种植术区CBCT影像智能测量系统的初步研发与验证_马雪纯.pdf
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1、口腔影像学研究种植术区C B C T影像智能测量系统的初步研发与验证马雪纯1,2 黄瀚霄3 申晓靖4 宁楠5 柳忠豪1,2*1.滨州医学院口腔医学院 山东 烟台 2 6 4 0 0 3;2.滨州医学院附属烟台口腔医院种植科 山东 烟台 2 6 4 0 0 0;3.浙江大学C A D&C G国家重点实验室 浙江 杭州 3 1 0 0 5 8;4.青岛市市立医院口腔医疗中心 山东 青岛 2 6 6 0 0 0;5.杭州美齐科技有限公司 浙江 杭州 3 1 0 0 0 0 摘要 目的:研发新型种植术区C B C T影像智能测量系统并进行验证。方法:以Q t为开发框架,使用V C G库对牙齿模型进行读
2、取和处理,开发用于种植术区C B C T影像诊断参数测量的智能分析系统。将该系统智能测量结果与人工测量结果进行比较,评估两者之间的差异性。结果:成功研发出可由使用者选择牙位,计算机自动测量种植术区C B C T影像种植诊断参数的智能分析系统。对于各项种植诊断参数的测量,智能测量方法与人工测量方法之间均无统计学差异(P0.0 5),测量结果可靠。结论:该智能测量系统参数测量结果可靠,可为种植术前规划提供参考。关键词 计算机辅助诊断;三维测量;牙种植;医学影像;智能识别 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 17 6 5 1(2 0 2 3)0 60 4 9 10 5d o i 1 0.1 3 7
3、 0 1/j.c n k i.k q y x y j.2 0 2 3.0 6.0 0 5P r e l i m i n a r y D e v e l o p m e n t a n d V e r i f i c a t i o n o f C B C T I m a g e I n t e l l i g e n t M e a s u r e m e n t S y s t e m i n I m p l a n t S u r g e r y A r e a.MA X u e c h u n1,2,HU ANG H a n x i a o3,SHEN X i a o j i n g4,
4、N I NG N a n5,L I U Z h o n g h a o1,2*.1.S c h o o l o f S t o-m a t o l o g y,B i n z h o u M e d i c a l U n i v e r s i t y,Y a n t a i 2 6 4 0 0 3,C h i n a;2.D e p a r t m e n t o f I mp l a n t D e n t i s t r y,B i n z h o u M e d i c a l U n i v e r s i t y A f f i l i a t e d Y a n t a i S
5、 t o m a t o l o g i c a l H o s p i t a l,Y a n t a i 2 6 4 0 0 0,C h i n a;3.S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f C AD&C G,Z h e j i a n g U n i v e r s i t y,H a n g z h o u 3 1 0 0 5 8,C h i n a;4.S t o m a t o l o g y C e n t e r,Q i n g d a o M u n i c i p a l H o s p i t a l(G r o u p),Q i
6、 n g d a o 2 6 6 0 0 0,C h i n a;5.H a n g z h o u M e i Q i T e c h n o l o g y C o.,L t d,H a n g z h o u 3 1 0 0 0 0,C h i n a.A b s t r a c t O b j e c t i v e:T o d e v e l o p a n d v a l i d a t e a n e w i n t e l l i g e n t m e a s u r e m e n t s y s t e m f o r C B C T i m a g e i n t h
7、e i m-p l a n t s u r g e r y a r e a.M e t h o d s:W i t h Q t a s t h e d e v e l o p m e n t f r a m e w o r k,t h e V C G l i b r a r y w a s u s e d t o r e a d a n d p r o c e s s t h e t o o t h m o d e l,a n d t h e i n t e l l i g e n t a n a l y s i s s y s t e m f o r C B C T i m a g e d
