基于正畸治疗标志点配准实时配准系统的准确性

doi:10.12307/2026.624

中国组织工程研究 ›› 2026, Vol. 30 ›› Issue (10): 2459-2465.doi: 10.12307/2026.624

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基于正畸治疗标志点配准实时配准系统的准确性

黄举能1，曾婧捷2，彭颖1，卢雯蓉3，唐敏2，张学军1

1广西大学，广西壮族自治区南宁市 530004；2广西医科大学附属口腔医院，广西壮族自治区南宁市 530021；3河池市第一人民医院，广西壮族自治区河池市 547000

收稿日期:2025-03-14 接受日期:2025-06-18 出版日期:2026-04-08 发布日期:2025-08-28
通讯作者: 唐敏，博士，主任医师，广西医科大学附属口腔医院，广西壮族自治区南宁市 530021 通讯作者：张学军，博士，教授，广西大学，广西壮族自治区南宁市 530004
作者简介:黄举能，男，1998年生，广东省佛山市人，汉族，广西大学毕业，硕士，主要从事医学图像、计算机视觉方面的研究。并列第一作者：曾婧捷，女，1997年生，广西壮族自治区来宾市人，壮族，2023年广西医科大学毕业，硕士，医师，主要从事口腔正畸学方面的研究。
基金资助:
广西医疗卫生适宜技术开发与推广应用项目(S2023094)，项目负责人：唐敏；国家临床重点专科建设项目(CZ000037)，项目负责人：唐敏

Accuracy of a real-time registration system based on orthodontic landmarks

Huang Juneng1, Zeng Jingjie2, Peng Ying1, Lu Wenrong3, Tang Min2, Zhang Xuejun1

1Guangxi University, Nanning 530004, Guangxi Zhuang Autonomous Region, China; 2Guangxi Medical University Stomatological Hospital, Nanning 530021, Guangxi Zhuang Autonomous Region, China; 3First People’s Hospital of Hechi City, Hechi 547000, Guangxi Zhuang Autonomous Region, China

Received:2025-03-14 Accepted:2025-06-18 Online:2026-04-08 Published:2025-08-28
Contact: Tang Min, MD, Chief physician, Guangxi Medical University Stomatological Hospital, Nanning 530021, Guangxi Zhuang Autonomous Region, China Co-corresponding author: Zhang Xuejun, MD, Professor, Guangxi University, Nanning 530004, Guangxi Zhuang Autonomous Region, China
About author:Huang Juneng, MS, Guangxi University, Nanning 530004, Guangxi Zhuang Autonomous Region, China Zeng Jingjie, MS, Physician, Guangxi Medical University Stomatological Hospital, Nanning 530021, Guangxi Zhuang Autonomous Region, China Huang Juneng and Zeng Jingjie contributed equally to this work.
Supported by:
Guangxi Medical and Healthcare Appropriate Technology Development and Promotion Application Project, No. S2023094 (to TM); National Clinical Key Specialty Construction Project, No. CZ000037 (to TM)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
实时配准系统：是一种基于计算机视觉技术开发的工具，专门用于正畸学中头颅侧位片的精确重叠。该系统利用Labelme软件进行标志点定位，并采用自定义实时可视化配准软件，实现了治疗前后头颅侧位片的自动配准与可视化。该系统在配准过程中不仅能够提供即时反馈，还能有效减少传统方法中因人为因素导致的误差。
多标志点配准：指通过医学影像中多个解剖标志点的空间位置匹配，实现图像对齐重叠的技术。通过多个标志点共同参与配准，将误差分散到多个点上，提高图像配准的精度和稳定性。

