放射线显微断层成像数据的全景立体化人牙图谱

摘要

此研究利用三维化的放射线显微断层图片来评估人类牙齿样本的内部形态和矿物质密度。其重点展示了根尖部根管的形态特性，甚至是小于10微米的细微结构。牙齿包埋于轻质元素材料中。在设定好的条件下，一台最新设计的台式锥形光束显微断层照相系统对每一颗牙齿进行完全同等的扫描。一个CsI（T1）发光器通过一个锥体固定在一台热电冷却的CCD照相机上，采用80kVp技术扫描样本，在样本平面上的平均标定象素点大小为15微米。经过扫描、分析、全景立体化的400颗牙齿的数据库被编辑成一本全面的“牙齿解剖形态及三维结构图谱”，并且制作了光盘版，这是一份很好的关于牙齿形态结构和矿化情况的学习资料。

关键词：显微切片照相，放射线，牙齿，全景化，牙体解剖

引言

对于牙科学的任何分支学科来讲，对于牙齿及其周围组织形态结构的详尽了解无疑是成功掌握专业知识的关键。这方面知识对于牙体牙髓学尤其重要，在该学科中，缺乏对复杂的根管系统的完善了解永远是一个危险因素。对于牙齿发育的不同时期牙髓空间的大小形态的了解是保存牙体修复学和根管治疗学临床操作成功的关键。（个人交流－CalTorneck）不幸的是，根管解剖结构的高度变异性和X线片所能提供给牙医的直观解剖结构信息的不足都是根管治疗的不利因素。没有对解剖学和病理学的良好掌握，器械的机械性能再优良也不能提高根管治疗的成功率。

一直以来，牙体解剖的教学都是参照教科书中描述不同牙位牙齿形态结构的示意图（图一A）或照片（图一B）进行的。随着多媒体计算机演示的应用，最新的技术已经可以展示牙齿的内部结构和形态学特征。对于牙齿内部结构的描绘可以通过对牙齿样本的放射线计算机断层成像信息收集整理获得，也可通过制作样本切片再拍照处理获得。早已有研究者将显微CT扫描数据和图像引入牙科学。本文中我们应用计算机断层成像技术评估收录到这本牙齿图册中的所有牙齿样本。特殊设计的显微CT扫描应用于在保持组织完整的前提下对整个组织样本进行极高分辨率的成像。有了这种扫描仪，扫描样本的直径可达到40mm，可获得甚至低于10微米的分辨率。

图一：传统的牙体解剖的教学通常参照教科书中描述不同牙位牙齿形态结构的示意图（图一A）或照片（图一B）进行。上述图片的引用得到Quintessence出版社的同意，引自Hargreaves & Goodis,牙髓。

选择收录到图册中的牙齿样本要经过一系列的检查。收集样本时，每一颗牙齿要按性别，年龄种族分类，然后进行清洗，抛光，测量。牙齿经过的第一个图像检查是各角度的系列照片。牙齿固定在一个计算机驱动的旋转台上，在11各不同的水平放置角度下旋转360度，每转5度拍一张照片。然后在9各不同的位置采集牙齿咬合面和根尖部的图像。这样对于每一个牙齿都收集到792张侧面照和18张根尖点，咬合面照片。

然后将牙齿包埋在有定位标志的聚酯树脂中。包埋后的牙齿进行第二阶段的放射线显微断层成像扫描检查。牙齿放置于显微断层成像系统（mCT）的工作台上，旋转360度，每0.5度成像一次，得到720张投照片，每张照片均进行灰度校准。mCT扫描完成后，再用树脂将每五个牙齿包埋成一块，每个包埋块都有一个铝质基底，这个基底可以上到研磨机的金属工作基台上。经过二次包埋的包埋块由一台研磨机进行连续切割，每颗牙齿的每个断面均由数码相机成像。研磨由一个镶有金刚砂的磨头以每分钟5000转的速度进行。每次切割深度为30微米。照相机设定为放大成像，每个象素点显示的实际尺寸为30×30微米。每颗牙齿的数据总共以三种不同的方式收集：连续成像，mCT扫描，和系列研磨断面照片。由这些不同的数据信息生成不同类型的计算机模型。我们在本文中将只报道这些牙齿样本的放射线断层成像数据的实验采集，分析和全景立体化过程。