8、i a g n o s t i c p a r a m e t e r m e a s u r e m e n t i n i m p l a n t s u r g e r y a r e a w a s d e v e l o p e d.T h e i n t e l l i g e n t m e a s u r e m e n t r e s u l t s o f t h e s y s t e m w e r e c o m p a r e d w i t h t h e m a n u a l m e a s u r e m e n t r e s u l t s t o e
9、v a l u a t e t h e d i f f e r e n c e s b e t w e e n t h e m.R e s u l t s:A n i n t e l l i g e n t a n a l y s i s s y s t e m w a s s u c c e s s-f u l l y d e v e l o p e d t o a l l o w u s e r s t o s e l e c t t h e t o o t h p o s i t i o n a n d a u t o m a t i c a l l y m e a s u r e t
10、h e C B C T i m a g e f o r d i a g n o s t i c p a r a m e t e r s i n t h e i m p l a n t s u r g e r y a r e a.F o r t h e m e a s u r e m e n t o f v a r i o u s i m p l a n t d i a g n o s t i c p a r a m e t e r s,t h e r e w a s n o s t a t i s t i c a l d i f f e r e n c e b e t w e e n t h
11、e i n t e l l i g e n t m e a s u r e m e n t m e t h o d a n d t h e m a n u a l m e a s u r e m e n t m e t h o d(P0.0 5),a n d t h e m e a s u r e m e n t r e s u l t s w e r e r e l i a b l e.C o n c l u s i o n:T h e p a r a m e t e r s m e a s u r e m e n t r e s u l t s o f t h e i n t e l l
12、i-g e n t m e a s u r e m e n t s y s t e m a r e r e l i a b l e,w h i c h c a n p r o v i d e r e f e r e n c e f o r p r e o p e r a t i v e p l a n n i n g.K e y w o r d s c o m p u t e r a i d e d d i a g n o s i s;t h r e e-d i m e n s i o n a l m e a s u r e m e n t;d e n t a l i m p l a n t;
13、m e d i c a l i m a g i n g;i n t e l l i g e n t r e c o g n i t i o n 种植修复长期成功的关键是以修复为导向,准基金项目 烟台市领军人才创新项目(编号:2 0 1 9 L J R C 1 4 2)作者简介 马雪纯(1 9 9 7),女,山东德州人,硕士在读,研究方向:口腔数字化技术应用研究。*通信作者 柳忠豪,E-m a i l:d e n t l z h1 6 3.c o m确植入种植体的三维位置与轴向,可以获得理想的种植修复效果,有利于种植修复的长期成功,而种植体植入位置不当易导致各类并发症的发生1,2。目前通过计算机
14、辅助规划与设计技术及计算机辅助外科软件可以实现种植术前规划,引导种植体精准植194 口腔医学研究2 0 2 3年6月第3 9卷第6期入3-5。各项术前规划要求,如邻牙到种植体的距离、种植体间距离、可植入种植体的长度与直径等,使虚拟规划软件成为种植成功的重要工具6。目前种植术前规划软件均需通过患者的影像学数据获取牙槽骨信息及牙列信息7。C B C T影像因其使用成本较低、低辐射剂量以及可以进行牙齿颌骨体积成像等优势,广泛应用于牙科术前诊断8,9。C B C T影像的准确读取有利于确定种植体的尺寸(长度、直径),同时避免损伤重要解剖结构,确定种植体的最佳位置1 0。口腔医生在进行种植手术术前规划时
15、,可以通过C B C T影像获得缺牙间隙、缺牙区牙槽骨可用骨高度及宽度等种植相关参数信息1 1。相关参数的准确测量是口腔治疗规划长期成功的关键1 2。但此过程尚无法实现智能测量,需要医生手动定点,过程繁琐,耗费时间;缺乏准确性和一致性。个体解剖结构差异及C B C T的拍摄质量等因素均会影响定点的准确性及测量分析的可靠性。本研究的目的是通过深度学习算法及计算机编程初步研发一种新型种植术区C B C T影像智能测量系统并进行应用验证。1 材料与方法1.1 数据来源 本研究研发的种植术区C B C T影像智能测量系统是基于三维牙颌模型的数据测量,在数据测量前首先通过人工智能算法获取各解剖结构的三维
