计算机辅助正颌外科手术模拟预测系统的建立
作者：惠光艳 邢延超 段银钟
单位：惠光艳(第四军医大学口腔医学院正畸学教研室，710032)；邢延超(西安交通大学电信学院图象识别与处理研究所)；段银钟(第四军医大学口腔医学院正畸学教研室，710032)
关键词：计算机模拟；正颌手术；图象处理
计算机辅助正颌外科手术模拟预测系统的建立摘 要：目的：建立一套正颌外科手术模拟系统，为临床提供指导和数据参考，同时为教学提供形象化的教具。方法：在Windows环境下，采用Visual C++语言编制程序，借助彩色图像扫描仪和透射适配器以及数码相机等，将X线片等图象资料输入、储存于计算机，并随时将其调用和显示。在屏幕的X线片图象上进行手术模拟，将照片图象与X线片图象进行配准，获得患者的模拟预测容貌。结果：实现了一套精度高、速度快的正颌外科手术模拟系统。结论：本系统为一套精度高、速度快、效果良好的模拟系统。既为临床和教学提供方便，又为正颌外科领域的科研开辟了一条新路。
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分类号：R782.2 文献标识码：A
文章编号：1001-3733(2000)01-0043-03
Development of a computer-aided orthognathic surgery imitating system
Hui Guangyan Xing Yanchao Duan Yinzhong.
(Depatement of Orthodontics, Stomatological College, Fourth Military Medical University, Xi'an 710032)
Abstract：Objective：To develop a computer-aided imitating system for orthognathic surgery.Methods:In Windows environment with Visual C++ language. X films and photos of the selected cases were input and the imitating operations were performed on the computer, and photographs were taken with digital cameraor. aquired by scanner In the end, through the matching of the X film and photograph, patient's profile of post-treatment were obtained.Results:A computer-aided orthognathic imitating system was accomplished.Conclusion:This system can be used for diagnosis, treatment planning and result prediction in orthognathic surgery.
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Key words：Computer simulation; Orthognathic operation; Image processing▲
牙颌颅面畸形是先天或后天的各种因素作用于牙、颌、颅、面所造成的形态与功能的异常。对于其中严重的错颌畸形患者，常常需要通过正畸与颌面外科联合实施矫治。鉴于口腔颌面部在功能和美观等方面的重要地位，治疗前单纯通过肉眼观察来估计各个器官之间的位置关系和预后情况，已远远不能满足现代医学发展的需要。如何在治疗前准确迅速地制定治疗计划，成为研究的热门课题之一。计算机和图象处理技术的迅速发展，为此创造了有利条件。借助摄像机进行此方面的研究已有报告〔1～5〕，而以扫描仪为输入设备进行相关研究的报道尚不多见。
本研究借助彩色图像扫描仪，建立了一套计算机辅助扫描X线头影图像手术模拟系统。该系统可以模拟多种正颌外科手术，预测其治疗效果，为正颌外科临床提供指导和数据参考，同时也可为教学提供形象化的教具，并为该领域的进一步研究开辟了一条更为精确的途径。
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1 系统的组成与应用原理
1.1 系统的硬件配置
1.1.1 微型电子计算机 系浪潮牌品牌机，配置为PⅡ350，硬盘6.4G，内存128M。
1.1.2 外部设备 彩色图像扫描仪：系由德国生产制造的平板式彩色图象扫描仪(AGFA ARCUS型)。透射适配器：与同样型号扫描仪相配套，能够给予扫描仪特别的光源补偿，从而进行透明胶片(如：X线片)等的扫描。 喷墨打印机：爱普生公司生产的Epson Stylus Colour P880A型，分辨率为720DPI，能够输出图文混排的彩色样稿，速度高，质量好。
1.1.3 照相机或者数码相机。
1.2 软件系统 本系统采用Visual C++语言编制程序，在Windows环境下运行。系统的流程图是(图1)：
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图1 模拟系统流程图
2 系统的应用原理
2.1 颅颌定位X线侧位片和照片的拍摄 本研究中的所有图象均在头颅定位仪严格定位时的正中咬合状态下拍摄。有条件者还可以利用数码相机拍摄定位照片，直接与计算机连接输入照片。
2.2 输入病例资料 依据编制的程序，操作者根据屏幕提示逐项输入患者的姓名、性别、模型号、X线片号等简要的病史资料，以便于随时调用和查看。
