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在3D-OCT圖像中使用半自動(dòng)配準(zhǔn)和分割對牙齦組織體積進(jìn)行測量
牙齦組織的體積變化可以用來指示牙齦炎癥進(jìn)展，可能有助于臨床對牙齦健康狀態(tài)的評估。要正確確定牙齦組織的體積大小，需有嚴(yán)謹(jǐn)可靠的技術(shù)對縱向采集的3D圖像進(jìn)行精確配準(zhǔn)和分割。研究人員GENG WANG等提出了一種可用于3D OCT圖像的半自動(dòng)配準(zhǔn)及分割方法，能以微米分辨率測量牙齦組織體積。使用牙齒表面作參考，通過牙齦表面的高度變化定量測量出牙齦組織體積的相對變化。并使用一名患者的重復(fù)掃描結(jié)果對該方法進(jìn)行了重復(fù)性測試，結(jié)果表明該口腔OCT成像的點(diǎn)云配準(zhǔn)方法的誤差為63.08±4.52μm(1σ)，牙齦組織平均厚度的測量誤差為-3.40±21.85μm(1σ)。
研究背景
牙齦健康是評估口腔健康時(shí)要考慮的一個(gè)重要指標(biāo)。牙齦炎是一種可逆的口腔炎癥，通常由牙齒上的牙垢引起，是牙齦疾病組織進(jìn)一步破壞的先兆。牙齦炎的第一個(gè)標(biāo)志是牙齦組織的顏色和質(zhì)地出現(xiàn)微小變化，晚期牙齦炎的癥狀可以通過醫(yī)生探診出血和水腫，或是患者清潔牙齒時(shí)出血來判斷。牙齦炎晚期更容易辨別，而早期的跡象需要訓(xùn)練有素的牙科專業(yè)人員來觀察。目前牙齦炎臨床評估的金標(biāo)準(zhǔn)是測量牙齦指數(shù)（gingival index，GI）。但GI嚴(yán)重依賴主觀視覺檢查，可能無法準(zhǔn)確評估牙齦炎不同階段的進(jìn)展情況，而且使用探針進(jìn)行探診通常會(huì)造成患者不適甚至疼痛。過去利用彩色攝影來分析牙齦炎癥和顏色特征；然而2D數(shù)字圖像無法測量牙齦組織體積的變化。
光學(xué)相干斷層掃描(OCT)是一種成熟的3D成像技術(shù)，可以非侵入性的提供具有微米分辨率的體內(nèi)三維結(jié)構(gòu)和功能信息。由于它能精確地顯示牙齒和牙齦組織的三維形態(tài)，因此是口腔檢查中一種很實(shí)用的成像方法。然而牙齦沒有明確的邊界，因此很難測量其絕對體積，也無法測量體積變化情況。取而代之的是測量相對體積，有研究報(bào)道過健康與炎癥牙齦之間的組織體積和血管密度的差異，精度達(dá)幾十微米。因此為比較差異，需要使用3D圖像配準(zhǔn)和切割。已有文獻(xiàn)報(bào)道過3D OCT圖像的配準(zhǔn)和分割，以解決OCT在眼科研究和臨床應(yīng)用中的問題。雖然配準(zhǔn)和分割的基本原理相似，但本研究目的是開發(fā)一種應(yīng)用于牙齦組織中的方法。
研究人員在15 min內(nèi)，從受試者的同一顆牙齒和牙齦捕獲了17個(gè)連續(xù)的體積式OCT圖像。使用點(diǎn)云配準(zhǔn)對這些3D圖像進(jìn)行配準(zhǔn)和分析（圖3），以牙齒表面為參考進(jìn)行圖像配準(zhǔn)。
由于齒齦間區(qū)域?qū)ρ装Y更敏感，由此劃出感興趣區(qū)域（ROI）進(jìn)行組織體積定量測量（圖4），藍(lán)色為手動(dòng)劃分的ROI，以平均厚度變化來反映不同牙齒的牙齦體積變化，計(jì)算公式如下：
其中
為共配準(zhǔn)后ROI中齒齦間像素?cái)?shù)，
為2D ROI中齒齦間像素?cái)?shù)，