背景：连续头颅侧位X射线片的重叠在正畸学中常用来评估正畸/矫形治疗的结果和生长发育的变化。标志点定位误差和配准方法是影响头颅侧位片重叠准确性的关键因素，目前还没有非常精准的配准系统。
目的：开发一个实时配准系统指导头颅侧位X射线片上的标志点定位，以提高头颅侧位X射线片配准精度，并评价该配准方法的准确性。
方法：根据纳排标准选择40例成年患者正畸治疗前后头颅侧位X射线片，使用Labelme软件进行治疗前后头颅侧位X射线片标志点定位。利用python语言、Opencv、PyQT编写实时可视化配准软件。通过SellaNasion(SN)重叠法、LS-5重叠法(LS-5)以及LS-5实时重叠法(LS-5R)进行配准，测量比较不同重叠方法中前鼻棘(ANS)、后鼻棘(PNS)、上牙槽座点(A)、下牙槽座点(B)、颏前点(Pog)的距离误差和成功检测率来评价配准精度。
结果与结论：①LS-5实时重叠法的标志点距离误差最小，与SN法相比所有点的距离误差均有显著性差异(P < 0.05)，与LS-5重叠法相比后鼻棘(PNS)、上牙槽座点(A)、下牙槽座点(B)、颏前点(Pog)的距离误差有显著性差异(P < 0.05)，且差异依次增加；②LS-5实时重叠法在1，2，3 mm精度范围内自动叠加标志点的成功检出率均高于SN重叠法；③LS-5实时重叠法与传统的SN重叠法相比，叠加误差更小，它可能是临床上更可靠的叠加连续头颅侧位图像的方法。
https://orcid.org/0009-0002-6507-7255(黄举能)；https://orcid.org/0000-0002-5392-0914(曾婧捷)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：干细胞；骨髓干细胞；造血干细胞；脂肪干细胞；肿瘤干细胞；胚胎干细胞；脐带脐血干细胞；干细胞诱导；干细胞分化；组织工程

关键词: 头颅侧位X射线片, 重叠, 多点配准, 实时配准, 准确性

Abstract: BACKGROUND: The superimposition of consecutive cephalometric lateral radiographs is commonly used in orthodontics to assess the outcomes of orthodontic/orthopedic treatments and changes in growth and development. The key factors affecting the accuracy of cephalometric superimposition are landmark localization errors and registration methods. Currently, there is no highly accurate registration system.
OBJECTIVE: To study a real-time registration system that guides the adjustment of landmark localization on cephalometric lateral radiographs to assist in improving registration accuracy and evaluate the precision of this registration method.
METHODS: Pre- and post-treatment cephalometric lateral radiographs of 40 adult patients were selected according to the inclusion criteria. Landmark localization on the pre- and post-treatment radiographs was performed using Labelme software. Real-time visualized registration software was developed using Python, Opencv, and PyQT. Registration was performed using the SellaNasion (SN) superimposition method, the Least Squared Averaged 5 Landmarks (LS-5) method, and the Real-time Least Squared Averaged 5 Landmarks (LS-5R) method. The distance errors and the success detection rate of landmarks anterior nasal spine (ANS), posterior nasal spine (PNS), upper alveolar seat point (A), lower alveolar seat point (B), point of anterior chin (Pog) were measured and compared to evaluate the registration accuracy.
RESULTS AND CONCLUSION: The LS-5R method exhibited the smallest landmark distance errors. Compared with the SN method, all landmark distance errors showed statistically significant differences (P < 0.05). The distance errors of PNS, A, B, and Pog landmarks with the LS-5R method were statistically different from those with the LS-5 method (P < 0.05), and the differences increased in sequence. The success detection rate of automatic landmark detection within 1mm, 2mm, and 3mm accuracy ranges was higher for the LS-5R method than for the SN superimposition method. The LS-5R method has smaller superimposition errors compared with the traditional SN method, making it a potentially more reliable method for superimposing consecutive cephalometric lateral radiographs in clinical practice.

Key words: lateral cephalogram, superimposition, multi-point registration, real-time registration, accuracy

中图分类号:

黄举能, 曾婧捷, 彭颖, 卢雯蓉, 唐敏, 张学军. 基于正畸治疗标志点配准实时配准系统的准确性[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(10): 2459-2465.

Huang Juneng, Zeng Jingjie, Peng Ying, Lu Wenrong, Tang Min, Zhang Xuejun. Accuracy of a real-time registration system based on orthodontic landmarks[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2026, 30(10): 2459-2465.