2.3 图象资料的扫描输入 对图像扫描仪工作时的分辨率、曝光时间、对比度、亮度、放大倍数等各项技术参数反复调试，以便于将头颅定位X线侧位片和照片的最佳状态转化为图像文件输入计算机并储存。
2.4 图象处理 尽管输入X线片时扫描仪的状态已经调至最佳，但有时由于图片的质量不佳等问题的存在，图象中仍然有一些部位的清晰度不理想。为了使图像更适合肉眼观察，本研究设置专门的程序对X线图像进行相应的处理，滤除噪声，提高图象质量。
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2.5 正颌手术模拟 根据头影测量分析后的诊断结果对X线片图象进行手术模拟，整个过程可以反复修改,直至医师与患者均感满意为止。具体步骤是：
2.5.1 选取手术中待移动骨块：通过在X线片图象上选取结构特征点，利用曲线拟合的方法拟合出模块的边界线，得出其轮廓。
2.5.2 通过人工交互的方式将待移动模块逐步移动到适当的位置。移动的方式有水平移动、垂直移动和旋转移动等。
2.5.3 按照已知软、硬组织移动比例关系修改软组织的边界形状〔4，6〕。
首先根据软硬组织移动的比例关系，由程序依据硬组织标志点的移动情况自动修改相应软组织边界上的特征点；然后由程序重新拟合出模块的新轮廓线，并对图像进行一定的填充和平滑，以改善图像的视觉效果，从而得到最后的结果图像。
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2.6 侧貌预测 将患者的侧貌照片图象与X线片图象进行配准〔7〕，并依据对X线片图象手术模拟的结果对患者的照片图象进行修改，获得最终的容貌图象。
2.7 模拟结果的输出 可以打印输出模块移动的水平距离、垂直距离以及旋转的角度等数据，供临床参考。同时可为患者提供模拟术后的结果图象。
3 讨 论
对正颌外科医生来说，通过多个已经完成的病例，凭着经验，比较容易想象出术后侧貌的情况。但是，患者却很难将正畸治疗或手术后可能发生的面部变化形象化，因此不利于医患合作。图象作为宝贵的的医学资料，它可以表达文字所不能完全表达的丰富意义，协助拟订手术计划与方案，增强医患之间的合作与交流。本研究借助彩色图像扫描仪，不仅实现了图象的精确的快速输入，而且通过这种形象化的工具可以帮助我们向患者解释治疗过程中以及预测因治疗引起的面部变化的特征和程度，较好地实现医患合作。例如：患者曹某某，X线头影测量结果显示下颌前突合并上颌轻度后缩，需要实施双颌手术。而患者在观看了几种手术模拟的效果后表示不接受双颌手术，只实施下颌手术，模拟结果如图2～5所示。尽管患者的鼻根部仍然稍微显得凹陷，但是患者感到满意。相反如果术前不模拟给患者看，而是按照医生的意愿进行手术设计，最终患者可能会对结果不接受。
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图2 手术模拟前 图3 手术模拟移动后 图4 容貌预测前 图5 容貌预测后
传统的手工描图、剪切拼对，既费时费力, 又增加了出现误差的机会，精度低。七十年代以来，出现的借助图形数字化仪输入图象进行手术模拟的方法，精度与速度有所提高，但是仍然没有摆脱手工描图的困扰。利用摄像机获取图象进行手术模拟的系统〔7～10〕,受设备分辨率的影响，测量的精度也不高。图象扫描仪与摄像机相比，具有分辨率高等优点。本系统借助高分辨率的彩色扫描仪作为计算机的输入，直接在屏幕上的X线片图象上进行定点测量分析和手术模拟, 消除了手工描图和连线测量等繁琐步骤，提高了模拟的精度和速度。在此基础上，将正颌外科患者的侧面定位相片图象输入，与X线片图象进行重叠匹配，进而预测患者术后的软组织侧貌形态。
图象资料的保存十分困难，一方面是因为容易丢失，再就是图象本身的化学材料性能不稳定。随着科学技术的飞速发展，数码相机的出现，使有条件的用户可以通过数码相机来获取照片资料，避免了冲洗相片的繁琐，节约开支的同时提高了效率，而且还有利于照片的储存，进一步提高了系统的自动化程度。
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图象的效果如何将直接影响到模拟的效果。借助扫描仪将X线片转化为图象文件输入后，避免了描图带来的误差。但是，由于头颅结构本身比较复杂，仍然有一些图象结构效果不佳。随着数字图象处理技术的不断发展，图象处理技术日趋成熟，上述问题已经找到解决的办法。本研究专门设置程序，对图象进行灰度变换增强处理，提高了图象的清晰度，更加适合人的肉眼观察，有效地增强了人眼和/或机器对图像中不同信息的识别能力，利于对图像中的信息进行判断，减小了误差，使模拟结果更加可靠。此外，通过图像的灰度调节，硬软组织的对比十分清楚，使用者可根据需要任意显现硬组织或软组织，有利于正颌外科患者了解信息。
头影测量的术后预测分析对于外科正畸的矫治是十分重要的，但它是通过X线片图象的移动来进行的，移动的方向和范围不受任何限制，而牙颌颅面结构之间存在着解剖生理上的特殊关系，实际手术中会有许多限制，计算机与实际手术之间有一定的差别, 在进行预测分析的时候应该考虑周全，想到这些因素的制约，有必要与模型外科相互参照。
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本研究是借助图象扫描仪进行的初步尝试，可以预见，随着计算机科学的不断发展，其应用前景将会越来越广阔。
参考文献：
[1]Bhatia SN, Lowery JH. A computer-aided design for Orthognathic surgery. Brit J Oral Maxillofac Surg, 1984,22:237