為z方向像素?cái)?shù)。
圖1 （a）成像OCT系統(tǒng)，成像探頭安裝在U形臂上。咬合片上有根據(jù)每個(gè)受試者牙齒輪廓和形狀制作的印模材料。(b)顯示掃描光束通過掃描透鏡傳遞到樣品的示意圖。(c)利用咬合片和唇牽開器對受試者進(jìn)行口腔OCT圖像采樣。 
圖3 OCT結(jié)構(gòu)圖像B-frame中的牙齒和牙齦。(a)OCT結(jié)構(gòu)圖像的一個(gè)B-frame，(b)沿OCT體積式圖像中一條A-line的灰度值分布，最大梯度值位于牙齦/牙齒表面。
圖4 齒齦間ROI選擇(淺藍(lán)色區(qū)域)和牙齦邊緣分割(藍(lán)色邊界線)，一顆牙齒被均勻分成4個(gè)區(qū)域，每兩顆相鄰牙齒的第一個(gè)和第四個(gè)區(qū)域被定義為齒齦間區(qū)域。零假設(shè)為：來自17個(gè)OCT立方體的厚度測量的平均值與零沒有顯著差異，意味著掃描期間牙齦厚度沒有變化。實(shí)驗(yàn)證明，牙齦厚度測量的精度在50 μm以內(nèi)，可在未來的臨床研究中應(yīng)用于體積測量。
結(jié)果與討論
首先測試配準(zhǔn)算法，以牙齒表面為參考，利用牙齒模型上附著的一塊已知厚度的透明膠帶(約5mm×3mm)。首先拍攝一張沒有膠帶的牙齒模型3D OCT圖像作為參考圖像，然后對有膠帶的牙齒模型連續(xù)拍攝6張OCT圖像，兩次成像之間，重新放置了牙齒模型以模擬活體狀態(tài)。獲得的3D圖像配準(zhǔn)后，評估每張圖像牙齒模型上透明膠帶的平均厚度(圖5a)。結(jié)果表明，透明膠帶的平均厚度為19.99±1.29μm(3σ)，與所用透明膠帶的物理厚度較吻合。制作了表面高度差圖像（圖5b)。結(jié)果證實(shí)所述配準(zhǔn)方法具有足夠的精度，適用于體內(nèi)定量測量體積變化情況。
圖5 （a）6張連續(xù)3D OCT圖像中得到的透明膠帶平均厚度。(b)與彩色編碼的表面高度差配準(zhǔn)后的合并圖像。顏色從紅色到藍(lán)色變化為相對于參考圖像的變化。紅色虛線框?yàn)槟z帶位置。活體研究中，使用均方根誤差(RMSE)評估口腔OCT圖像的點(diǎn)云配準(zhǔn)的誤差，該誤差是指固定點(diǎn)云(圖6a紫色)和仿射點(diǎn)云(圖6b綠色)之間的歐幾里德距離的RMSE。配準(zhǔn)的RMSE根據(jù)公式計(jì)算：
其中xfi表固定點(diǎn)云的坐標(biāo)值，xai表仿射點(diǎn)云的坐標(biāo)值，n表用于配準(zhǔn)的點(diǎn)數(shù)。因此RMSE值越高配準(zhǔn)誤差越大。
為驗(yàn)證該體內(nèi)配準(zhǔn)方法的可重復(fù)性，在15min內(nèi)對同一顆牙齒和牙齦進(jìn)行了17次活體OCT成像，每次成像都重新放牙齒。然后，隨機(jī)選擇的40對可能的體積OCT圖像進(jìn)行點(diǎn)云配準(zhǔn)。40次比較的RMSE直方圖如圖6b所示，RMSE的平均值為1.93像素，RMSE的標(biāo)準(zhǔn)差為0.138像素。這意味著點(diǎn)云配準(zhǔn)方法應(yīng)用于口腔OCT圖像時(shí)，在1σ標(biāo)準(zhǔn)差下的平均誤差為1.93±0.14像素(63.08±4.52μm)，在3σ標(biāo)準(zhǔn)差下的平均誤差為1.93±0.41像素(63.08±13.56μm)。
