随着数字化技术在医学各个领域的迅猛发展，数字化正颌外科的流程也逐步趋向于完善，配准问题是关系到其精确性的重要环节，通常包括：石膏模型光学扫描时，单颌模型与咬合状态模型的配准；锥形束CT(CBCT)数据与石膏模型扫描数据的配准；CBCT三维重建软组织与三维面像的配准。该文就数字化正颌外科中相关配准问题展开综述。
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正颌外科学中的牙颌面畸形，为各种原因所导致的上、下颌骨间及其与其他颅面骨之间的关系异常，表现为面部外形及咬合关系不佳，给患者的生理、心理造成了极大的负面影响[1]。自Babcock[2]为正颌外科引入石膏模型后，传统模型外科逐渐成为了正颌外科的金标准。随着人们对外形的要求越来越高，正颌外科的精准化就显得越来越重要。早在2007年，Noguchi等[3]就在未使用CT的情况下，利用三维投影及面部激光扫描等方法建立了牙、颞下颌关节、面部软组织融合的综合正颌系统。近年来计算机辅助三维重建技术、计算机辅助手术设计、快速成型技术、光学扫描等各项技术的逐步成熟，促进了数字化正颌外科的发展，但医学图像配准问题是其难点之一，它是不同模态数据融合的第一步，更是关系到精确性的关键环节。本文就数字化正颌外科中相关配准问题进行综述。
医学图像配准是指将不同时间、不同成像设备或其他不同条件下获取的2幅或多幅图像进行匹配、叠加的过程，使不同医学图像的对应点达到空间上的一致[4]，它在疾病诊断、计算机辅助手术导航、病情发展与治疗过程监控、放射治疗规划、组织器官功能分析、序列图像的三维重建等方面具有重要作用。医学图像配准可分为基于外部特征的图像配准和基于内部特征的图像配准。
获取数字化牙列信息的方法有4种：(1)用锥形束CT(CBCT)数据重建牙列模型；(2)CBCT或激光扫描牙列印模；(3)口腔内部三维扫描；(4)CBCT或激光扫描石膏模型[10]。其中前3种方法不常用于正颌外科。第一种方法，因CBCT扫描时患者易动造成运动伪影，金属托槽、修复体等产生金属伪影，CBCT的实际空间分辨率低于理论值(0.1～0.2 mm之间)，所得牙列信息模糊。第二种方法，鉴于牙齿形态复杂，轴面多有较大倒凹，阴模呈凹形，光学扫描只能斜向进行，易产生误差。第三种方法，口内数字印模技术方便、快捷、实时、灵活，但患者口内唾液、金属托槽造成高反光、口腔空间狭小需多次拼接数据、扫描精度低等缺点很突出，故暂未在正颌外科中推广使用。第四种方法是目前数字化正颌外科最常用的方法，其中又以激光扫描石膏模型法的应用更为普遍，并已被临床实践证明具有很好的准确性[11]。李雅等[12]以激光扫描石膏模型重建的数字化牙列作为基准，通过实验证明口内扫描法、印模扫描法均与模型扫描法重建的数字化牙列模型存在显著差异。
激光扫描石膏模型时，由于激光沿直线传播，咬合状态模型扫描时会形成大量扫描盲区，故需用清晰完整的单颌模型替代咬合状态的双颌模型，此谓单颌模型与咬合状态模型的配准。代杰文等[13]使用点配准法，在Smartopics扫描仪内分别获得单颌、咬合状态双颌模型的STL格式数据后，导入CAD Geomagic软件中进行配准，选择点对点配准模式，通过人为选择的散在特征点，依次将单颌模型与咬合状态的双颌模型进行配准替换。每次配准完成后都进行准确性分析，将误差控制在1 mm之内。该方法可保证配准精度，但过程较为繁琐。Zinser等[14]运用点面结合的配准法，在3 shape激光扫描仪中分别扫描上、下颌及咬合状态的双颌模型后，使用自动配准及点对点配准法，得到清晰的数字化牙列信息。目前，临床中倾向于在扫描石膏模型后，利用扫描仪软件的自动配准功能进行配准。
由于CBCT扫描时存在运动伪影、金属伪影等不可避免的因素，三维重建牙列信息精度差，不能直接用于后期
板的制作，而石膏模型扫描数据可以满足我们的需求，故将CBCT三维重建的牙列替换为石膏模型扫描数据，即牙列-颌骨配准，是关系到数字化正颌外科精准度的关键步骤。也有研究者采用口内扫描法或CT扫描印模法获取高精度数字化牙列数据。
