口腔正畸模型计算机辅助测量分析系统*★

王臻1，魏彪2，王远勤1，周传涛2，米德伶2，冯鹏2

课题背景：本文是广东省卫生厅基金课题（计算机辅助定位系统）在口腔正畸领域的一部分。目前，关于计算机图形图像和人工智能技术相结合的记录，诊断及治疗的专家系统已越来越受到临床医生的关注，但多基于激光三维成像，其硬件和软件的成本很高，难以广泛运用于临床；且国内很多正畸临床医生仍然沿用人工测量正畸模型的方法，费时费力，存在人为误差。

应用要点：本研究系统利用数码相机二维成像系统，对多个角度的图像进行计算机辅助测量，利用智能技术给出分析结果，具有很高的临床应用性和普及性。

重要的概念：模型测量是口腔正畸诊断系统中的一个重要环节，其包括：对牙列拥挤程度的定量分析；对替牙期拥挤度的预测；牙齿大小协调性的分析；牙弓形态测量分析；齿槽及基骨的测量分析。

1惠州市口腔医院，广东省惠州市 516001；2重庆大学光电工程学院，重庆市 400044

王臻★，女，1970年生，陕西省西安市人，1995年华西医科大学毕业，硕士，副主任医师，主要从事数字化计算机技术在口腔正畸学的应用研究。
yctang0808.360@
163.com

摘要：利用CCD数字图像获取技术采集牙模的数字图像，基于Windows平台及其Visual C++ 6.0开发工具，借助于MS SQL Server数据库技术对牙模图像的数据进行维护和管理，研究与开发了口腔正畸模型的计算机辅助测量分析系统。系统设计主要以牙弓形态测量与分析为基础，针对口腔正畸临床诊断及临床操作的需要而进行的。系统包括3个子系统，分别是牙牙合模型的病历管理系统、测量系统和分析系统。研究结果表明，口腔正畸模型的计算机辅助测量取代手工测量方式，可提高参数测量分析水平，减少口腔正畸模型的测量误差。
关键词：计算机辅助测量与分析；口腔正畸学；牙牙合模型测量；数字医学

王臻，魏彪，王远勤，周传涛，米德伶，冯鹏.口腔正畸模型计算机辅助测量分析系统[J].中国组织工程研究与临床康复，2008，12(22):4253-4256 [www.zglckf.com/zglckf/ejournal/upfiles/08-22/22k-4253(ps).pdf]

中图分类号: R391
文献标识码: B
文章编号: 1673-8225
(2008)22-04253-04

Abstract: The CCD digital image acquisition technique is adopted to capture dental model, and Visual C++ 6.0 in Windows platform is utilized to investigate and develop computer aided measurement and analysis system for orthodontic model. This system separates data from operation using MS SQL Server database to maintain and manage data. The system is designed based on the measurement and analysis of the dental arch to meet the demand of clinical diagnosis and clinical operation. There are three subsystems including management system of medical records of dental model, measurement system and analysis system. The results of the study indicate that the computer aided measurement and analysis system for orthodontics model instead of manual measurement can improve parameter measurement, and reduce measurement error of orthodontics model.

Wang Z, Wei B, Wang YQ, Zhou CT, Mi DL, Feng P.Computer aided measurement and analysis system for orthodontics model. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu yu Linchuang Kangfu 2008;12(22):4253-4256(China)
[www.zglckf.com/zglckf/ejournal/upfiles/08-22/22k-4253(ps).pdf]

目前口腔正畸已成为口腔领域共同研究的重要课题之一[1-2]。然而，国内口腔正畸水平与一些发达国家相比还有很大的差距，主要表现在测量方式、参数分析及设备等方面还相当落后。牙颌模型的测量广泛应用于口腔正畸外科，长期以来，用精度为0.02 mm的游标卡尺、分规等工具进行手工测量牙颌模型是最常用的测量方法，不但费时、费力且容易产生误差[3]，大大影响了口腔临床工作的效率，特别在制定口腔治疗方案时，根据粗略的测量数据和医生的个人经验制定出的治疗方案，不但让患者难以信服，而且往往存在很大误差，甚至有时产生不可挽救的失误。
随着信息技术的发展，一些传统的口腔诊治方法与手段也在进行着信息化的改造。目前，国内外的一些口腔正畸领域的诊断系统没有利用计算机智能化技术，尚不能进行正畸诊断分
类和治疗方案的确定提供帮助，没有充分利用网络资源，特别是随着无线网络技术的成熟，基于无线网络技术的牙模正畸系统，使远程会诊成为可能[4-6]。采用CCD数码摄像机和图像采集卡，开展口腔正畸模型的计算机辅助测量系统研究工作，较之传统的手工测量，可使口腔正畸模型的测量分析有更好的精确度和准确性。同时，由于计算机本身具有强大的数据存储、处理能力，便于对大样本统计处理。这样不仅有利于测量结果的存储和查询，更有利于对测量、分析数据的统计、处理及分析[7-10]，还能减少对国外技术的依赖，降低应用成本，并可用于指导临床工作，突破旧有口腔正畸模型测量分析模式的束缚，有利于促进口腔修复技术及相关产业的发展，对中国口腔正畸的发展具有突破性的作用和意义。