圖6 用于配準(zhǔn)重復(fù)性驗(yàn)證的牙齒3D點(diǎn)云圖像和直方圖。(a)對齊的點(diǎn)云之間的合并點(diǎn)云圖像。(b)40次配準(zhǔn)RMSE直方圖。
配準(zhǔn)方法的RMSE值受多種因素影響。對于體積式OCT圖像，掃描過程中的移動(dòng)對RMSE值有顯著影響。為驗(yàn)證口腔OCT成像中移動(dòng)對配準(zhǔn)RMSE值的影響，選擇了兩個(gè)具有不同RMSE值的配準(zhǔn)圖像(圖7)，分別為1.74和2.28。
與圖7a相比，圖7d的A1和A2區(qū)域的移動(dòng)更加明顯，其他區(qū)域高度差趨近于0。在截面圖像中也能觀察到該結(jié)果(圖7b和e為橫向橫截面圖像，c和f為垂直橫截面圖像)。當(dāng)合并圖像的表面呈現(xiàn)綠色、紫色或白色時(shí)，分別表示仿射齒較對照齒的表面高度更高、更低或相同。對于圖7d的A1區(qū)域，仿射齒表面高度高于對照齒，但在A2區(qū)域仿射齒表面高度較低，并且圖7d中A1和A2區(qū)域的移動(dòng)都高于圖7a中的相同區(qū)域。總的來說，RMSE值的大小與掃描過程中的移動(dòng)大小正相關(guān)，移動(dòng)對RMSE值有顯著影響。圖7a和d中右側(cè)牙間區(qū)域的平均厚度變化分別為16.12μm和32.90μm。
圖7 不同RMSE值的同一顆牙齒的兩共配準(zhǔn)圖像。(a)配準(zhǔn)后的合并圖像(RMSE=1.74)。(b)圖7a的橫向截面圖像。(c)圖7a的垂直截面圖像。(d)配準(zhǔn)后的合并圖像(RMSE=2.28)。(e)圖7d的橫向截面圖像。(f)圖7d的垂直截面圖像。
為計(jì)算基于本研究提出的配準(zhǔn)和分割方法在牙齦組織體積測量上的誤差，在上述配準(zhǔn)后的共配準(zhǔn)OCT圖像上測量齒間牙齦區(qū)域的平均厚度變化。牙齦平均厚度的變化如圖8a所示，體積測量重復(fù)性試驗(yàn)的誤差如圖8b所示。結(jié)果表明，表觀牙齦平均厚度發(fā)生變化，如不同測量間的平均值為-3.40μm，四分位范圍(IQR)為27.07μm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為21.85μm。當(dāng)配準(zhǔn)*時(shí)，重復(fù)性試驗(yàn)的體積變化應(yīng)為0，這意味著口腔OCT對牙齦組織平均厚度成像的測量誤差為-3.40±21.85μm（1σ）。
圖8 同一次牙齦厚度測量的分布及誤差。(a)牙齦平均厚度直方圖，(b)牙齦平均厚度誤差線。
為減少成像過程中牙齦體積測量的誤差，可在每次從每顆牙齒上獲得大量重復(fù)的3D OCT圖像，將這些圖像分別與shouci拍攝的同一顆牙做配準(zhǔn)，從這些重復(fù)測量的平均值獲得牙齦組織體積變化。
小結(jié)
本文提出了一種基于三維OCT圖像的牙齦組織體積半自動(dòng)配準(zhǔn)和分割方法，可用于監(jiān)測牙齦組織從健康到疾病的變化。該方法可以靈敏地測量牙齦組織的體積變化。用于口腔OCT成像的點(diǎn)云配準(zhǔn)方法在1σ水平下的誤差為1.93±0.14像素(63.08±4.52μm)，牙齦組織平均厚度的測量誤差為-3.40±21.85μm(1σ)。因此可推測單次測量時(shí)，有68.2%的概率牙齦厚度變化的測量值會(huì)在實(shí)際值±21.85μm范圍以內(nèi)(或99.7%的概率在65.55μm以內(nèi))。在臨床判斷牙齦炎癥進(jìn)展時(shí)，建議重復(fù)測量不小于5次(N≥5)，以提高測量準(zhǔn)確性。