国内外最初始的研究是利用额外的标记物来进行牙列-颌骨的配准，即基于外部特征的图像配准法。2007年，Swennen等[6]制作了附有12颗直径1.5 mm牙胶标记球的树脂
板，患者行CT扫描及石膏模型扫描时均使用该
板，后期以牙胶为标记进行牙列-颌骨配准，其精度为(0.135 5±0.032 3) mm。Swennen等[15]于2009年改良了马蹄形蜡咬合记录，在咬合记录上打10个小孔并置入软化杜仲胶作为标记物，患者佩戴该咬合记录行CBCT扫描后，再扫描该咬合记录，后期牙列-颌骨配准时，先用表面配准法，再以杜仲胶为标记行点配准，配准的总精确度为(0.18±0.10) mm。Yang等[16]设计出带有4颗直径7 mm石膏小球的树脂腭板，并取得咬合记录，患者拍摄CBCT时使用该腭板及咬合记录，石膏模型扫描时使用该腭板，后期配准时以石膏小球为标记物，其精确度为：上颌(0.20±0.03) mm，下颌(0.27±0.05) mm。基于外部特征的图像配准法配准精度高，但需要额外制备个性化导板及标记物，耗时长，并耗费人力、物力、财力，所以该法并没有广泛应用于临床。
有研究利用点配准、表面配准和体素配准等方法来进行牙列-颌骨的配准，即基于内部特征的图像配准[17]。(1)点配准为在相对应的牙列模型及CT三维重建模型上选择特征点，软件据此进行计算拟合出最佳变换矩阵，将牙列模型变换到最佳位置。Lin等[17]用CBCT扫描有完整牙列的头颅，并对取得的石膏模型行激光扫描，选择上、下牙列中点、前磨牙颊尖、第二磨牙远中舌尖行点配准，结果显示单颌配准误差小于0.5 mm。代杰文等[13]建议，先以点配准法拟合二者，再根据牙齿的轮廓线进行精细调整，直至二者的轮廓线间距离最小。石珏[18]给患者使用不产生金属伪影的单晶陶瓷托槽，并选取前牙区切角、后牙区尖嵴及单晶托槽边缘作为特征点进行配准。付琳[10]使用Geomagic Studio软件，在中切牙、尖牙、第二前磨牙、第一磨牙的颊面及舌(腭)面或颈缘位置分散选择标记点，以"n点配准"的方法进行粗配准后，再通过全局配准的迭代算法进行精细调整。使用点配准法时，应分散选择清晰的解剖标记点，但由于人工选点不确切，此法最好结合其他方法一起使用。(2)表面配准是用一系列表面的散乱点来进行配准。Kang等[19]利用Rapidform软件的表面配准功能，拟合CBCT数据及石膏模型扫描数据。表面配准法常与其他配准方式联合应用，Swennen等[15]和de Waard等[20]均同时使用了表面配准法和基于外部特征配准法。de Waard等[20]利用口内扫描法获得数字化牙列信息，患者戴有含4个直径0.2 mm玻璃小球的蜡咬合记录行CBCT及口内牙列扫描，后期配准后计算配准精度为：上颌(0.30±0.20) mm，下颌(0.27±0.20) mm。另外，点配准常和表面配准法结合使用。Kim等[21]将8例患者的CBCT数据和模型扫描数据导入Rapidform 2006软件，用点配准法和表面配准法进行配准，测量结果显示，同时进行点、面配准时精确度更高。唐敏和郭宏铭[22]通过对比Rapid Form 10.0软件的点面结合配准法和Mimics 2006的手动配准法，发现自动配准的精度要高于手动配准。匡博渊[23]先选取牙齿
面清晰的解剖标志点行点配准，之后以两模型的临床冠为基准行局部配准，结果表明，两模型的临床冠部分RMS数值(CBCT图像体素值)均小于0.3 mm。点、面结合配准法简便易行，省时省力，且配准精度高。(3)基于体素配准法是利用2组数据的灰度值信息来计算数据间的移动，从而最大化2组数据的共同信息。Swennen等[24]应用的3次CBCT扫描法采用体素配准法，但需对患者、戴有牙列印模的患者及牙列印模进行CBCT扫描。2013年，Swennen等[25]在此基础上又论证了1种基于表面和体素配准方法的临床应用可能性，即由面到图的配准(STI法)，仅需对患者、牙列印模行CBCT扫描，而后采用STI法获得增强头颅模型。该法简便易行，但暂未在临床上得到普遍的应用，缺乏研究大数据。基于内部特征的配准法相对更符合数字化正颌外科的便利快捷性，而点、面、像素3种配准法两两结合使用，配准精确度相对更高。
