新型计算机X线头影测量分析系统研究

作者：王佛汉　陆苇　秦军　吕毅　王锁萍　贝珉　　出处：口腔医学纵横

摘要　目的：开发运行于Windows环境之下的采用图形用户界面的新型计算机X线头影测量分析系统。方法：在采用面向对象方法进行系统分析的基础之上，以可视化编程语言Visual C++编制全部程序。结果：用户可通过扫描仪将病人的X线头颅侧位片扫描输入，然后在本系统的支持下，在屏幕所显头颅影像中直接标定测量基准点，勾画组织轮廓并进行测量和重叠比较分析，结果可打印输出。结论：本研究成果具有人机界面友好，操作简单直观，功能实用强大，易于扩展升级等优点，有临床推广应用价值。
关键词　计算机　X线头影测量　面向对象

　　X线头影测量是口腔正畸科及口腔颌面外科临床实践和科研工作的一种重要辅助分析诊断手段。自从Broadbent半个多世纪前首次引入并应用于正畸实践以来，经过不断改进与完善，现该技术已得到广泛的应用，成为口腔正畸医师，正颌外科医师分析牙颌面畸形形成机制，制订相应矫治计划，观察评判治效果的有力工具。
　　随着计算机技术的迅猛发展及其对口腔医学的日益渗透，欧美发达国家率先开发了计算机X线头影测量分析系统，[1，2]并使之商品化。从而简化了繁复的手工测绘工序，有力地推动了X线头影测量技术的普及推广。
　　近十多年来，国内若干院校也相继研制了多种计算机X线头影测量分析系统，取得了很好的临床应用效果。但这此应用软件系统多以Basic 或FORTRAN 语言编写而成，运行于DOS环境之下。存在人机界面单调、机械，操作繁琐，缺乏直观性等缺点。为了解决这些问题，我们开发了采用图形用户界面(GUI)，运行于Windows环境之下的新型计算机X线头影测量分析系统。在研制过程中，我们用了面向对象的方法对整个系统进行分析与设计，以可视化编程语言Visual C++作为本系统实现的编程工具。最终完成的这一应用软件系统具有人机界面友好，操作简单直观，功能实用强大，易于扩展升级的特点。
　　一、新型计算机X线头影测量分析系统的组成(图1)