随着众多三维放射线显微断层扫描系统进入市场，其应用越来越广泛，尤其是在对小动物和组织样本的研究上。此检查工具在本研究中的作用是评估一组人类牙齿样本的内部形态和无机物密度。其中最有意义的是展现了根管系统根尖区的形态特征，其对组织结构的描述极为详尽，甚至可以探查到管径只有10微米的根管。

1 材料和方法

对于包埋好的牙齿样本的放射线显微断层成像在密歇根大学整形外科研究实验室的一台现代化台式mCT设备上进行。该设备是EVS公司的产品，是该公司的MS－8型机的原型系统。现在GE医用设备公司已买下EVS公司的这一技术。一款名为“eXplore MS显微CT”的类似产品正在市场上销售。其探测头为一个热电冷却的CCD相机（分辨率2048×2048，14平方米象素点，3米的显微面板），安置在位于X线放射源274.15毫米处。89 mg/cm2 的CsI(Tl)涂布在带有10m纤维的平直的纤维光学面板上，该闪烁器用特殊的专利粘接技术安装在一个2.5:1的100毫米输入直径的纤维光学锥体上(10m纤维)，此锥体输入端粘接到探测头的面板上。系统记录下来的每个图像都通过失真校正，生成的有效象素面积为34.72米。系统使用的放射源为 Kevex 射线模型，平均焦点面积为6米的PXS5-925EA 射线管。图二A显示了一台类似的EVS台式显微断层成像系统，工作仓门打开，内部面板移除以展示系统内部结构。

图二  捕捉人类牙齿样本的X线投照图像的实验设备组成。 A）密歇根大学医学院的EVS原型机内部系统。 B）已包埋的牙齿样本的近照，为塑料浴包被，固定于扫描仪的旋转工作台上。

样本用80kVp管压，射束电流0.08mA的X射线束扫描。样本距离放射源118.44毫米。图二B显示了一颗包埋好的牙齿样本固定于台式mCT扫描仪的旋转工作台上。圆柱形的牙齿样本放置于低密度塑料浴块的中心部，这使越过样本投射到探测头面板上的X线投影轮廓灰度基本一致。几何放大倍数约为2.3倍，有效象素面积为34.72米，在面板上样本取样面积为15m。牙齿样本旋转360度，每转动0.5度进行一次成像采集，每个图像采集两帧，曝光时间1100毫秒。每个图像均用16位带符号的整数序列记录，大小位580×990象素点。图三A展示了一个牙齿样本的原始投照图像例图。

然后每一个原始图像都参照黑板和基准光束图像进行转换。每次开始应用mCT扫描仪进行图像获取时都要先记录一个X射线关闭的黑板图像和一个X射线打开但样本从光路中移除的基准光束图像。这两个图像用于校正扫描进程中记录下来的每一幅投照图像，黑板用于排除探测头接受到的混杂光源的影响，基准光束图像则用于滤过由于X射线束密度差异或探测头因素造成的图像密度的局部变化。剪裁加工后的最终投照图像包括和原始图像的线性衰减系数的线积分成比例的有效象素。图三B为一个校准后的牙齿样本投照图像例子。

图三 显微断层成像系统扫描每个牙齿样本得到720张原始的，未加工的X线相片（A）。每张投照照片以黑板和基准光束图像为参照进行校定，得到象素值和样本物质衰减系数的线积分成比例的投照图像。（B ）。

三维立体化重建

每个牙齿样本最终得到720个校正后的投照图像，EVS专利重建软件－以Feldkamp锥形光束运算法则为基础的EVSbeam－对这些图像进行处理重组。用于重建这些数据的软件版本（1.06版）允许用户通过DOS命令－线性自变量来调整特定的重建参数。这些命令线性自变量用于牙齿数据的重组中定义重建模型的体积，样本旋转的中心点，重建的三维象素尺寸及水和空气量值的浮动数据，以确定三维象素值的缩放比例。重建过程中投照数据的滤过通过围绕Laksminarayanan核的回旋进行。重建结果是一个580×579×989三维象素点的三维立体数据，三维象素点的每个边长为30微米。

系统性能评价

对于此台式显微断层成像系统的特征性能评估用检测显微断层成像系统特性的常规方法进行。该程序的第一步是用和扫描牙齿样本完全一致的条件分别扫描一根极细的高密度的金属丝和一个形状极规整的小红宝石球。

