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口腔种植CBCT图像中的金属伪影

在“以修复为导向”种植原则的指导下,临床中医生常常使用种植静态手术导板或动态导航以便在术中获得更加准确的种植位置。术前CBCT图像的获取是设计静态手术导板或进行动态导航手术的基础,将术前CBCT图像与口内扫描图像拟合是进行静态手术导板设计的关键步骤,但当患者种植位点附近有金属修复体或金属附件时,CBCT图像的相应部位也将出现金属伪影,本文将讨论种植CBCT图像中金属伪影的影响以及我们在设计种植导板时如何减小伪影的影响。

一、 伪影的形成及影响因素

伪影的形成

锥形束CT(conebeamcomputertomography,CBCT),即锥形束投照计算机重组断层影像设备,其基本原理是采用锥形射线束投照,射线经患者后由平板探测器接收,扫描时X线发生器围绕投照体投照,将所得数据收集在计算机中重组,从而得到三维图像[1](图1)。

 





图1CBCT成像原理[1]

在CT扫描中,CT图像的CT值反映组织对X射线吸收值(衰减系数u),其单位为HounsfieldUnit(Hu),以水的衰减系数为参照,即水的CT值为0,物质衰减系数大于水者为正值,小于水者为负值;并以骨皮质和空气的衰减系数为上限和下限,定为+1000和﹣1000。一般我们所处理的图像是经过量化后的灰度图像,标准的CT灰度图像为12位灰度图像。在CBCT,X射线衰减的程度通过灰度(体素)来表示。有研究表明,CBCT的灰度与CT扫描的CT值具有强相关性,这表明CBCT的灰度可用于估计骨密度。[2]

图像伪影是重建数据中的一种可视化结构,这种结构在被投射的对象中实际并不存在。伪影可以通过降低相邻物体之间的对比度来显著影响CBCT图像的质量,并最终导致不准确或错误的诊断[1]。常见的伪影有噪声伪影(noise)环形伪影(ringartifact)运动伪影(motionartifact)混叠伪影(aliasingpatternartifact)以及金属伪影(metalartifact)等[3](图2)。

· 噪声伪影表现为随机分布在图像上的噪点,它的存在将掩盖原本的信号信息、降低图像分辨率,使得CBCT中的低密度组织无法被区分开,噪声伪影的出现一般是由于电子元件传输发热、成像系统的调制缺陷或者其他环境的影响和干扰造成的。

· 环形伪影表现为图像周围沿射线束投照轨迹运行的环形影像,常常由于机器不精准或者的校准误差造成,环形伪影的出现常常意味着机器需要重新校准或需要维修。

· 运动伪影是由于在拍摄过程中被投照对象发生运动产生的双重影像。

· 混叠伪影表现为向重建图像的外侧发散的线型伪影。是射线束的散射造成的。

· 金属伪影是CBCT图像中在金属物体附近出现的不规则伪影,它的产生可由以下原理解释:X射线束由一束不同能量的光子组成,当射线束穿过物体时,低于物体表面吸收波能量的光子比能量较高的光子被吸收得更快,从而导致射线束光子的平均能量增加,也就是“射线硬化”(beamhardening)效应。金属材料能够吸收较高能量的光子,因此在拍摄CT时,金属材料可以看做一个过滤器,低于金属表面吸收波能量的光子被吸收,穿过金属材料的光子能量增加,也就是发生射线硬化现象。一旦发生了射线硬化现象,记录的数据中会产生非线性误差,在三维重建过程中,这种误差被投射到空间中,产生深色条纹。由于CBCT的发射光谱比普通CT的能量更低,产生的伪影也就更加明显[3]。

种植体中的射线硬化的金属伪影表现为种植体周围出现暗带或晕,或者种植体之间出现本不存在的的黑色沙漏状影像。这种伪影会改变周围种植体周围骨间期的可见性和准确性,导致对种植体周围区域的评估出现错误[3]。

 





图2常见伪影(从左到右依次为噪声伪影、环形伪影、运动伪影、混叠伪影、金属伪影)[3]

伪影形成的影响因素

Fontenele等人将单根离体牙进行金属桩修复后比较金属材料的种类、金属物体的位置对伪影生成的影响,结果显示下颌后牙区的伪影面积和灰度值均小于下颌前牙区,在镍铬合金、钴铬合金和银钯合金中,银钯合金产生的伪影最为显著[4]。另一项研究显示,氧化锆种植体与钛种植体相比,氧化锆种植体产生的伪影数量更多,而增加管电压和使用CBCT的金属伪影减少算法可以有效地减少两种种植体的伪影,但空间分辨率不会影响伪影的产生[5]。对于动态导航手术来说,术前需要进行定位模版配准,也就是常说的u型管配准,模版由丙烯酸树脂制作而成,其特定部位加入金属钉作为标记物。研究显示氧化铝导航标记显示伪影最少。在所有牙冠条件下,氮化硅标记物的配准性能最好,磨损量最小,氧化铝在人工冠和自然牙的情况下效果很差,因为它的放射不透明较低,而氧化锆在无牙的情况下效果不理想,不锈钢在所有条件下的配准性能都最差[6]。

