目的:本课题通过建立三维头影测量模型,对图像融合技术进行评估并使用偏最小二乘法对下颌骨前徙、后退、牵张成骨术后的软组织改变做出预测,与目前常用的计算机算法普通最小二乘法对比,评价其精度。实验一:使用数字化影像融合技术建立头影测量模型材料:采集经我院诊断为颌骨畸形并进行单颌或双颌正颌外科手术患者的病例。影像设备为(1)GALILEOS CBCT系统(Sirona Dental Systems,Inc.Charlotte,USA)、(2)三维光学扫描装置(3d MD,Gorgia,Atlanta,USA)。方法:1.采集面部三维影像;2.对解剖标志点的数字化标记;3.将CBCT与3d MD影像进行融合。结果:计算机模拟的软组织影像由大量阻尼质量弹簧模型构成,而连接硬组织与软组织的多边形既包含阻尼弹簧模型又包含数十万个非线性硬组织和软组织之间的连接点。阻尼弹簧模型可以计算并模拟真实组织的物理特性、模拟三维节点构成的形变,包括面、四面体、边缘等。虽然面部各个区域的软组织弹性存在差别,但其弹性模量参数可作为预测软组织形变的参考。结论:本实验成功建立了CBCT与3d MD影像的融合模型,为下一步实验打下了基础。实验二:计算机三维头影测量面部软组织位点精度的评估材料:1.选取经实验一研究队列的5例成年患者(3名男性,2名女性)进行头影测量。方法:每例选择12个软组织标志点和10个硬组织标志点,于术前1周使用Simplant O&O软件在实验一已建立模型基础上对C BC T生成的软组织和3d MD影像分别进行标记,所选的解剖标志点基本涵盖面部各大分区。计算机自动计算解剖标志点多边形的平均差值,并记录该解剖标志点在水平方向(X轴)和垂直方向(Y轴)的向量差值。收集的数据通过student-t检验进行统计分析计算P值,并选择95%作为可信区间。结果:将CBCT生成的软组织影像与3d MD影像重合后,选定的解剖标志点在两种影像之间的垂直和水平向量差反映了局部融合影像的精度。软组织标志点垂直方向测量误差范围为0.01mm~2.32mm,平均误差为绝对值为1.27mm。12个软组织位点中,垂直方向平均误差最大的软组织位点为上口点(1.33mm);误差最小的软组织位点为鼻根点(-0.02mm);水平方向平均误差最大的软组织位点为上口点(1.02mm);误差最小的软组织位点为鼻突点(-0.01mm)。结论:本实验结果显示3d MD三维光学扫描影像和CBCT影像融合精度达到预期设计。实验三:偏最小二乘法预测正颌手术软组织变化模型的建立材料:本研究受试对象包括22例患者(9名女性,年龄段:17-27岁,平均年龄21岁;13名男性,年龄段:19-24岁,平均年龄22岁),患者均被诊断为严重错牙合畸形,需要并完成正颌手术矫正。方法:共设定24个预测变量(X矩阵)。设定预测变量x1…xp…xP分别为患者的年龄、性别、正颌手术的类型与数量(单、双颌,颏成形术)以及术后时间。纪录测量术前16个骨组织标志点和28个术前软组织标志点测量值以及48个正颌手术后颌骨前后方向和垂直方向的变量。64个应变量(y…yr…yR)包括在X和Y轴在32软组织标志点和软组织的变化。结果:使用Two-stage partial square analysis进行分析,ANOVA结果显示,各软组织标志点之间存在关联(p=0.039)。PLS和OLS在水平和垂直向量均存在显著统计学差异(水平向量X各点P值:鼻突点0.03,鼻中隔下点0.02,上、下唇点<0.0001,下齿槽座点0.03,颏前点0.04,颏下点0.0259,R点<0.0001;垂直向量Y各点P值:鼻突点<0.0001,鼻中隔下点<0.0001,上唇点0.0002,下唇点0.0004,下齿槽座点0.03,颏前点0.04,颏下点0.0259,R点<0.0001。考虑到多个软组织点实际值与预测值之间的差异,使用95%置信椭圆散点图对几种软组织的解剖标志点进行比较OLS的95%置信区间椭圆边界明显大于PLS法。