[2]Moss JP,Grindrod SR,Linney AD,et al. A computer system for interactive planning and prediction of maxillofacial surgery. Am J Orthod,1988,94:469
[3]Harradine NWT, Birnie DJ. Computerized prediction of the results of Orthodontic surgery. J Maxillofac Surg,1985,13:245
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[4]胡静,王大章，董毅，等.计算机模拟正颌外科手术及疗效预测的研究.华西口腔医学杂志, 1991,9:195
[5]夏炯,王东风，黄远亮，等. 正颌外科电脑模拟手术系统的研究. 中华整形烧伤外科杂志, 1994,10(4):278
[6]吴求亮,Tideman. 实用颅颌面成形外科. 杭州:浙江科学技术出版社.第1版.1996.28
[7]Sarver DM, Johnson KW. Video imaging: Techniques for superimposition of cephalometric radiography and profile images. Int J Adult Orthod Orthognath Surg,1990,5(4):241
[8]Grubb JE. Computer assisted orthognathic surgical treatment planning:a case report. Angle Orthod,1992,62(3):227
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[9]Sarver DM,Johnston MW,Matukas VJ. Video imaging for planning and counselling in orthognathic surgery. J Oral Maxillofac Surg,1988,45:939
[10]Sarver DM.Video cephalometric diagnosis (VCD): A new concept in treatment planning. Am J Orthod,1996,110(2):128
收稿日期：1998-12-02
修改日期：1999-09-14, 百拇医药
单位：惠光艳(第四军医大学口腔医学院正畸学教研室，710032)；邢延超(西安交通大学电信学院图象识别与处理研究所)；段银钟(第四军医大学口腔医学院正畸学教研室，710032)
关键词：计算机模拟；正颌手术；图象处理
计算机辅助正颌外科手术模拟预测系统的建立摘 要：目的：建立一套正颌外科手术模拟系统，为临床提供指导和数据参考，同时为教学提供形象化的教具。方法：在Windows环境下，采用Visual C++语言编制程序，借助彩色图像扫描仪和透射适配器以及数码相机等，将X线片等图象资料输入、储存于计算机，并随时将其调用和显示。在屏幕的X线片图象上进行手术模拟，将照片图象与X线片图象进行配准，获得患者的模拟预测容貌。结果：实现了一套精度高、速度快的正颌外科手术模拟系统。结论：本系统为一套精度高、速度快、效果良好的模拟系统。既为临床和教学提供方便，又为正颌外科领域的科研开辟了一条新路。
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分类号：R782.2 文献标识码：A
文章编号：1001-3733(2000)01-0043-03
Development of a computer-aided orthognathic surgery imitating system
Hui Guangyan Xing Yanchao Duan Yinzhong.
(Depatement of Orthodontics, Stomatological College, Fourth Military Medical University, Xi'an 710032)
Abstract：Objective：To develop a computer-aided imitating system for orthognathic surgery.Methods:In Windows environment with Visual C++ language. X films and photos of the selected cases were input and the imitating operations were performed on the computer, and photographs were taken with digital cameraor. aquired by scanner In the end, through the matching of the X film and photograph, patient's profile of post-treatment were obtained.Results:A computer-aided orthognathic imitating system was accomplished.Conclusion:This system can be used for diagnosis, treatment planning and result prediction in orthognathic surgery.
