关键词：三维CT；颅面立体结构；计算机辅助测量
摘 要 ：目的 为建立颅面CT三维重建影像计算机系统测量分析方法并探讨其准确性和可靠程度。方法 借助计算机图形图像学技术建立起颅面外科三维诊断分析和手术设计系统，应用所建系统方法和人类学测量方法对7例正常完整干燥头颅标本的颅-眶-颧区立体结构进行了三维测量分析，并将两种测量方法及其结果进行了比较和统计学分析结果。结果 所创建的CT影像测量方法不仅能够测量平面距离、角度，而且能够测量不同平面间的线距、特定解剖结构在三维空间中的面积和体积；两种测量方法的结果具有良好的趋同一致性；三维CT测量分析方法准确性和精密度高，线距测量项目中平均误差最大仅1.12mm(3.14%)，角度、面积和体积测量数据平均误差分别为0.94°(2.04%)、0.56cm2 (4.48%)和0.92cm3 (3.32%)。结论 三维CT影像能够真实的反映颅面三维解剖形态，三维CT测量分析能够定点、准确地描述颅面三维结构特征，可作为颅面整形外科、医学美学的一项客观研究方法。
中图分类号： R782.2 文献标识码： A 文章编号： 1005-4979(2000)02-0099-04
A COMPARATIVE STUDY BETWEEN THREE-DIMENSIONAL CT IMAGE MEASUREMENT AND ANTHROPOMETRY OF CRANIOFACIAL STRUCTURES
YANG Bing, HU ANG Hong-zhang
SUN Yat-Sen University of Medical Science, Guangzhou 510120
ZHANG Di-sheng, FENG Sheng-zhi, MU Xiong-zheng, WEI Ming
Shanghai Second Medical University 200011
Abstract ： Objective In an attempt to establish acomputerized measuring method of craniofacial three-dimensional CT images analyze theprecision and accuracy of the novel method, the computer-aided three-dimensionaldiagnosis/design system for craniofacial surgery was set up.Methods The computer-aided three-dimensional CT image measurementand anthropological measurement were carried out on 7 samples of adult skull. Thecomparative analysis between two kinds of measuring methods was conducted. Result The results showed that: thecomputerized measuring method of CT images not only can measure 2-D distances and angles,but also can measure the areas and volumes of 3-D craniofacial anatomic structures; themeasuring method of 3-D CT image is accuracy and precise; there were no any statisticsdifferences between matching pairs of eleven measurement items of t methods (P>0.05).The maximum value of average error of distance measuring items is 1.12mm(3.14%). Theaverage errors of angle, area, and volume measuring items were 0.94(2.04%), 0.56cm(4.48%),and 0.92cm(3.32%), respectively.Conclusion The three-dimensional CT image can vividly reveal theactual craniofacial three-dimensional structures. The established computerized measuringmethod of 3-D CT image can describe the craniofacial 3-D structures quantitatively andaccurately. It can serve as a objective research and diagnosis method for craniofacialplastic surgery as well as medical aesthetics.
Key words ： Three-dimensionalCT image; Computer-aided; measurement; Craniofacial anatomic structure
