	右侧卵圆孔
9	破裂孔连线	左侧破裂孔	右侧破裂孔
10	后床突连线	左侧后床突	右侧后床突
11	前床突连线	左侧前床突	右侧前床突

图3 锥形束CT线性测量双侧颏孔区距离

Figure 3 Linear measurement between right and left mental foramen obtained by cone-beam computed tomography in axial plane

锥形束CT扫描：对4颗头颅进行锥形束CT拍摄，将锥形束CT系统的中央射线束定位于头颅矢状面的正中央，水平射线束与颅骨的FH平面平行，每个颅骨扫描两次：①全部扫描：象素0.3 mm(5.56 mA·s，110 kV)，时间18 s。②高分辨率扫描：象素0.15 mm(8.3 mA·s，110 kV)，时间36 s。

原始数据经锥形束CT软件(QRNNT V2.21)重新处理，图像在轴向和冠状向上重建。影像测量由3名受训后的观察者进行，测量时并不知道金标准的数据，图像直接用NNT软件自带的测量工具在光线昏暗的房间里进行测量(图3)，影像读取采用21寸Barco显示器，分辨率1 440×900，32位彩色。观察者自由选择NNT软件的测量工具，包括亮度、对比度的调节，没有时间限制。每条线段每人测得一个数据。2周后重新测量以清除观察者自身的可信度偏差。影像测量结果与金标准相比较，低于金标准标为负数，高于金标准标为正数。

主要观察指标：锥形束CT线性测量值与金标准比较。

统计学分析：采用SPSS 17.0软件进行分析，按顺序计算每个测量结果的均数。每组均数与金标准进行成组t检验，两组均数间的比较采用两两比较t 检验，P < 0.05为差异有显著性意义。

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讨论

口腔颌面锥形束CT是颅面部影像诊断的一个有效工具，它的放射剂量远低于医用螺旋CT，只相当于常规的牙科全景X射线片^[10]。锥形束CT软件也提供了临床中非常有用的工具，比如距离和角度测量，放大或缩小，灰度转化，对比度调整等功能^[11^-^12]。多年来，正畸治疗通过头影测量正、侧位片(或称头颅定位正、侧位片)进行头影测量分析，得到颅颌面骨骼位置关系与形态特点的信息，已经成为非常成熟的检查方法。但由于锥形束CT仅通过一次放射剂量相对较低的扫描，便可获得颌面部骨骼与牙的解剖结构数据，满足颌骨结构、牙体、牙周、颞下颌关节、气道等多种结构的观察^[13]。随着锥形束CT在口腔颌面部影像诊断中应用的日益推广，锥形束CT配置的图像处理软件也不断成熟，可以满足正畸临床中的不同需要。同时，由于锥形束CT所配置软件可以完成任意空间距离或角度的测量，使影像测量的功能极大丰富，有较好的应用前景。因此，锥形束CT的应用使得正畸的影像学诊断正在从二维时代向三维时代迈进。

无论是螺旋CT还是锥形束CT，扫描完成后均获得容积数据。容积扫描范围之内的解剖结构，可以理解为由无数个大小相等的正方体的体素(voxel)堆砌而成，每个体素均有其空间坐标定位并有其特定的代表组织结构密度的CT值(hounsfield unit，HU)。体素在图像中表现为一个象素(pixel)。各种图像后处理的方法均是基于容积数据得到各种清晰的重组图像。由于锥形束CT中各体素具有各向同性的优点，即体素的长、宽、高均相等，所以，锥形束CT各方向重组图像中的空间分辨率相同^[14]。由于锥形束CT所配置的图像处理软件也不断成熟，应用图像后处理软件，可得到各种二维或三维影像，以满足不同要求的定量测量需要^[15]。因此，在正畸影像学检查中，一次锥形束CT扫描获得的容积数据，可以通过各种图像后处理技术，满足头影测量、颌面骨质检查、多生牙、埋伏牙以及颞下颌关节等几乎所有的正畸前临床检查需要，有可能在一定程度上取代曲面体层片和传统头影测量片称为正畸前的常规检查。在二维图像中，有大量的骨性结构的重叠影像，影响定点的准确性。同时，二维图像由于信息的限制，所能够进行测量分析的项目也十分受限。CT最突出的优势在于其对骨骼三维结购再现的精确性。在图像处理软件中，重组的三维结构可以按任意角度进行旋转，从各个方向观察骨骼结构的形态与位置关系。左、右侧位利于观察下颌角的角度、上下颌骨的侧位关系等；而正位、颅底位图像则利于偏斜畸形的观察^[16]。在锥形束CT图像分析中，允许进行容积范围内的任意两点的距离测量和任意三点所形成的角度的测量^[15^，^17]。锥形束CT提供给临床医生的不再是某一个固定不变的二维图像，而是一个可根据临床需要灵活处理的三维立体信息。容积扫描范围之内的解剖结构，可以理解为由无数个大小相等的正方体体素堆砌而成。通过轴位、矢状位以及冠状位三维图像观察可精确定义并记录一个体素的空间位置，这样，任意两点之间的距离和任意三点之间的角度便可以进行准确的计算。在此基础上，测量所需区域的面积或体积也成为可能。体素越小，图像的空间分辨率越高，图像对微细结构的分辨能力越强，但相应的辐射剂量也越大^[18]。因此在正畸的临床应用中，满足三维测量的精确性的同时，采用更小的有效辐射剂量，对儿童和青少年来说非常重要。因此应该找到三维测量精确性及有效剂量之间的相关性。但目前三维线距以及角度测量的精确性以及与分辨率的相关因素，目前的研究比较少见。