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Key words：Computer simulation; Orthognathic operation; Image processing▲
牙颌颅面畸形是先天或后天的各种因素作用于牙、颌、颅、面所造成的形态与功能的异常。对于其中严重的错颌畸形患者，常常需要通过正畸与颌面外科联合实施矫治。鉴于口腔颌面部在功能和美观等方面的重要地位，治疗前单纯通过肉眼观察来估计各个器官之间的位置关系和预后情况，已远远不能满足现代医学发展的需要。如何在治疗前准确迅速地制定治疗计划，成为研究的热门课题之一。计算机和图象处理技术的迅速发展，为此创造了有利条件。借助摄像机进行此方面的研究已有报告〔1～5〕，而以扫描仪为输入设备进行相关研究的报道尚不多见。
本研究借助彩色图像扫描仪，建立了一套计算机辅助扫描X线头影图像手术模拟系统。该系统可以模拟多种正颌外科手术，预测其治疗效果，为正颌外科临床提供指导和数据参考，同时也可为教学提供形象化的教具，并为该领域的进一步研究开辟了一条更为精确的途径。
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1 系统的组成与应用原理
1.1 系统的硬件配置
1.1.1 微型电子计算机 系浪潮牌品牌机，配置为PⅡ350，硬盘6.4G，内存128M。
1.1.2 外部设备 彩色图像扫描仪：系由德国生产制造的平板式彩色图象扫描仪(AGFA ARCUS型)。透射适配器：与同样型号扫描仪相配套，能够给予扫描仪特别的光源补偿，从而进行透明胶片(如：X线片)等的扫描。 喷墨打印机：爱普生公司生产的Epson Stylus Colour P880A型，分辨率为720DPI，能够输出图文混排的彩色样稿，速度高，质量好。
1.1.3 照相机或者数码相机。
1.2 软件系统 本系统采用Visual C++语言编制程序，在Windows环境下运行。系统的流程图是(图1)：
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图1 模拟系统流程图
2 系统的应用原理
2.1 颅颌定位X线侧位片和照片的拍摄 本研究中的所有图象均在头颅定位仪严格定位时的正中咬合状态下拍摄。有条件者还可以利用数码相机拍摄定位照片，直接与计算机连接输入照片。
2.2 输入病例资料 依据编制的程序，操作者根据屏幕提示逐项输入患者的姓名、性别、模型号、X线片号等简要的病史资料，以便于随时调用和查看。
2.3 图象资料的扫描输入 对图像扫描仪工作时的分辨率、曝光时间、对比度、亮度、放大倍数等各项技术参数反复调试，以便于将头颅定位X线侧位片和照片的最佳状态转化为图像文件输入计算机并储存。
2.4 图象处理 尽管输入X线片时扫描仪的状态已经调至最佳，但有时由于图片的质量不佳等问题的存在，图象中仍然有一些部位的清晰度不理想。为了使图像更适合肉眼观察，本研究设置专门的程序对X线图像进行相应的处理，滤除噪声，提高图象质量。
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2.5 正颌手术模拟 根据头影测量分析后的诊断结果对X线片图象进行手术模拟，整个过程可以反复修改,直至医师与患者均感满意为止。具体步骤是：
2.5.1 选取手术中待移动骨块：通过在X线片图象上选取结构特征点，利用曲线拟合的方法拟合出模块的边界线，得出其轮廓。
2.5.2 通过人工交互的方式将待移动模块逐步移动到适当的位置。移动的方式有水平移动、垂直移动和旋转移动等。
2.5.3 按照已知软、硬组织移动比例关系修改软组织的边界形状〔4，6〕。
首先根据软硬组织移动的比例关系，由程序依据硬组织标志点的移动情况自动修改相应软组织边界上的特征点；然后由程序重新拟合出模块的新轮廓线，并对图像进行一定的填充和平滑，以改善图像的视觉效果，从而得到最后的结果图像。
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2.6 侧貌预测 将患者的侧貌照片图象与X线片图象进行配准〔7〕，并依据对X线片图象手术模拟的结果对患者的照片图象进行修改，获得最终的容貌图象。
2.7 模拟结果的输出 可以打印输出模块移动的水平距离、垂直距离以及旋转的角度等数据，供临床参考。同时可为患者提供模拟术后的结果图象。
3 讨 论
对正颌外科医生来说，通过多个已经完成的病例，凭着经验，比较容易想象出术后侧貌的情况。但是，患者却很难将正畸治疗或手术后可能发生的面部变化形象化，因此不利于医患合作。图象作为宝贵的的医学资料，它可以表达文字所不能完全表达的丰富意义，协助拟订手术计划与方案，增强医患之间的合作与交流。本研究借助彩色图像扫描仪，不仅实现了图象的精确的快速输入，而且通过这种形象化的工具可以帮助我们向患者解释治疗过程中以及预测因治疗引起的面部变化的特征和程度，较好地实现医患合作。例如：患者曹某某，X线头影测量结果显示下颌前突合并上颌轻度后缩，需要实施双颌手术。而患者在观看了几种手术模拟的效果后表示不接受双颌手术，只实施下颌手术，模拟结果如图2～5所示。尽管患者的鼻根部仍然稍微显得凹陷，但是患者感到满意。相反如果术前不模拟给患者看，而是按照医生的意愿进行手术设计，最终患者可能会对结果不接受。