 

二、金属伪影对种植CBCT影像的影响

术前设计

Nkenke等人分别对10个石膏模型CBCT扫描后进行表面信息扫描(即仓扫),随后对石膏模型进行银汞充填后再次进行CT扫描及仓扫,分别将银汞充填前后的数据进行拟合,计算两次CT与仓扫信息拟合的平均误差,最终结果发现,金属伪影的存在可显著降低CT数据与物体表面扫描数据拟合的准确性[7]。而Flügge等人进一步研究发现,CBCT与扫描信息拟合的偏差将转移至术区,从而导致实际种植部位偏离计划种植部位[8]。

术后评估

Pelekos等人于2018年在一项系统评价中总结了CBCT图像对于评估种植体周围骨丧失的诊断效果,体外研究的结果显示CBCT对于四壁型骨缺损和骨开窗的诊断准确度尚可,但对骨开裂的诊断准确性有待提高,且骨缺损范围越大,其诊断准确性越高[9]。研究显示,即使应用伪影减少的算法也无法提高对种植体周围骨开窗和骨开裂的诊断准确性[10]。此外,锆种植体周围为赢得存在也将降低对相邻位点牙齿纵折诊断的准确性,且改变管电流或者使用伪影减少算法工具都无法对其进行有效改善[11]。

 

三、设计种植导板时如何减小伪影的影响

减少金属伪影的方法

目前,减少金属伪影的方法主要有三种:自适配扫描技术、特定重建算法(预处理技术)以及后处理技术[1]。由于技术发展的限制,目前应用较多的是预处理技术和后处理技术。在预处理技术中,首先由特定算法对被投照部位的金属部件进行识别,然后利用算法对金属投影数据进行修正,再利用这些预处理后的原始数据,重建图像并提取金属断面。目前,一些CBCT制造公司正在积极开发用于图像重建的伪影减少算法,但这些过程相当耗时,并可能进一步减缓整个图像的重建过程。此外,由于这些构件是数据采集过程固有的,所以并不能完全消除伪影的产生。而后处理技术是将金属伪影去除算法应用于医学文件的数字成像和通信,而不是优化原始的投影数据;即后处理的基础是对每个投影图像中的金属区域进行分割和修改,然后用修改后的数据重建最终图像。在消除伪影方面,实际物理图像采集的预处理优于受影响数据的后处理[1]。

设计种植导板时几种减小伪影影响的方法

方法一

Rangel等人[12]于2012年报告了一种方法,首先使用组织粘结剂将钛金属标记物粘在上下颌的附着龈上,随后拍摄患者CBCT影像。扫描完成后使用塑料托盘制取藻酸盐印模,印模材料凝固后从口内取出,此时金属标记点已从口内嵌入印模材料。嘱患者咬蜡片进行咬合记录,并分别对蜡片和印模进行CBCT扫描,从而得到患者口腔扫描的表面信息。将患者头部CBCT中的钛金属标记点与印模中的标记点进行拟合,即可得到患者头部CBCT与口内表面信息的拟合。该方法设计十分巧妙,但随着口腔扫描技术的进步,通过扫描印模来获取口腔表面牙齿信息的方法就显得十分繁琐。

 





图3 方法一[12]

方法二

Hamilton等[13]于2019年报告了一种方法,该方法对口内有金属附件的患者先进行一次口内扫描后,复制一次原始口扫图像,在软件中去除3-5个咬合面后,使用流动树脂制作相应数量的长度3-5mm、直径1mm左右的圆柱体,粘接在患者相应牙齿咬合面上。再次进行口腔扫描,这时只需要修改和重新扫描这些特定的粘有流动树脂的区域,而不需要重新扫描整个牙弓。复合树脂标记在适当的位置,并与对合牙列稍有脱离咬合。高密度物体,如金属冠主要出现在另一平面上,因此,即使在过量伪影存在的情况下,复合树脂标记物也能在咬合平面上方清晰地识别出来。

 









图4 方法二[13]

方法三

Yuan等[14]在2021年报告了一种方法,对口内有金属修复体的患者,该方法先将一种预成的3D打印制作的个性化托盘放置硅橡胶轻体后放置于患者口内,稳定后对患者拍摄CBCT。这种预成托盘表面均匀分布12个小洞,洞里使用暂封材料填充。拍摄CBCT后取患者口内印模,灌注石膏模型,制作诊断蜡型,进行仓扫。随后去除诊断蜡型,再次进行仓扫,两次仓扫共得到两个STL文件。将个性化托盘转移的咬合记录在石膏模型上完全就位后固定,再次扫描。将三次仓扫的数据导入软件,软件将自动把前两次仓扫数据与第三次仓扫数据匹配,那么前两个数字石膏将随着第三个数字石膏的位置的变化而同步变化。将第三次仓扫数据与CBCT图像通过托盘上的放射标记点进行拟合,前两次仓扫数据也可以随之显示。由此可以根据诊断蜡型设计种植位置,也可以根据口内情况设计种植导板。









图5 方法三[14]

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