1.1 系统结构整个系统包括图像采集模块、图像数据处理系统、无线通信模块及数据库服务器四个方面，其间的关系如图1所示。
口腔正畸模型测量分析系统主要以牙弓形态测量与分析为基础，针对口腔正畸临床诊断以及临床操作而设计。系统包括三个子系统：分别是病历管理系统、测量系统和诊断分析系统。主要功能包括：牙弓宽度测量；牙弓长度测量；Spee氏曲线距离计算；拥挤度计算；角度测量；Bolton指数分析；Tweed分析；混合牙列期测量分析；Moyers氏概率表分析。功能模块框图如图2所示。

1.2 原理及方法用户进入口腔正畸模型计算机辅助测量分析系统时，首先进入登录界面，然后分别可以进入病历管理系统、牙模图像测量系统和分析系统。用户未登录时，仅仅可以使用病历管理系统；只有登录成功以后，才可以使用牙模图像测量系统和分析系统。进入牙模图像测量系统后，可以访问病历管理系统和分析系统，具体流程如下。

系统设计主要包括采集系统、测量系统和分析系统3部分[11-12]。采集系统利用130万象素的CCD图像传感器，能提供1 280×1 024大小的牙颌模型图像，可以满足精确测量的要求，如图3所示。

测量系统所用的牙模图像，采用JPEG格式，并对数字图像的原始数据进行图像测量，如图4所处理。

考虑到标准尺子的测量范围，可以限制在0.1~ 100 cm。如果医师输入的实际长度不在这个范围内，则系统认为医师输入有误，并允许医师重新输入，这就可以在一定程度上减少医师的误输入。
由于测量前必须定标，因此设置一个定标Flag很必要。定标成功后，Flag为TRUE；定标失败或未定标，Flag为FALSE。当用户对牙模图像放大、缩小等操作后，Flag变为FALSE，提示用户要重新定标，否则无法进行测量操作。
由于牙模图像测量参数的不同，本系统在工具箱的测量页面，分为上下颌测量页面、正面颌测量页面及左右侧颌测量页面的3个页面，根据用户读入的牙模图像来选择采用哪一个测量页面。在上下颌测量页面中，包括A、B、C、D 4个牙区及分别相关联的8个牙点，比如A1指的是上颌左侧第一个牙点，即上颌左侧中切牙。由于每颗牙有3个点供测量，它们分别是近中、远中和牙尖。因此A1加上这3个量中的一个就可以定位到某颗牙的确切位置，在程序设计中需要一个8×3的二维数组来负责定位测量点。测量参数包括：牙弓长度、牙弓宽度、牙弓倾斜度、实际牙弓周长、理论牙弓周长、拥挤度、全牙Bolton指数及前牙Bolton指数[13]。用户选定对应的测量参数，就可以在牙模图像上定测量点进行相应的测量计算。正面颌图主要包含的功能是测正面不对称度，因此用户确定了上颌中线和下颌中线的位置，系统自动计算出不对称度大小。若不对称度为负值，表示下颌左偏上颌；不对称度为正值，表示下颌右偏上颌。左右侧颌图的主要功能是测Spee氏距离用。
上述操作所定的测量点或测量线，可以通过鼠标右键进行移动来调节定位。测量界面的下方，是患者的基本信息显示区和测量数据显示区，以方便医师对患者信息和测量数据信息的把握。由测量系统，便可进入病历系统和分析系统。当患者的牙模图像没有被测量，系统会提示用户先测量再分析，否则拒绝进入分析系统。
分析系统的设计主要包括测量数据导出、数据导入及误差分析3个方面。数据导出是指用户测量结束后对测量数据的一个保存处理。医师点击数据导出命令后，测量数据会保存到后台数据库。数据导入是指当一个患者在复诊时，数据库中已经有他的牙模图像的测量数据，医师不需要重新测量，而是把数据导入到当前测量界面，然后进行进一步的测量或分析等。
用户可在系统提示下，首先进行定标，然后可以从数据库分别调入五幅牙模图像，分别是：牙上颌图，牙下颌图，牙左侧图，牙右侧图，牙正面图。通过对这5幅图像进行测量，可以得到不同的参数以供分析计算，同时这些数据会在右侧的信息栏中显示出来，此时，可以直接得到牙模的牙弓宽度、牙弓长度、中线对称度和牙弓角度等数据；系统会自动计算出Spee氏曲线距离、Bolton指数和牙间隙量牙。如果是混合期牙列，系统同样会进行针对性计算，如图5所示。