图/表（结果） 3

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引言

头影测量是研究颅面生长发育、正畸/正颌诊断及矫治设计、评价正畸/正颌治疗效果的重要辅助手段[1]。重叠不同时期的头颅侧位X射线片可以清晰展示牙齿、牙槽骨、颌骨、软组织的变化，有利于直观评估正畸/正颌治疗、生长发育对颅面结构的影响[2-3]，但只有精准重叠才可以为上述颅面结构变化做出可靠的评估。头颅侧位X射线片重叠的准确性主要取决于两个相关因素：重叠方法和标志点定位，这些因素造成的误差都会影响头颅侧位片重叠的准确度[4-6]。
以相对稳定的颅底结构和区域解剖轮廓为参考，已研究出多种头颅侧位X射线片重叠的方法[3，7-8]，如Björk结构法、SellaNasion(SN)重叠法、LS-5(Least squared averaged 5 landmarks method)法等。Björk结构法是发育期患者头影测量重叠的金标准，但其需要绘制曲线轮廓，难以与计算机兼容，且由于Björk结构法需要准确识别绘制曲线轮廓，而不仅是精确定位某些标志点，因此需要付出大量时间和精力，经济成本较高[3，9-13]。SN重叠法是一种与计算机更兼容的重叠方法，计算机辅助下可实现自动定点及重叠，更省时、高效，但严重依赖Sella和Nasion两个标志点，Sella、Nasion标志点随着时间的推移而重塑，重叠误差的概率可能会明显增加[3，14-17]。为了克服传统SN重叠方法的不足，GLIDDON等[4]提出了一种共同依赖Sella、Nasion、Porion、Orbitale、
Basion的LS-5法，或增加Pterygoid形成六点重叠法，多点重叠方法的重叠误差明显降低，该方法与计算机辅助头影测量高度兼容[18]。虽然增加标志点的数量可以显著提高叠加精度，但仍然存在需要反复多次人工调整标准点位置，浪费时间和人力的缺点。有研究报道LS-5法准确度比SN重叠法高，但其局限于对同一头颅侧位X射线片重叠追踪[3]。目前还缺乏LS-5法对治疗前后头颅侧位X射线片重叠准确度的研究及提高LS-5法定点效率的方法。
标志点定位不准确是头颅侧位X射线片重叠误差的主要来源[19-21]。头颅侧位X射线片模糊、双侧解剖结构不重叠、操作医生资质等均可能导致标志点定位不准确，降低头影测量的可信度，进而影响头颅侧位X射线片重叠的准确性[22-24]。通常，先分别在重叠前的2张头颅侧位X射线片上定位标志点，而后根据标志点重叠，若重叠效果不佳，则需重新调整标志点位置，再次重叠，重复以上步骤直至获得较好的重叠效果。传统方法调整标志点误差大、效率低。作者假设采用一种有效方法可以将标志点位置在重叠图像上可视化，以指导微调标志点使其定位一致，再实时显示微调后重叠效果，进而提高头颅侧位X射线片重叠的准确性。
因而，此次研究的目的是开发一个实时配准系统，通过实时显示配准结果和标志点位置偏差来指导调整头颅侧位X射线片上的标志点，从而提高配准精度。进一步评价该系统的配准精度，并比较使用该配准系统前后LS-5重叠法与传统SN重叠方法的重叠误差。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：干细胞；骨髓干细胞；造血干细胞；脂肪干细胞；肿瘤干细胞；胚胎干细胞；脐带脐血干细胞；干细胞诱导；干细胞分化；组织工程