用扫描仪报告的旋转中心（COR）作为起始点，用不同的COR值对金属丝正中断面数据进行反复重建。COR值在扫描仪报告的COR值上下1.1个象素的范围内进行0.1象素幅度的变动。每个重建后的金属丝断面象素值的示意图形态被投射到一个一维矢状面上，通过视觉比较评估明确系统真正的旋转中心位置。图四为该比较过程的一个示意图。从此示意图中选出和金属丝轮廓最相符的数据值，将其代入一个二次多项式。图五显示了该计算过程。对应该适合曲线最大值的旋转中心值就是系统真正的COR值，该值将用于所有牙齿样本数据的重建。

接下来，红宝石球的数据通过这个最佳COR值进行重建，重建中应用和牙齿数据重建相同的参数。为了描述该mCT 系统的性能参数，重建的红宝石球数据被检查以确定垂直于球体表面的模糊响应函数。通过在本研究中定期扫描此红宝石球体并进行上述评估，测量得到的和模糊响应相联系的平面扩展函数最大半径的完全宽度的标定值在轴向上为53微米，在横断面上为60微米。图六为一次该扫描的平面扩展函数的示意图。

图四为了确定显微断层成像系统的真正旋转中心，一根细金属丝被扫描，并用几个不同的旋转中心值进行重建。对每一个投射到一个一维矢量上的重建的金属丝横断面的象素值图形态和金属丝本身进行比较，以明确正确的旋转中心位置。	图五 选出和金属丝轮廓最相符的数据值，将其代入一个二次多项式。对应该曲线最大值的旋转中心值将用于样本成像的重建。	图六：和沿着整个球体图像范围表面的模糊响应相联系的平面扩展函数的示意图，该图像来自于为评估系统性能特性进行的扫描之一。

结果

多平面断层成像切片

图七A：完整的；立体化模型。图七B该模型的一个任意切割平面。

有了立体化的断层成像数据，选定的平面可以用传统的方法显示出来，这些图像展现了牙齿的横断面，矢状面，冠状面和斜平面，而且应用者可以控制所显示的平面的深度。图7 A，B特别展示了平行于牙齿样本序列研磨表面照片图像的平面。经包埋的样本基底部有标记，这样可以确保轴向断层成像切面和研磨面的照片精确对应。图八A显示了图谱中应用的全景立体化技术执行过程中的屏幕画面。

旋转投照显示

这些投射成像和由数字放射成像系统获得的原始图像值很相似，数字放射成像值和放射线透过强度是成比例的。由于样本厚度变化较大，投射成像值也在一个较大的范围内变动。如果展示该范围内所有值会导致对比度极差。用Fourier域滤过器对投照图像进行均等化，低频信号的振幅将被削减掉。该过程对等于用一个带有最大半径宽度为0.6mm的高斯剖面的回旋核心做的模糊处理。其效果可将细节对比度提高2.5个因子。应用派生，对比度Gamma函数不对称的灰度转换为牙根部提供最大对比度，而减小冠部对比度。

每幅投射图像均经过加工去除探测头的模糊响应。用同样的傅立叶滤过器处理，用探测头的调制转移函数的反函数将这些值放大。在第一个研究中实际的调制转移函数已经被测量。为了避免高空间频率噪音的过度放大，用一个中止频率为Nyquist极限的0.8倍的二次Butterworth滤过器将该滤过器的高频成分荡掉。图九显示了未经优化和优化过的投射图像的对比。

图八：用图谱中应用的形象化技术对几颗牙齿进行处理的屏幕画面。 A）滑行标尺可将立体化的断层成像数据切片（底部）和相应的牙齿样本精确研磨表面照片（顶部）系列排序。B）应用一个附加的滑行标尺可进行优化过的投照图像（右），表面模式图（中），和宏观照片图像（左）的全方位旋转并列对比。

每5度间隔获得一张优化过的投射图像，这和牙齿样本包埋前进行的宏观照片的旋转增量间隔相匹配。应用单一图像控制，优化过的旋转投射图像可在同一位置被形象化为照片图像和表面模式图，表面模式图将稍后叙述。图八B显示了图谱中应用的形象化技术处理过程中的屏幕画面。

生成表面模型

用一个三维重建软件包计算生成牙齿的表面模型。ROVE（元素立体化重建软件）由斯坦福国家生物计算机中心研发。该软件可进行许多复杂的分割（三维元素分类）计算，从简单的阈值化，窗口化到复杂的形态学分析。对于这些牙齿数据，其有意义的解剖结构可简单的直接用他们的Hounsfield值分割。三维象素点分类后，用修正过的Marching立方体运算法则生成一个牙齿的表面网格模型。然后通过应用各种不同的探试性方法整理这些图像数据来进行人工修改（比如进行相连组成分析以去除和包埋材料中包裹的气泡相关的细小的封闭区域等）。