锥形束CT的另一个重要作用就是辅助种植手术。尽管种植体植入术的过程并不复杂，但种植体植入术的术前设计却是一个复杂的过程，尤其是植入位置的选定是非常严格的。目前，种植术前设计已经成熟到可以预测最终修复后的美学、生物力学和功能恢复，即修复学引领下的种植体植入^[19]。这一概念已经取代了以牙槽骨量决定种植体植入的概念。在这个概念的基础上，制定全面的种植治疗方案是种植修复成功的先决条件。

线性测量在种植手术的术前计划制定中起到非常重要的作用，主要进行剩余牙槽骨的精确测量(高度和宽度)，确定种植体的尺寸和方向。线性测量的应用使牙槽骨骨量的测量和分析变得更加容易，种植体的最大长度应该始终比牙槽骨的垂直长度短1.0-2.0 mm^[20]，因为钻孔时的深度一般会超出种植体长度的1.0-1.5 mm，所以即使种植体最终没有接触到神经血管结构，还是会出现一些损伤，因此线性测量的准确性非常必要。在因为有某些解剖结构的存在而造成牙槽骨量较少的区域，比如上颌的侧切牙区或下颌的颌下腺区，种植体的周围至少要有1 mm厚度的骨组织包围，因此牙槽嵴的宽度不应少于2 mm+种植体宽度^[21]，这就需要精确的线性测量结果。

本研究中，选取颅骨不同区域上的解剖标志点，是要检验在不同的图像观察区域锥形束CT的精确性。分析结果表明，锥形束CT的测量结果具有精确性和可重复性。影像测量数据与金标准之间的差异范围从-0.278 1到0.141 8，差别的范围不超过0.5 mm。这说明锥形束CT在测量不同的头部区域时都可以应用。

锥形束CT线性测量的精确性很多人都曾检验过。Fatemitabar等^[9]检验了Planmeca锥形束CT的精确性，锥形束CT均数差异的范围在0.37-0.58 mm之间，64排螺旋CT(Siemens)的差异在0.37-0.72 mm之间。Pinsky等^[22]检验i-CAT锥形束CT认为对小的骨缺损也能够诊断的很精确，测量值的差异在高度和宽度上只有-0.01到0.27 mm。

Lascala等^[11]曾经做过类似的研究，采用NewTom 9000(定量放射CT，维罗纳，意大利)进行人类干头颅13个位置的距离测量，认为锥形束CT的影像测量值要低于颅骨的实际测量值，但是仅仅在颅底部的测量结果才与标准值有显著性差异。在本实验中，锥形束CT的测量结果是略微与标准值不同，但差异没有显著性意义，而且测量的差值除轴向高象素水平以外均为负数。

本实验中采用了两种不同象素进行拍摄：0.3 mm和0.15 mm，0.15 mm为高分辨率。象素的大小在线性测量的精确性方面并不是一个重要的因素，因为实验中普通分辨率和高分辨率所测得的数据之间并差异没有显著性意义(P > 0.05)。Stratemann等^[12]也得出了同样的结果。Browns等^[4]认为减少图像投射帧数不会使测量的精确性更高。这是有临床意义的，因为患者的放射剂量与分辨率大小和图像帧数密切相关。减少图像帧数或提高分辨率都不会对测量精确性产生影响。根据本实验得出的结果，当锥形束CT扫描用于线性距离的测量时，比如种植术前计划的制定和正畸分析时，推荐用更低的分辨率进行扫描，因为这样会减少患者的放射剂量，而且扫描时间更快。扫描时间更快也会减少患者运动时产生的运动伪影。

本实验中，在轴位和冠状位图像上的测量结果差异均没有显著性意义。这一点是因为锥形束CT的体素具有等向性，在3个方向上都是相等的，也就是说在3个正交的图像平面上得出的图像都是等质量的。

患者距离测量的精确性可能跟软组织引起图像的衰减、口内金属修复体和患者不由自主的移动有关系。现在大多数口腔颌面锥形束CT图像重建所采用的滤波反投影技术对患者在扫描过程中的稳定性要求很高，所以在扫描过程中轻微的移动都可以造成图像模糊，甚至产生伪影，表现为双重影像。这种伪影可以要求患者在口腔颌面锥形束CT机扫描过程中尽量保持稳定和尽量减少投照时间来避免^[23]。而本实验的操作中因采用头颅骨，因此并不存在运动伪影的问题。锥形束CT拍摄操作员的技术、距离测量操作的技术以及锥形束CT系统软件或硬件校准也会对颅面锥形束CT线性测量精确性产生影响^[24]。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

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Linear measurement accuracy using cone-beam computed tomography for human skull

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