射束硬化对CBCT评估牙槽骨强度的影响机制研究

To estimate the alveolar bone strength using CBCT image, we study the relationship between CBCT image, the alveolar bone mineral density and its bone strength. The previous research show that there is linear relationship between the grey value in CBCT image and the content of hydroxyapatite in the scanned object. However, the exact linkage has not been identified. There are various artifacts when measuring the bone mineral density through CBCT image. The existing research on CBCT noise removal concentrate on scanning noise, scatter artifact, ring artifacts and partial volume effect. Nevertheless, the beam hardening effect need to be addressed to remove the CBCT image noise. In this research, a novel effective beam spectrum is modeled using the CBCT imaging on the self-made step-wedge hydroxyapatite phantom. The post-reconstruction approach takes into account errors from X-ray scatter and the non-idealities of the built-in water correction in estimating the beam characteristics. The effective beam spectrum is used to correct the CBCT image. With the corrected CBCT image, the bone mineral density can be calculated. Through comparing the calculated bone mineral density and DXA scanning result, relationships can be obtained between the grey value in the corrected CBCT image and bone mineral density. To study its microstructure, Micro-CT scanning on the alveolar bone is conducted and the Micro-CT image is registered to the CBCT image. In order to obtain the alveolar bone strength, a mechanical test is conducted using a mechanical test jig. The relationship among the corrected CBCT image, the alveolar bone microstructure and the bone strength is investigated. This research is expected to reveal the relationships among the grey value of CBCT image, the alveolar bone microstructure and the alveolar bone strength.

针对CBCT测量牙槽骨骨强度问题，在CBCT图像与骨密度、骨强度的相关性方面开展研究。有研究表明, CBCT扫描图像的灰度值和扫描物体的羟基磷灰石含量之间存在线性相关性，但未确定其准确的关联规律。过去关于CBCT成像中可能影响骨密度测量的医学误差因素研究尚未涉及消除射束硬化误差，本项目以CBCT扫描图像为研究对象，依据对多重羟基磷灰石含量模体成像建立有效CBCT射束能谱模型，以有效射束能谱模型来对CBCT图像进行校正后，通过与DXA扫描结果进行对比研究，摸清有效CBCT射束能谱对物体图像灰度值和骨密度值的影响规律。同时，对牙槽骨进行Micro-CT扫描获取骨骼微观结构信息，将CBCT图像与其配准，二者结合起来与通过对牙槽骨的力学实验获取的牙槽骨机械强度进行分析，摸清校正后的CBCT图像与骨结构参数、骨强度的关联。项目将揭示CBCT图像灰度值,牙槽骨微观结构和宏观骨强度之间的关联机制。

我国口腔疾病的患病率高，根据卫生部2017年公布的《第四次全国口腔健康流行病调查》结果显示，我国居民的口腔疾病患病率达90%以上，目前对牙种植、阻生智齿拔除等牙槽外科手术需求增长迅速。然而由于口腔颌面部特殊的解剖结构，牙槽外科手术仍面临视野小，创伤大，难度高、精确度需求高等问题。对于阻生齿拔除，易发生下牙槽神经损伤、邻牙损伤以及干槽症等并发症，对于牙种植，术中容易穿透牙槽骨或损伤下牙槽神经，严重影响手术效果。因此，术前准确判断和掌握牙槽骨的几何结构和物理特性，对牙槽外科手术有着至关重要的作用。..CBCT可以对组织进行扫描获得清晰的三维图像，而牙槽骨毗邻的神经、血管等组织结构复杂，加上CBCT的射束硬化效应，CBCT图像并不能清晰准确地反应牙槽骨几何信息。Micro-CT可以扫描牙槽骨微观结构，结合骨强度信息可以研究其物理特性。本项目旨在应用CBCT图像建立牙槽骨物理模型对人体牙槽骨结构进行深入研究，在校正CBCT图像的同时，结合Micro-CT图像，为手术仿真系统建立牙槽骨的几何/物理模型，应用于牙槽外科手术仿真系统，帮助提升口腔医生在牙槽外科手术中的精准度和微创率。..本项目以CBCT扫描图像为研究对象，依据对多重羟基磷灰石含量模体成像建立有效CBCT射束能谱模型，以有效射束能谱模型来对CBCT图像进行校正后，通过与DXA扫描结果进行对比研究，摸清有效CBCT射束能谱对物体图像灰度值和骨密度值的影响规律。同时，对牙槽骨进行Micro-CT扫描获取骨骼微观结构信息，将CBCT图像与其配准，二者结合起来与通过对牙槽骨的力学实验获取的牙槽骨机械强度进行分析，摸清校正后的CBCT图像与骨结构参数、骨强度的关联。项目发现了CBCT图像灰度值,牙槽骨微观结构和宏观骨强度之间的关联机制。在以上研究内容的成果共在各类型学术期刊和会议发表8篇论文，包括2篇SCI期刊论文、1篇EI会议论文、4篇中文核心论文等；同时获得授权实用新型专利2项，培养硕士研究生5人毕业，联合培养博士研究生2人毕业。