材料方法

1 对象和方法 Subjects and methods
1.1 设计观察性试验。
1.2 时间及地点试验于 2022年12月至2024年12月在广西大学计算机与电子信息学院实验室与广西医科大学附属口腔医院完成。
1.3 对象回顾性收集就诊于广西医科大学附属口腔医院完成正畸治疗的40例发育结束的成年患者治疗前头颅侧位X射线片(T1)和治疗后头颅侧位X射线片(T2)[25]，男17例，女23例；年龄18-40岁，平均28.5岁。患者治疗前后的X射线片不全为同一机器拍摄。此次研究由广西医科大学伦理委员会审查批准(批号：2024年KY0084)，免除了患者的知情同意。
纳入标准：年龄范围18-40岁的成人(含18岁和40岁)；完成拔牙矫正的成年患者；正畸治疗效果好；颅颌面部对称性：良好，硬组织颏前点偏离面中线左右≤1 mm；无创伤史、手术史；所有影像清晰完整。
排除标准：开牙合；非标准化或低分辨率的图片；有严重全身系统病史；存在发育障碍综合征、牙列缺损、颅面缺损以及不对称畸形。
1.4 方法
1.4.1 标志点定位所有标志点均由3位正畸医生分别定位，在标志点定位之前，由1名广西医科大学口腔医学院的正畸专家对3名正畸医生进行培训，并对8%的样本量进行了定期校正。
使用开源计算机标注软件Labelme，对治疗前后的头颅侧位X射线片进行标志点定点(图1)。选取10个头颅标志点和2个标尺点，见表1，其中包括配准标志点蝶鞍点(S)、鼻根点(N)、眶点(Or)、翼上颌裂点(Ptm)、颅底点(Ba)，评价标志点前鼻棘(ANS)、后鼻棘(PNS)、上牙槽座点(A)、下牙槽座点(B)、颏前点(Pog)，以及标尺点R1、R2。
1.4.2 多标志点配准配准算法是基于计算2个图像点集之间的最优相似变换矩阵M，该变换矩阵具有4个自由度，用于表示旋转角α、缩放尺度s以及在水平和垂直方向的平移tx，ty。

配准算法流程如下：

(1)将治疗前图像(固定图像)用于配准的标志点作为目标点集{ti}，ti 为表示治疗前图像第i个标志点的坐标矩阵，ti=[xi，yi]t；将治疗后图像(移动

图像)的对应标志点作为源点集{Si}，令源点集经变换矩阵变换后为{Yi}，其中Yi=M×Si，因此目标点集{Ti}与变换后点集{Yi}的均方误差为：

(2)利用最小二乘法，计算令均方误差d最小时其变换矩阵M，则该变换矩阵M为将治疗后图像配准到治疗前图像的最优变换矩阵。
(3)将治疗后图像经矩阵M的图像变换后即可得到配准后图像。

1.4.3 实时可视化配准与标志点微调由于上述配准算法的最主要误差来源是配准标志点的定点误差。利用python语言以及Opencv、PyQT等工具库，编写实时可视化配准软件，该软件可以根据Labelme所标注的标志点进行实时配准以及可视化。图2为实时配准系统界面，下方4张图像分别为治疗后图像、治疗前图像、治疗后图像经配准变换后的图像和重叠图像。因此根据重叠图像中配准标志点位置以及

关键结构的重叠误差进一步实时微调配准点来优化配准效果(图3)。

1.4.4 评价叠加误差为了评价头颅侧位X射线片标志点可视化辅助配准方法的有效性，比较了3种叠加方法的配准误差。
通过SN重叠法、LS-5重叠法与LS-5实时重叠法(Real-time Least squared averaged 5 landmarks method，LS-5R)将治疗后的头颅侧位X射线片(T2)叠加在治疗前的头颅侧位X射线片(T1)上。对于选定的头颅标志点位置P，治疗前的位置记为P1，SN重叠法、LS-5重叠法和LS-5实时重叠法定位的标志点的位置分别记为P2SN、P2LS-5和P2LS-5R。由于叠加是在治疗前后不同的头颅侧位X射线片上进行的，因此将叠加方法的误差定义为P2和P1之间标志点的欧氏距离值。对于每次叠加，计算5个标志点：ANS、PNS、A、B、Pog点的P1和P2SN之间、P1和P2LS-5之间、P1和P2LS-5R之间、P2SN和P2LS-5之间、P2SN和P2LS-5R之间的欧几里得距离，单位为mm。选择以上5个标志点的原因是因为它们是上、下颌骨中最具特征和代表性的变量，且这些测量标志点没有用于计算变换矩阵M。叠加误差是根据叠加方法是否减少或增加了位于上颌骨和下颌骨的头颅测量标志点之间的最终距离来评估的。
P1与P2SN之间的距离，即SN重叠法的叠加误差，表示为e SN。P1和P2LS-5之间的距离，即LS-5重叠法的叠加误差，表示为e LS-5。P1和P2LS-5R之间的距离，即LS-5实时重叠法的叠加误差，表示为e LS-5R。将P2LS-5与P2SN之间的距离，即LS-5重叠法与SN重叠法之间的差异记为e SN-LS5。将P2LS-5R与P2SN之间的距离，即LS-5重叠法与SN重叠法之间的差异记为e SN-LS5R。
为了比较3种叠加方法配准的准确性，还对3种方法在1，2，3 mm精度范围内每个标志点的成功检测率进行了统计分析。
1.5 主要观察指标不同重叠法下，40例患者正畸治疗前后头颅侧位片的标志点距离误差，以及标志点在1，2，3 mm内的成功检出率。
1.6 统计学分析使用R语言及SPSS 26.0进行数据分析。用Shapiro-Wilk检验对各组数据进行正态性检验，连续变量以x±s表示，满足正态分布，两组间比较采用t检验，显著性水平α设定为0.05。文章统计学方法已经广西医科大学生物统计学专家审核。