结论:PLS算法对于正颌手术术后软组织改变的预测性能优于OLS算法。实验四:偏最小二乘法(PLS)对下颌后退术后软组织变化预测的研究材料:患者队列纳入标准:1.受试患者无严重的面部不对称(术前检查面部中线Pog’点偏差小于2mm);2.手术为单一下颌骨后退术(MSS),且由同一位主刀医生完成;3.术式为双侧下颌升支矢状劈开截骨术(术前B点平均值6.2±2.5mm)。方法:患者于MSS术前和术后6个月后拍摄CBCT和3d MD影像,使用PLS算法计算个标志点预测值。结果:受试患者包括23位骨性III类错牙合畸形患者(8名男性和15名女性,平均年龄24.5±5.2岁,年龄段19.5-33岁,部分受试患者与实验二相同)。下颌骨平均后退值为3.3±1.6mm(颏下点)。MSS患者术后软组织改变PLS预测值与实际测量值结果分析如下:(1)单独软组织位点:鼻下点(subnasale)的实际测量值与PLS预测值之差绝对值最小(1.68±0.60mm),唇下点误差最大(3.51±0.7mm);(2)唇部和颏部高度变化:口点-下唇中点、口点-下齿槽座点PLS预测值与实际测量值差异明显(P=0.001);(3)鼻部宽度变化:左右上唇结节连线表现出统计学差异;(4)唇部和嘴唇的宽度:左右上唇结节连线与左右口角连线均表现出统计学差异(p=0.04,p=0.03);年龄、性别对PLS算法预测性能没有明显影响。结论:PLS用于对下颌后退术软组织变化精度较好,但口周软组织精度较差。实验五:偏最小二乘法(PLS)对下颌前徙术(MAS)后软组织变化预测的研究材料:本实验队列研究受试患者包括骨性II类错牙合畸形患者。患者纳入标准:1.受试患者无严重的面部不对称;2.手术为单一下颌骨前徙术(MAS),且由同一位主刀医生完成;3.术式为双侧下颌升支矢状劈开截骨并前徙。方法:同实验四。结果:下颌骨前徙术后整体解剖标志点的位置变化(三维头影测量值)。下颌骨前徙值为4.1±1.5mm(颏下点)。鼻下点、上唇中点、下唇中点、唇下点和软组织颏前点的术前与术后值之间的变化值列于表1。其中位移最大点在鼻下点(3.51±0.7mm),而最小位移在下唇中点(1.62±0.3mm)。结论:位移最大点在鼻下点,最小位移在下唇中点。实验六:偏最小二乘法(PLS)对下颌前牙区牙槽嵴牵张成骨术及种植义齿修复后软组织改变的预测研究材料:患者队列纳入标准:1.受试患者为外伤或肿瘤;2.牙槽骨牵下颌骨牵张区域放置牵张器后,经过5天延迟期,按照每天1mm的牵张骨量进行牵张,直至理想颌骨高度。患者在以下三个时间节点:经DO术提升颌骨至理想高度(T1),牵张器拆除(术后6个月,T2)和种植义齿修复完成时(术后1年,T3)分别拍摄CBCT和3d MD影像。影像采集方法同前。计算三个时间节点上唇中点(labrale superius)、下唇中点(labrale inferius)、鼻下点(subnasale)、唇下点(sublabiale)和软组织颏前点(soft tissue pogonion)以及唇部、颏部、面下部1/3高度变化等解剖标志的术后实际测量值,并与PLS预测值进行对比。进行配对样本t检验(α=0.05),计算平均绝对误差,标准差和95%可信区间。结果;实验结果显示DO保持期,PLS对软组织改变预测效能较差。其中鼻下点-上唇中点(p=0.05)、口点-下唇中点(p=0.003)、口点-下齿槽座点(p=0.002)、口点-软组织颏点(p=0.02)、鼻下点-下齿槽座点(p=0.01)、鼻下点-软组织颏点(p=0.04)的PLS预测值与实际值存在统计学差异。其余解剖标志点预测值与实际值无明显统计学差异。DO术后六个月,口点-下唇中点(p=0.001)、口点-下齿槽座点(p=0.001)的PLS预测值与实际值存在统计学差异。其余解剖标志点预测值与实际值无明显统计学差异。结论:在DO保持期,PLS对软组织改变预测效能较差。