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图2 手术模拟前 图3 手术模拟移动后 图4 容貌预测前 图5 容貌预测后
传统的手工描图、剪切拼对，既费时费力, 又增加了出现误差的机会，精度低。七十年代以来，出现的借助图形数字化仪输入图象进行手术模拟的方法，精度与速度有所提高，但是仍然没有摆脱手工描图的困扰。利用摄像机获取图象进行手术模拟的系统〔7～10〕,受设备分辨率的影响，测量的精度也不高。图象扫描仪与摄像机相比，具有分辨率高等优点。本系统借助高分辨率的彩色扫描仪作为计算机的输入，直接在屏幕上的X线片图象上进行定点测量分析和手术模拟, 消除了手工描图和连线测量等繁琐步骤，提高了模拟的精度和速度。在此基础上，将正颌外科患者的侧面定位相片图象输入，与X线片图象进行重叠匹配，进而预测患者术后的软组织侧貌形态。
图象资料的保存十分困难，一方面是因为容易丢失，再就是图象本身的化学材料性能不稳定。随着科学技术的飞速发展，数码相机的出现，使有条件的用户可以通过数码相机来获取照片资料，避免了冲洗相片的繁琐，节约开支的同时提高了效率，而且还有利于照片的储存，进一步提高了系统的自动化程度。
, http://www.100md.com
图象的效果如何将直接影响到模拟的效果。借助扫描仪将X线片转化为图象文件输入后，避免了描图带来的误差。但是，由于头颅结构本身比较复杂，仍然有一些图象结构效果不佳。随着数字图象处理技术的不断发展，图象处理技术日趋成熟，上述问题已经找到解决的办法。本研究专门设置程序，对图象进行灰度变换增强处理，提高了图象的清晰度，更加适合人的肉眼观察，有效地增强了人眼和/或机器对图像中不同信息的识别能力，利于对图像中的信息进行判断，减小了误差，使模拟结果更加可靠。此外，通过图像的灰度调节，硬软组织的对比十分清楚，使用者可根据需要任意显现硬组织或软组织，有利于正颌外科患者了解信息。
头影测量的术后预测分析对于外科正畸的矫治是十分重要的，但它是通过X线片图象的移动来进行的，移动的方向和范围不受任何限制，而牙颌颅面结构之间存在着解剖生理上的特殊关系，实际手术中会有许多限制，计算机与实际手术之间有一定的差别, 在进行预测分析的时候应该考虑周全，想到这些因素的制约，有必要与模型外科相互参照。
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本研究是借助图象扫描仪进行的初步尝试，可以预见，随着计算机科学的不断发展，其应用前景将会越来越广阔。
参考文献：
[1]Bhatia SN, Lowery JH. A computer-aided design for Orthognathic surgery. Brit J Oral Maxillofac Surg, 1984,22:237
[2]Moss JP,Grindrod SR,Linney AD,et al. A computer system for interactive planning and prediction of maxillofacial surgery. Am J Orthod,1988,94:469
[3]Harradine NWT, Birnie DJ. Computerized prediction of the results of Orthodontic surgery. J Maxillofac Surg,1985,13:245
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[4]胡静,王大章，董毅，等.计算机模拟正颌外科手术及疗效预测的研究.华西口腔医学杂志, 1991,9:195
[5]夏炯,王东风，黄远亮，等. 正颌外科电脑模拟手术系统的研究. 中华整形烧伤外科杂志, 1994,10(4):278
[6]吴求亮,Tideman. 实用颅颌面成形外科. 杭州:浙江科学技术出版社.第1版.1996.28
[7]Sarver DM, Johnson KW. Video imaging: Techniques for superimposition of cephalometric radiography and profile images. Int J Adult Orthod Orthognath Surg,1990,5(4):241
[8]Grubb JE. Computer assisted orthognathic surgical treatment planning:a case report. Angle Orthod,1992,62(3):227
, 百拇医药
[9]Sarver DM,Johnston MW,Matukas VJ. Video imaging for planning and counselling in orthognathic surgery. J Oral Maxillofac Surg,1988,45:939
[10]Sarver DM.Video cephalometric diagnosis (VCD): A new concept in treatment planning. Am J Orthod,1996,110(2):128
收稿日期：1998-12-02
修改日期：1999-09-14, 百拇医药