近十余年来，CT和三维影像学技术越来越多地应用于颅面形态结构研究、颅面畸形诊断分析和手术设计[1] 。CT和三维重建颅面影像能否真实反映颅面解剖特征和实际大小?CT影像测量分析能否成为一种研究颅面生长发育和颅面畸形的准确、有效方法?是当前整形外科、颌面外科医生所关注的问题[2、3] 。本研究通过比较分析CT影像测量和人类学测量两种方法及结果，探讨作者所建立的三维CT影像测量方法的准确可靠程度和实用价值。
1 材料与方法
自23具成人干燥完整头颅标本中筛选出7具标本，分别用下述方法测量：
1.1 人类学直接测量
1.1.1 测量工具：两脚规、钢直尺、量角器、自制量筒、游标卡尺(精密度0.02mm)、求积仪(精密度0.3%)。
1.1.2 测量标志点：按经典人类学测量方法选定解剖标志点(图1)[4] 。
图1 颅面测量解剖标志点
1.1.3 测量项目：包括颅-眶-颧区线距测量8项，角度、面积和体积测量各1项(表1)。
表1 人类学直接测量与CT影像测量结果(
±s)
| 测量项目 | 单位 | 直接测量 | 影像测量 |
| 眶内侧壁间距(d-d) | mm | 21.53±1.05 | 22.26±0.99 |
| 眶外侧壁间距(fmo-fmo) | mm | 96.09±2.37 | 96.86±2.39 |
| 额宽(ft-ft) | mm | 95.10±4.56 | 95.89±4.54 |
| 眶面宽(fmt-fmt) | mm | 105.24±1.75 | 105.77±1.79 |
| 颧面宽(zy-zy) | mm | 131.01±5.94 | 131.74±5.84 |
| 中面宽(zm-zm) | mm | 102.43±3.21 | 102.89±3.28 |
| 眶横径(d-fmo) | mm | 39.24±2.87 | 39.91±3.11 |
| 眶纵径(ors-ori) | mm | 35.36±1.49 | 36.31±1.69 |
| 眶内外侧壁夹角 | (°) | 45.00±1.29 | 45.88±1.64 |
| 眶口面积(orarea) | cm2 | 12.66±1.33 | 12.81±1.38 |
| 眶腔容积(orvol) | cm3 | 26.47±2.22 | 27.39±3.02 |
1.2 三维CT影像测量
使用SIEMENS公司生产SOMATOM ARTCT扫描机，将头颅标本逐个安置固定于扫描机固位头架上，使眶耳平面(Frankfortplane)和正中矢状面垂直于地平面(图2)。依照标准方法扫描[5] ：扫描基准线平行于眶耳平面，设置骨窗，行层厚2mm、连续不重叠、轴向断层扫描，获取分辨率512×512矩阵CT断层影像，由图像工作站将其重建为颅面三维影像(图3)。CT影像由作者所建颅面外科三维诊断分析和手术设计系统(3-DCMFCADS)的MUSTEK图像扫描仪数字化转换输入DIGITALVENTURIS FP-5100计算机，以600DPI分辨率数字化图像存储。可根据诊断治疗需要随时调用图像，运行作者设计编制的测量软件进行颅面CT影像三维测量，测量项目与直接测量项目逐一对应，包括线距、角度、解剖结构的面积和体积。其中面积和体积的运算需要先对感兴趣部位进行图像编辑、灰度均一化、配准处理，面积采用像素求和法获得，三维结构体积算法原理如图4所示，其数学模型为Volume=Σarea(Slicen +Slicen+1 /2)×Thickness
图2 头颅标本定位CT扫描
图3 颅面三维CT影像
上述测量均由二人在不同时间对每一项目进行三次测量，取其均数记录。统计分析采用t检验。
图4 解剖结构体积算法原理
2 结果
人类学直接测量和计算机辅助三维CT影像测量两种方法的测量计算结果见表1，CT影像测量结果的准确度、精密度见表2、表3。所有11项测量项目均为影像测量值略大于直接测量值，但是对两种方法间各组对应项目测量数据行t检验示差异无显著意义(P>0.5)。CT影像测量11个项目测量数据平均误差绝对值微小，平均相对误差0.56%～4.48%。
表2 颅面CT影像测量准确度分析
| 测量项目 | 最大绝 对误差 | 最大相 对误差 | 平均绝对误 差|D|( ±s) | 平均相对误 差(%)( ±s) |
| 眶内侧壁间距(mm) | -0.85 | 4.25 | 0.73±0.11 | 3.07±1.33 |
| 眶外侧壁间距(mm) | -1.13 | 1.20 | 0.78±0.24 | 0.81±0.25 |
| 额宽(mm) | -1.24 | 1.24 | 0.83±0.25 | 0.88±0.25 |
| 眶面宽(mm) | -1.21 | 1.15 | 0.73±0.37 | 0.69±0.35 |
| 颧面宽(mm) | -1.12 | 0.84 | 0.72±0.30 | 0.56±0.23 |
| 中面宽(mm) | -1.24 | 1.24 | 0.69±0.43 | 0.67±0.43 |
| 眶横径(mm) | -1.28 | 2.91 | 0.73±0.37 | 1.84±0.88 |
| 眶纵径(mm) | -1.87 | 5.50 | 1.12±0.45 | 3.14±1.29 |
| 眶内外侧壁夹角(°) | -1.50 | 3.33 | 0.94±0.48 | 2.04±1.05 |