讨论

头影测量的精准重叠对于正畸治疗或正颌手术前后变化的评估、预测及颅面生长发育的研究等都有重要意义，一直是正畸研究的热点[26-27]。然而，由于二维头颅侧位片存在结构模糊、双侧影像不重叠等问题而导致定点误差大，目前还没有非常精准的配准方法[22, 28]。因而，此次研究的目的是开发一种实时可视化配准系统，此系统能够实时呈现重叠图像中配准标志点位置以及关键结构的重叠误差，以此指导定点的调整工作，从而提高配准精度。此次研究还进一步评价了该系统的配准精度，并比较了使用该配准系统前后LS-5重叠法与传统SN重叠法的重叠误差。在比较重叠误差时，发现3种方法在统计学上存在显著差异，提出的实时配准方法显示出较小的叠加误差。
标志点定位的准确性直接决定了头影测量的准确性，进而影响头颅侧位片重叠的准确性。头颅侧位片图像质量不佳(影像结构模糊、双侧不重叠)会提高头影测量过程中标志点的标记难度，影响标志点的稳定性及重复性[29-33]。为了研究成人正畸治疗前后软硬组织变化的预测，此次研究的操作者对1 000多例正畸患者治疗前后头颅侧位X射线片进行了定点重叠，在过程中发现，即使是专家在进行标志点定位时，误差也是不可避免的，尤其是容易出现双侧影像结构不重叠的标志点(如Or、Ptm标志点)。而在配准过程中相较于一定要找到某个点来准确定义位置，在配准前后X射线片上标志点位置的一致性可能对配准精度影响更大。因而，此次研究提出如果实时呈现重叠图像中配准标志点位置以及关键结构的重叠误差，以此指导定点的调整工作，可以提高前后定点的一致性以有效提高配准精度。
此次研究结果表明LS-5重叠法配准结果优于传统SN方法。MOON等[3]用SN法和LS-5重叠法对283张头颅侧位X射线片进行2次追踪，与SN叠加方法相比，LS-5重叠法叠加误差较小，这两种叠加方法在临床上有显著差异。GLIDDON等[4]学者比较了FH@Porion法、S-N法、LS-5重叠法和手工几何法共4种重叠方法的准确性，发现手工几何法和LS-5重叠法的误差较小。KIM等[18]探讨基于S、N、P、Or、Ba和Pt点重叠法是否比传统的SN重叠法更适用于评价生长变化，结果显示多点重叠法似乎比SN重叠法更接近Bjork结构法。此次研究结果显示LS-5重叠法所有标志点距离误差(e LS-5)均比SN重叠法(e SN)小，与上述文献报道结果相似。与SN重叠法中仅使用两个颅底标记不同，此文采用的重叠法使用了5个颅底标志点：S、N、Or、Ba和Ptm。SN重叠法中N 点的识别往往存在较大误差，这也是导致其叠加误差较大的关键因素之一[3]。与之相比，此次研究所运用的实时配准系统基于多点重叠方法，借助额外的配准标志点，有效降低了对 N 点的依赖程度，这种方法能够将叠加的头侧图像精准地定向到最佳拟合位置，使得各个标志点的识别误差平均分布和最小化，最终实现更精准的叠加效果[4]。在此基础上，此次研究所提出的实时配准系统将配准结果和重叠图像上标志点位置实时可视化，指导操作者调整标志点位置，提高重叠图像标志点定位的一致性，进而提高重叠的准确性，此次研究结果显示LS-5实时配准法在临床应用中配准误差较SN法和LS-5法小且标志点成功检出率高。