经过这些步骤所生成的网格模型包含了数百万的多边形。为了进行实时图像处理，必须削减这些多边形的数目。应用一个二次方程式缩减方法在大量削减了边形数目的同时保留出现频率较高的细节。对获得的代表牙齿表面的多边形数目进行削减时，对于误差量的测量仍保持。网格模型一旦缩减后，就可以进行全景立体化了。一个用于PC平台的具有初级立体化功能的小型初级阅读器（Meshview）被专门编辑，应用于该图谱。图10 显示了此阅读器在牙齿图谱中的整合的屏幕捕捉。图11展示了此全景立体化技术的功能，可以从不同的角度观察牙齿。

图9：这里做了一个缩小射线（A）和放大射线（B）的比较。		图10 图谱中应用的表面模型立体化工具执行任务时的屏幕画面。

图11 A，B图谱中通过表面模型化立体处理后的下颌第一磨牙的不同角度图像在屏幕上的显示。图A中展示的牙齿和图九屏幕画面上的牙齿是同一颗。
图12 应用图谱的形象化技术检查远中根解剖结构。图像A显示去除牙面显示牙根内的根管位置。图像B允许对两个根管进行更细致的检查。

讨论

随着众多三维放射线显微断层扫描系统进入市场，其应用越来越广泛，尤其是在对小动物和组织样本的研究上。和传统的计算机断层扫描技术用于人体其他器官的探察成像一样，X线显微断层成像已被证实是一项有价值而且高效的观察牙齿结构的技术。据我们所知，目前还没有比这本图册更全面，拥有如此之多的牙齿形态结构数据的图册存在。数据的收集是在严格控制的试验条件下进行的，应用于每颗牙齿的数据采集处理方法完全一致。这本图册为那些对牙齿形态学感兴趣的研究者提供了极有价值的教学素材。牙齿的显微断层成像数据库也为研究牙齿形态学和矿化情况的学者提供了有意义的研究资源。

由于根管根尖三分之一的解剖形态对于根管治疗有重要意义，牙体牙髓学专科医生对此极为重视。根尖部可能有以不同形态出现的多个根管分支。图12A，B显示了一个有着一个侧支根管和多个终末根管分支的根管系统。图谱的作用之一就是展现这些根管解剖结构的普通变异。

由于检查了大量的牙齿样本，一些不太经常发生的不规则变异有可能被记录下来。牙根表面通常覆盖着一薄层牙骨质。过量的牙本质沉积于牙根部初级牙骨质层之上被称为“牙骨质增生”。图13 显示了一个通过牙齿长轴的显微断层成像平面，其中可见一条显示正常牙骨质表面的线形结构和一层大约1.5mm厚的附加物质沉积。

本研究结构由NIH提供，受到SBIR资助。小型商业创新研究（SBIR）项目是一个为在研究/研究及发展机构（R/R&D）进行的针对有可能商品化的国内小型商业计划提供的附加基金项目（占该机构计划外预算的2.5%）。SBIR项目设立于1982年小型商业创新开发计划（P.L.97-219）的影响，被小型商业创新开发计划(P.L. 102-564)再次授权延期到2000年九月30号，其后又被小型商业创新开发计划(P.L. 106-554)再次授权延期到2008年九月30号。Paul Brown，Eric Herbranson 和 Kevin Montgomery 是Brown & Herbranson图像处理，一个负责研发这本牙齿图册的小型商业机构的拥有者。Alan Siefert和Michael Flynn的放射研究中心为样本扫描提供收费服务。

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联系信息

Allen Seifert, Michael J. Flynn是Henry Ford健康研究所放射研究中心的放射研究物理学家。1 Ford Place,底特律, 密歇根州

Kevin Montgomery^b, 斯坦福/美国国家宇航局国家生物计算机中心主任，斯坦福大学，Palo Alto，加利福尼亚州

Paul Brown斯坦福/美国国家宇航局国家生物计算机中心访问学者，太平洋大学牙科学校及UCSF牙科学校临床助理教授。

Eric Herbranson斯坦福/美国国家宇航局国家生物计算机中心访问学者，太平洋大学牙科学校临床助理教授，加利福尼亚州San Leandro私人开业医。

W. Paul Brown博士联系方式

斯坦福/美国国家宇航局国家生物计算机中心

701a Welch Road, Suite 1128

Palo Alto, California 94304

电子邮件: wpbrown@stanford.edu