分析界面可以帮助医生诊断，给予预诊信息；患者信息库使得医生很方便地对患者信息进行维护和统计操作。

表1是在直尺10 mm长度下对一个牙颌模型所做的实验结果与分析。
由于牙颌模型图像在采集过程中，采集卡带进的噪声或牙模的不规则性，使得牙模图像出现扭曲，必然造成测量的不准确。定标计算时包含除法，有可能出现四舍五入的中间计算结果，使得后面的计算结果不准确。人为因素造成的误差，主要表现在测量点的选取不到位，定标点选取有偏差，测量线不是直线等。实验测量结果证明，测量误差范围是±0.2 mm，对医师诊断几乎没有影响。图6是表1的测量数据误差分析图。

结论：口腔正畸模型计算机辅助测量分析系统具有很强实用的临床应用价值[14-15]。它将实物模型的储存转变为多角度的数码照片储存，有利于模型病历的管理和储存；通过对模型图像的数字化处理，有利于模型的测量分析和对比研究，减少了人工测量的可能造成的误差，并通过测量结果，给出提示性的诊断结果，辅助制定矫治计划，以供临床医生参考。

1 Doris JM, Bernard BW, Kuftinec MM, et al. A biometric study of tooth size and dental crowding. Am J Orthod 1981;79(3):326-336
2 Gu M,Yang P.Guangdong Ya Bing Fangzhi 2003;11(1): 76
辜岷, 杨璞. 牙牙合模型立体测量方法的研究进展[J]. 广东牙病防治, 2003, 11(1): 76
3 Wang HM,Liu Y.Beijing Kouqiang Yixue 1999;7(3): 122
王红梅, 刘郁. 拔牙矫治前后的牙牙合模型测量研究[J], 北京口腔医学, 1999, 7(3): 122
4 Llewellyn SK, Hamdan AM, Rock WP. An index of orthodontic treatment complexity. Eur J Orthod. 2007;29(2):186-192
5 Uysal T, Memili B, Usumez S,et al. Dental and alveolar arch widths in normal occlusion, class II division 1 and class II division 2.Angle Orthod 2005;75(6):941-947
6 Al-Dashti AA, Cook PA, Curzon ME. A comparative study on methods of measuring mesiodistal tooth diameters for interceptive orthodontic space analysis.Eur J Paediatr Dent 2005;6(2):97-104
7 Scholz RP. Imaging in the orthodontic office (and beyond). Am J Orthod Dentofacial Orthop 1998;114(4):464-466
8 Burstone CJ. Dr. Charles J. Burstone on the uses of the computer in orthodontic practice (part 1). J Clin Orthod 1979;13(7):442-453
9 Asquith J, Gillgrass T, Mossey P. Three-dimensional imaging of orthodontic models: a pilot study. Eur J Orthod. 2007;29(5):517-522
10 Gracco A, Buranello M, Cozzani M,et al.Digital and plaster models: a comparison of measurements and times. Prog Orthod. 2007;8(2):252-259
11 Zhao H,Ye ZQ. Posts Telecom Press 2005:348-473
赵辉, 叶子青. Visual C++系统开发实例精粹[M]. 北京：人民邮电出版社, 2005:348-473
12 Niu L,Fu Y. Publishing House of Electronics Industry2006:548-569
牛力, 傅韵. Visual C++.NET编程宝典[M]. 北京：电子工业出版社, 2006:548-569
13 Braun S, Hnat WP, Fender DE, et al. The form of the human dental arch. Angle Orthod 1998;68(1): 29-36
14 Kusnoto B, Evans CA. Reliability of a 3D surface laser scanner for orthodontic applications.Am J Orthod Dentofacial Orthop 2002;122(4):342-348
15 Yu B,Hu JT,Xu Y,et al.Kunming Yixueyuan Xuebao 2002;23(4):36-38
余兵,胡江天,徐芸,等.计算机辅助口腔正畸模型测量分析系统的设计和应用[J].昆明医学院学报,2002,23(4):36-38