如表2所示，经实时配准系统配准后，标志点距离误差为1.04-2.11 mm，这较GLIDDON等[4]研究的配准误差稍大。他们用4种重叠方法对8张成人头颅侧位X射线片进行研究，结果显示手动几何法及LS-5法的重叠距离误差均小于0.50 mm，SN法、FH法的距离误差为0.99-2.88 mm。此次研究虽然样本量更大，但研究对象为治疗前后头颅侧位X射线片，不同图像质量、拍摄机器和解剖结构变化均会影响配准误差，比同一张头颅侧位X射线片重叠误差大可以理解。
在重叠头颅侧位X射线片上使用颅部结构标志点作为参考，随着标记点距离颅底越远，重叠误差会增加[18]，这可以用弧和半径的概念来解释。在叠加过程中，标记所在的颅底作为旋转中心，从旋转中心到每个标志点的距离形成半径，半径越大，相应标志点之间的差异也越大，GLIDDON等[4]证明这一规律与叠加方法无关。此次研究结果显示，标志点距离误差按照PNS、A、B、Pog点的顺序依次增加，与上述报道一致。此外，李东等[34]、HOSSEINZADEH-NIK等[35]学者认为正畸治疗会引起下颌的旋转，改变B点和Pog点位置，这也可能是B点和Pog点误差较大的原因之一。
与传统的SN重叠法方法相比，LS-5实时重叠法可能有几个优点：①首先，它先进行5点配准，能够减少对S和N点的依赖。标志点定位不准确是导致重叠误差的最关键因素，因此采用LS-5实时重叠法通过多个标志点共同参与配准，将识别误差分散到多个点上，将误差最小化，最终实现更准确的叠加效果[4]。②其次，基于关键点配准后，实现了重叠图像标志点位置和配准结果的实时可视化。这一特性使得操作者能直观地获取配准的实时信息，及时调整标志点位置，进一步提高配准的准确性和可靠性。
此外，对于5个标志点(ANS、PNS、A、B、Pog)在2 mm和3 mm的精度范围内，LS-5实时重叠法对每个标志点的成功检测率均高于其他两种重叠法。在1 mm精度范围内，ANS、PNS、A点的成功检测率高于其他两种重叠法。由此可得出结论，此次研究开发的实时配准系统可使标志点定位更准确，提高配准精度，LS-5实时重叠法比传统的SN方法及LS-5重叠法更准确。
然而，此次研究仍有一些局限性。首先，研究对象是二维头颅侧位X射线片，其在临床上使用最广泛、辐射剂量小，但图像质量问题是影响配准精度的最重要原因之一[36-38]。3D影像可以很好地克服二维图像存在的图像放大、失真、形变等问题[39-42]，而且可以在空间上研究解剖点的位置[43-44]。因此，后续研究可以尝试进行3D影像的叠加和分析。其次，此次研究是成人患者正畸治疗前后软硬组织图像生成预测研究的前期实验，所以无需画出头颅轮廓，重叠后牙齿或者牙槽位置的变化是更直观的，可以成为一种新的研究或者教学呈现方式。未来，作者将尝试改进系统使其成为临床应用或学术研究的有力工具。
结论：实时配准系统与传统的SN重叠法相比，叠加误差更小，它可能是临床上更可靠的叠加连续头颅侧位图像的方法。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：干细胞；骨髓干细胞；造血干细胞；脂肪干细胞；肿瘤干细胞；胚胎干细胞；脐带脐血干细胞；干细胞诱导；干细胞分化；组织工程

基于正畸治疗标志点配准实时配准系统的准确性

Accuracy of a real-time registration system based on orthodontic landmarks

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