16、模型。智能识别算法的数据集来源于滨州医学院附属烟台口腔医院和杭州美齐科技有限公司,可靠性分析数据来源于滨州医学院附属烟台口腔医院。C B C T数据使用口腔锥形束C T扫描设备N e w T o m VG i(意大利 Q R s.r.l N e w T o m D e n t a l公司)采 集,采 集 参 数:管 电 压1 1 0 k V,管 电 流3.0 0 mA,视野(F OV)为1 5 c m1 2 c m。扫描层厚0.3 mm,间隔为0.3 mm。选取的患者C B C T数据均已脱敏,匿名化处理,并且加密储存,确保数据安全。所有患者同意将病例资料用于非商业意图的临床研究,均已签订知情
17、同意书。本研究已获得滨州医学院附属烟台口腔医院伦理委员会的批准(批号:2 0 2 0-0 3 1)。1.2 开发环境 本系统基于V i s u a l S t u d i o 2 0 1 0和Q t 4.8.4平台进行开发,V i s u a l S t u d i o是目前广泛应用的W i n d o w s平台应用程序的集成开发环境,支持用户通过多种不同的程序语言进行开发,能够在W i n d o w s 7以上操作系统运行。1.3 智能测量系统 的构建 本系统首先 以3 D U-N e t为基本构架通过深度学习算法实现了C B C T影像各解剖结构的智能分割,其次使用V C G库对牙齿模
18、型进行读取和处理,最终通过程序代码实现种植术区C B C T影像诊断参数测量。研究使用两个子网络实现所有牙齿实例的定位与分割,牙齿定位网络采用热力图预测,属于“体素到体素”的预测方法,有利于更准确地定位、挖掘更多的特征信息。牙齿分割网络在对牙齿分割的同时进行分类,并预训练自编码器确保牙齿全局形状的准确性(图1)。本研究使用n n U-N e t作为颌骨、上颌窦、鼻底及下颌神经管分割的神经网络。在深度学习算法基础上,按照确定的标志点定位标准编写计算机代码实现种植术区C B C T影像诊断参数的智能测量。图2为该智能测量系统工作流程图,图3为该系统测量结果输出界面。图1 牙齿分割深度学习算法模型图
19、F i g.1 M o d e l d i a g r a m o f t o o t h s e g m e n t a t i o n d e e p l e a r n i n g a l g o-r i t h m.图2 系统工作流程图F i g.2 D i a g r a m o f s y s t e m w o r k f l o w.1.4 种植诊断相关参数的测量1.4.1 缺牙区近远中修复空间 缺牙区近远中修复空间是在近中邻牙远中轴面上取一个点,远中邻牙近中轴面上取一个点,测量两点之间的最小距离,也称缺牙区近远中间隙(图4 a)。1.4.2 缺牙区可用骨宽度 缺牙区可用骨宽度
20、即缺牙区牙槽骨颊舌侧的距离,本研究中该参数数据测量以缺牙区中间位置为准,测量牙槽嵴顶下2、4、294J o u r n a l o f O r a l S c i e n c e R e s e a r c h,J u n.2 0 2 3,V o l.3 9,N o.6 4 a:缺牙区近远中修复空间;4 b:缺牙区可用骨宽度;4 c:缺牙区可用骨高度;4 d:缺牙区近远中根间距图4 种植诊断相关参数F i g.4 I m p l a n t d i a g n o s i s r e l a t e d p a r a m e t e r s.图3 测量结果输出界面F i g.3 O u t
21、p u t i n t e r f a c e o f m e a s u r e m e n t r e s u l t s.6、8、1 0、1 2、1 4 mm位置的颊舌侧的距离,以最窄部位的颊舌侧距离作为结果输出(图4 b)。1.4.3 缺牙区可用骨高度 缺牙区可用骨高度即种植规划中可以进行种植体摆放的牙槽骨高度1 3。测量牙槽嵴顶点到各解剖标志点的距离,上颌前牙缺牙区可用骨 高度为牙 槽嵴顶 到 鼻 底 之 间 的 距离1 4,上颌后牙缺牙区可用骨高度为牙槽嵴顶到上颌窦底之间的距离。下颌前牙缺牙区可用骨高度为牙槽嵴顶至下颌骨下缘的距离,下颌后牙可用骨高度为牙槽嵴顶至颏孔或者下颌神经管上
22、缘之间的距离(图4 c)。1.4.4 缺牙区近远中根间距 缺牙区近远中根间距是指近中邻牙牙根远中侧位置至远中邻牙牙根近中侧位置的距离。测量牙槽嵴顶下2、4、6、8、1 0、1 2、1 4 mm位置的距离,以最窄部位的缺牙区近远中根间距作为结果输出(图4 d)。1.5 可靠性分析 回顾性选取3 0例单颗牙齿缺失种植患者的C B C T数据对该系统的可靠性进行评价分析。人 工 测 量 将 扫 描 后 的C B C T数 据 使 用N e w T o m VG i软件自带的NNT V i w e r软件进行图像重建,重建层厚为0.3 mm,将图像调整至准确测量平面,进行种植诊断相关参数测量。智能测量
23、则将C B C T数据输入该种植术区C B C T影像智能测量系统,进行自动化测量。由一名经验丰富的口腔医生使用NNT软件进行人工测量,然后将C B C T数据输入该智能测量系统进行自动测量。人工测量组为减少测量误差,每个C B C T数据测量3次,取平均值为最终测量结果。1.6 统计学分析 所有测量数据采用E x c e l系统建立数据库,使用S P S S 2 2.0统计软件进行统计分析。使用配对设计定量资料的统计分析方法,若差值服从正态分布,采用配对t检验;否则,采用配对资料的符号秩和检验。以P0.0 5,表1)。对于缺牙区近远中根间距参数,智能测量方法 1 0.9(9.7 0,1 3.
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