图1　X线头影测量分析系统总框图


　　硬件组成：①　Pentium 133计算机，32m内存，1.2G硬盘；②　显示器：可显示彩色或灰度图；③　Scanmker E6扫描仪；④　透射适配器：与扫描仪配合可以扫描输入X线片影像；⑤　Epson MJ-1600K彩色喷墨打印机。
　　软件组成：
　　1. 扫描仪驱动程序及图像处理软件Photoshop5.0：二者配合可使用户方便地将病人的X线头影测量片通过扫描仪的扫描形成为数字图像，并以BMP位图的形式保存，以供定点，勾线之用。必要时还可利用Photoshop5.0强大的图像处理功能对前述数字图像进行预处理，以增强其对比度，便利后继的操作。
　　2. X线头影测量分析软件系统：本系统以Visual C++作为编程语言编制而成，运行于Windows环境之下。按功能区分可分为以下几个主要组成部分：
　　(1)病人个人信息文件模块：该模块用于建立，保存、调取病人的个人资料如年龄、性别等。
　　(2)X线头影定点模块：该模块允许用户使用鼠标在屏幕上所显示的X线片数字影像中标定所需的硬、软组织测量点。
　　(3)X线头影勾线模块：该模块允许用户使用鼠标在屏幕上所显示的X线片数字影像中勾出相应的轮廓线，并存入文件，供重叠比较分析之用。
　　(4)X线头影测量模块：本模块提供十一种硬组织分析法(Downs、Steins、Wylie、Tweed、Riedel、Ricketts、Wits、Bjork、Coben、四边形及本院综合分析法)三种软组织分析法(Holdway、Burstone、综合分析法)。用户不仅可根据需要对分析方法加以自由选择，还可对每一测量分析法中的具体测量项目加以取舍。测量结果以数据配合线图的形式显示，异常值以红色标识。用户还可将数据存入数据库，以供统计分析所需。
　　(5)X线头影线图重叠比较模块：本模块允许用户将病人的术前、术中和术后的牙颌面硬软组织轮廓线图(即由X线头影勾线所得)分别按三种方法，进行重叠比较，以观察相应组织结构所发生的变化。这三种重叠方法分别为：(a)前颅底平面重叠法：以S-N平面为重叠平面，以S点为重叠基点。可显示前颅底长度，鼻根点N的变化以及比较牙颌面的总体变化。(b)上颌图迹重叠法：以上颌平面(ABS-PNS)为重叠平面，ANS点为重叠基点，可观察上颌及切牙和磨牙的改变。(c)下颌图迹重叠法：以下颌体轴为重叠平面，Pm点为重叠基点。可评价下切牙及磨牙的变化。重叠比较时，系统将术前，术中，术后的轮廓线图分别以三种不同颜色重叠显示，十分利于分析判断。
　　(6)统计模块：该模块允许用户对数据库进行添加，删除等操作，并允许用户自行定义条件对已加入数据库的测量数据进行查询、统计分析，求出平均值与标准差，供临床和科研分析之用。
　　二、本软件的使用方法
　　1. 在图像处理软件Photoshop中，通过扫描仪将病人的X线头影片输入计算机，形成一数字影像并以BMP位图文件的格式进行保存。必要时可对该数字影像进行一定的预处理以提高影像质量，为后续的定点、勾线工作提供便利。
　　2. 进入X线头影测量分析系统，通过选择“创建病人信息文件”命令，并输入相关信息可建立一病人信息文件。接着将前述BMP位图文件调入，此后便可根据需要，选择进入相应的界面进行定点，勾线，测量，重叠比较，统计等后继操作。
　　3. 进入定点界面，用户可在系统提示下输入全部64个硬软组织标志点。也可先从11种硬组织分析法和3种软组织分析法中选择一种或几种方法。系统将根据选择的方法，将有关的标志依次以蓝色显示，用户可根据提示定标输入。在定点过程中，系统允许随时对已定点作修改。
　　4. 定点结束后，便可进行测量分析。在用户选择了测量方法和具体的测量项目以后，系统将自动进行测量分析，并将有关数据显示出来。对于超出正常范围的值，系统将以红色显示。用户既可将测量结果打印输出，也可将数据加入数据库以供统计之用。
　　5. 对于需要勾画牙颌面结构轮廓线图的病例，用户可进入勾线界面。此时系统将病人的X线头颅侧位片的数字影像显示于屏幕之上，用户只要用鼠标在需要勾线的位置次确定三个基准点，系统经过运算将自动确定一条包含这三点的二次拟合曲线。重复这一过程，有户可以方便的勾画出牙颌面结构的轮廓线图。对于勾线中出现的错误，系统允许用户随时加以修改。
　　6. 对同一病人的术前，术中及术后的X线头颅侧位片勾线处理后，可进行重叠比较分析，以观察不同部位所发生的变化。
　　三、讨论 
　　与目前已有的国骨开发的X线头影测量分析系统相比较，本系统有如下优点：
　　1. 系统分析方法及编程工具先进：以往的X线头影测量软件系统。存在人机界面单调，程序规模较大，可扩展性和可维护性较差等缺点。本研究则采用了面向对象的方法进行系统分析和设计，并以Visual C++作为系统实现的编程工具。我们这样做是基于如下考虑：首先，面向对象的方法所具有的封装性，继承性和多态性可以提高代码的重用性、可扩展性和可维护性；其次，由于软件规模的增大，管理也越来越困难。而基于面向对象语言的许多优秀开发工具能使管理强度在为降低；此外采用面向对象方法可以重用已有的高效类库产品(例如MFC)，从而缩短开发周期。
　　面向对象方法本身有许多种，我们主要采用了COAD和YOURDON的方法。[3]该方法明确地对分析阶段和设计阶段进行了分工：分析阶段模型化问题空间而设计阶段模型化解空间。
　　2. 人机界面友好，使用操作简便：本系统采用图形用户界面(GUI)，标志点的确定，轮廓线的勾画都在屏幕上进行，并可对出现的错误随时进行修改，操作简单直观，易用易学。
　　3. 数据采集方式先进：与以往先依靠手工在醋酸透明描图纸[4]上对X线头影测量片进行描绘并定点，然后数字化仪依次将各测量标志点的坐标输入计算机的两次标定输入法[5、6]不同，本系统通过扫描仪将X线头影测量片依次扫描输入，由用户在屏幕上直接进行定点，勾线操作。为提高定点勾线的准确性，系统还允许用户将图像进行放大，必要时还可预先通过其他图像处理软件对影像进行预处理，以增大图像的对比度，提高局部细微结构的可辨性。所有这些措施都进一步简化了人工操作，减少了人为误差。
　　4. 勾线方法独特：以往的系统中，牙颌面组织结构轮廓图的勾画都采用定点连线的方法。由于此方法是通过确定基准点，然后以直线将各基准点依次连接形成轮廓线图的。所以存在基准点数目多，标识困难的弊病。最终产生的线图也由于仅由直线构成，与真实结构轮廓有较大差异而仅具模式意义。本系统勾线模块则采用了定点拟合的方法：用户在屏幕显示的X线头颅影像中根据牙颌面组织结构的轮廓取三个基准点，由系统由此三点的坐标，计算出满足方程y=ax2+bc+c和x=ay2+by+c的a，b，c的值并自动生成相应的二次曲线来拟合所需的轮廓结构，然后由用户观察拟合效果，决定是否采用。重复这一过程，便可逐段生成全部的轮廓线以最终形成所需的牙颌面组织结构轮廓线图。根据实现后观察的效果，我们发现曲线的平滑度已能满足临床的需要，若需进一步提高曲线的平滑特性，可采用更高次(n次)的曲线来似合，曲使用者选取n+1个点，系统自动生成相应的曲线。采用本方法生成的轮廓线图(如图2)所示。