CBCT软组织成像不佳，因此需要借助其他可精确反应面部形态的软组织成像技术。最常用的几种面部软组织成像技术是：二维摄像、三维超声、MRI、三维激光扫描、三维摄影系统、莫尔云纹法、结构光技术[26]。因二维摄像无立体感，三维超声、MRI存在表面失真，三维激光扫描伤害眼睛，莫尔云纹法只能获得物体表面一部分的三维坐标，结构光技术怕黑怕反光的缺点，这些方法均不适合临床大范围使用，而20世纪90年代出现的三维立体摄影技术[26]，具有无创、高速、逼真、直观、数据存储查询简单及高精度等优点，故临床上一般采用本法获取患者面部软组织形态，在医患沟通时可发挥良好的作用。de Menezes等[27]发现三维立体成像摄影技术的精确性和可重复性非常好。也有研究表明，面部凹凸起伏变化较大、软组织边缘模糊、有光泽或阴影的部位软组织成像较困难[28]。目前，常用的三维立体成像系统有C3D system、Di3D system、3dMD system等，这些系统均包括1组可同时快速拍摄的摄像机及数字化软件。
目前，国内外在CBCT软组织与三维面像配准方面的研究有很多。Terzic等[29]将CT重建软组织和3dMD拍摄的三维面像配准，用来评价分析正颌术前、术后面部形态。Codari等[30]通过CBCT、激光扫描石膏模型的数字化牙列信息、2组三维面像(使用颊钩暴露前牙组和自然头位组)，得到头颅增强模型。Zogheib等[31]比较了二维照片和三维扫描所得三维面像的精确度，14位专业医生对颏前点等15个面部标志点间的距离、线性距离、角度进行测量，结果显示三维面像组具有更高的可信度。
从匹配方法上来说，王哲等[32]采用了点配准的方法，将CBCT三维重建软组织及三维面像导入Geomagic Studio软件，首先选取双侧内、外眦等特征点进行粗配准，再选择额部、颊部区域进行更精确的自动配准，测量结果显示配准误差在0.3 mm以内。Almukhtar等[33]对比了基于像素配准和基于表面配准2种方法，对正颌术前与术后6个月软、硬组织配准的精确性差异，结果显示差异无统计学意义，但是基于表面配准法有更大的变异性，尤其是对软组织而言。因此，结合点配准法及像素或表面等自动配准法得到的头颅增强模型更优。
CBCT和三维面像的拍摄时间方面有同时拍摄和非同时拍摄2种方法。Naudi等[34]使用i-CAT CBCT和Di3D成像系统，先对14例患者同时拍摄CBCT和三维面像，再在30 min后另外拍摄1组三维面像，将数据导入VR mesh软件，选择双侧内、外眦、双侧口角作为标记点进行配准，数据结果分析显示，同时拍摄组的配准效果较好，但2种方法中颏部的配准误差都是最大的。鉴于非同时拍摄时患者的体位、表情、面部肌肉紧张度等存在差异，所以2组数据配准误差明显大于同时拍摄组，故同时拍摄CBCT和三维面像时可得到更好的头颅增强模型。
综上所述，数字化正颌外科相关配准问题有多种解决方法，但目前的研究趋向于基于内部特征配准法。数字化正颌外科的精准性及流程简化，大比率取决于配准过程，而该过程又依赖于CT的空间分辨率、三维立体成像系统的精度、配准使用软件、方法等。若CT空间分辨率足够且辐射量降低，可直接使用CT重建牙列信息；随着口内数字化印模技术的发展，可使用口内扫描法获取数字化牙列信息；若三维立体成像系统对暗影等区域识别度增高，可得到更精确的软组织形态，有望在更短的时间内获取更精确的牙列-颌骨-软组织模型。
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板的探索及其精密度研究 [D]．杭州：浙江大学，2011.