| 眶口面积(cm2 ) | -1.02 | 8.36 | 0.56±0.39 | 4.48±3.16 |
| 眶腔容积(cm2 ) | -2.36 | 7.87 | 0.92±0.85 | 3.32±2.89 |
表3 CT影像测量精密度分析
| 眶内侧壁 间距(mm) | 眶内外侧壁 夹角(°) | 眶口面积 (cm2 ) | 眶腔容积 (cm3 ) | |
| 1 | 22.92 | 45.35 | 11.43 | 25.40 |
| 2 | 22.83 | 45.40 | 11.20 | 25.29 |
| 3 | 22.77 | 45.57 | 11.65 | 25.15 |
| 4 | 22.87 | 45.65 | 11.30 | 25.05 |
| 5 | 22.85 | 45.50 | 11.71 | 25.00 |
| | 22.85 | 45.49 | 11.46 | 25.18 |
| S | 0.06 | 0.12 | 0.22 | 0.17 |
| CV% | 0.24 | 0.26 | 1.92 | 0.68 |
3 讨论
3.1 CT影像学技术优特点
CT影像不仅能显示二维颅面断层解剖，其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线平片影像不清、结构重叠等缺点，对于复杂的颅面畸形的观察分析显示出独特的优势，因此，CT和三维影像技术在颅面外科的应用日趋增多，三维CT影像可在图像工作站或计算机系统上反复调用、多视角、多剖面显示颅颌面三维结构，为颅颌面整形外科、解剖学、人类学研究提供了“无创性活体电子解剖”方法。随着颅面外科的发展，对于复杂的颅面三维结构和颅面畸形的认识不仅需要定性、定位的观察，而且需要定量化准确的描述，近年来，CT影像测量逐渐受到重视，被应用于颅、脑、眶和椎管等部位的研究[2] ，与X线头影测量相比，CT影像测量更适合于颅面外科领域颅-眶-颧区的诊断和研究，特别是采用表面显示法重建的三维影像其表面清晰，便于确定用于测量的解剖标志点。目前，国内尚未见这方面的研究报道，国外颅面CT影像测量的报道较少[2] ，三维影像测量的报道则更少，且无较大样本的系统资料[3] 。为此，作者在这方面做了一些有益的探索。
3.2 颅面CT影像测量方法的建立
建立系统规范的CT影像测量分析方法、明确其准确度和精密度是应用此项技术首先需要解决的问题。作者在国内率先应用计算机数字图像处理技术进行颅面三维CT影像测量，提出一套适合于颅面外科基础研究和临床诊治的计算机辅助测量方法。其中包括：采取统一标准获取满意的CT影像资料；采用经典的人类学测量标志点在清晰的图像上准确定点；选择一套适用于颅面整形外科的测量项目，不仅能够进行二维平面距离、角度测量，还可进行轴状、冠状和矢状面以外的任何结构的三维空间距离测量、面积、体积测量，这些是普通X线头影测量方法无法做到的，能为研究者和临床医生提供更丰富的颅面三维结构信息，如准确反映某骨性结构的生长发育状况；CT影像测量在WINDOWS环境中运行自编的测量软件，交互式操作简捷实用。研究表明：作者创用的方法有效可行，影像测量结果与直接测量结果相近，如表1所示，两者具有良好的趋同一致性。
3.3 颅面CT影像测量结果的准确度和精密度分析
表2结果显示：8项线距测量数据最大误差在-1.87～-0.85mm(1.15%～5.5%)，平均误差0.69～1.12mm(0.56%～3.14%)，较Matteson[3] 的结果0.19mm(0.28%)略大，与Lill[6] 的结果3.6mm(-1.6%～5%)相似。角度测量最大误差-1.5(3.33%)，平均误差0.94(2.04%)，此误差略大于线距测量的原因可能是角度测量需在三点间进行，误差出现机会较多[3] 。面积、体积测量数据最大误差分别为-1.02cm2 (8.36%)和-2.36cm3 (7.87%)，平均误差分别为0.56cm2 (4.48%)和0.92cm3 (3.32%)，因这两项测量值是通过像素求和法获得，因此，其误差也就大于线距、角度误差。表3结果显示：作者所用三维CT影像测量方法可重复性强，线距、角度、面积和体积测量的精密度变异系数最大值仅1.92%，精密度很高。
本研究结果表明：三维CT影像能够真实反映颅颌面三维解剖形态结构和实际大小；作者创用的计算机辅助三维CT影像测量方法实用有效、测量项目全面、操作简捷；测量数据误差微小、准确度高且稳定可靠；该技术方法可用于颅颌面整形外科诊断分析和手术设计、颅面解剖和生长发育规律研究以及医学美学研究。
本文校对：顾云峰
作者简介：杨 斌(1963-)，男，广东，医学博士
参考文献：
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[5] Vannier MW, Marsh JL, Warren JO. Three-dimensional CT reconstruction images forcraniofacial surgical planning and evaluation[J]. Radiology, 1984;150(1):179-184.
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收稿日期：1999-03-04
, http://www.100md.com