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在3D-OCT圖像中使用半自動配準和分割對牙齦組織體積進行測量
牙齦組織的體積變化可以用來指示牙齦炎癥進展，可能有助于臨床對牙齦健康狀態的評估。要正確確定牙齦組織的體積大小，需有嚴謹可靠的技術對縱向采集的3D圖像進行精確配準和分割。研究人員GENG WANG等提出了一種可用于3D OCT圖像的半自動配準及分割方法，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掃描結果對該方法進行了重復性測試，結果表明該口腔OCT成像的點云配準方法的誤差為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要考慮的一個重要指標。牙齦炎是一種可逆的口腔炎癥，通常由牙齒上的牙垢引起，是牙齦疾病組織進一步破壞的先兆。牙齦炎的第一個標志是牙齦組織的顏色和質地出現微小變化，晚期牙齦炎的癥狀可以通過醫生探診出血和水腫，或是患者清潔牙齒時出血來判斷。牙齦炎晚期更容易辨別，而早期的跡象需要訓練有素的牙科專業人員來觀察。目前牙齦炎臨床評估的金標準是測量牙齦指數（gingival index，GI）。但GI嚴重依賴主觀視覺檢查，可能無法準確評估牙齦炎不同階段的進展情況，而且使用探針進行探診通常會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數字圖像無法測量牙齦組織體積的變化。
光學相干斷層掃描(OCT)是一種成熟的3D成像技術，可以非侵入性的提供具有微米分辨率的體內三維結構和功能信息。由于它能精確地顯示牙齒和牙齦組織的三維形態，因此是口腔檢查中一種很實用的成像方法。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，精度達幾十微米。因此為比較差異，需要使用3D圖像配準和切割。已有文獻報道過3D OCT圖像的配準和分割，以解決OCT在眼科研究和臨床應用中的問題。雖然配準和分割的基本原理相似，但本研究目的是開發一種應用于牙齦組織中的方法。
研究人員在15 min內，從受試者的同一顆牙齒和牙齦捕獲了17個連續的體積式OCT圖像。使用點云配準對這些3D圖像進行配準和分析（圖3），以牙齒表面為參考進行圖像配準。
由于齒齦間區域對炎癥更敏感，由此劃出感興趣區域（ROI）進行組織體積定量測量（圖4），藍色為手動劃分的ROI，以平均厚度變化來反映不同牙齒的牙齦體積變化，計算公式如下：
其中
為共配準后ROI中齒齦間像素數，
為2D ROI中齒齦間像素數，
為z方向像素數。
圖1 （a）成像OCT系統，成像探頭安裝在U形臂上。咬合片上有根據每個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行口腔OCT圖像采樣。 
圖3 OCT結構圖像B-frame中的牙齒和牙齦。(a)OCT結構圖像的一個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(淺藍色區域)和牙齦邊緣分割(藍色邊界線)，一顆牙齒被均勻分成4個區域，每兩顆相鄰牙齒的第一個和第四個區域被定義為齒齦間區域。零假設為：來自17個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。實驗證明，牙齦厚度測量的精度在50 μm以內，可在未來的臨床研究中應用于體積測量。
結果與討論
首先測試配準算法，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。獲得的3D圖像配準后，評估每張圖像牙齒模型上透明膠帶的平均厚度(圖5a)。結果表明，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)。結果證實所述配準方法具有足夠的精度，適用于體內定量測量體積變化情況。
圖5 （a）6張連續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后的合并圖像。顏色從紅色到藍色變化為相對于參考圖像的變化。紅色虛線框為膠帶位置。活體研究中，使用均方根誤差(RMSE)評估口腔OCT圖像的點云配準的誤差，該誤差是指固定點云(圖6a紫色)和仿射點云(圖6b綠色)之間的歐幾里德距離的RMSE。配準的RMSE根據公式計算：
其中xfi表固定點云的坐標值，xai表仿射點云的坐標值，n表用于配準的點數。因此RMSE值越高配準誤差越大。
為驗證該體內配準方法的可重復性，在15min內對同一顆牙齒和牙齦進行了17次活體OCT成像，每次成像都重新放牙齒。然后，隨機選擇的40對可能的體積OCT圖像進行點云配準。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的標準差為0.138像素。這意味著點云配準方法應用于口腔OCT圖像時，在1σ標準差下的平均誤差為1.93±0.14像素(63.08±4.52μm)，在3σ標準差下的平均誤差為1.93±0.41像素(63.08±13.56μm)。
圖6 用于配準重復性驗證的牙齒3D點云圖像和直方圖。(a)對齊的點云之間的合并點云圖像。(b)40次配準RMSE直方圖。
配準方法的RMSE值受多種因素影響。對于體積式OCT圖像，掃描過程中的移動對RMSE值有顯著影響。為驗證口腔OCT成像中移動對配準RMSE值的影響，選擇了兩個具有不同RMSE值的配準圖像(圖7)，分別為1.74和2.28。
與圖7a相比，圖7d的A1和A2區域的移動更加明顯，其他區域高度差趨近于0。在截面圖像中也能觀察到該結果(圖7b和e為橫向橫截面圖像，c和f為垂直橫截面圖像)。當合并圖像的表面呈現綠色、紫色或白色時，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區域，仿射齒表面高度高于對照齒，但在A2區域仿射齒表面高度較低，并且圖7d中A1和A2區域的移動都高于圖7a中的相同區域。總的來說，RMSE值的大小與掃描過程中的移動大小正相關，移動對RMSE值有顯著影響。圖7a和d中右側牙間區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圖像。(a)配準后的合并圖像(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。
為計算基于本研究提出的配準和分割方法在牙齦組織體積測量上的誤差，在上述配準后的共配準OCT圖像上測量齒間牙齦區域的平均厚度變化。牙齦平均厚度的變化如圖8a所示，體積測量重復性試驗的誤差如圖8b所示。結果表明，表觀牙齦平均厚度發生變化，如不同測量間的平均值為-3.40μm，四分位范圍(IQR)為27.07μm，標準偏差為21.85μm。當配準*時，重復性試驗的體積變化應為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的3D OCT圖像，將這些圖像分別與shouci拍攝的同一顆牙做配準，從這些重復測量的平均值獲得牙齦組織體積變化。
小結
本文提出了一種基于三維OCT圖像的牙齦組織體積半自動配準和分割方法，可用于監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成像的點云配準方法在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，有68.2%的概率牙齦厚度變化的測量值會在實際值±21.85μm范圍以內(或99.7%的概率在65.55μm以內)。在臨床判斷牙齦炎癥進展時，建議重復測量不小于5次(N≥5)，以提高測量準確性。