口腔正畸学中的头位

 一、头影测量学中的头位——历史回顾

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头位测量学的起源

头影测量学具有一百年的历史，起源于人类测量学研究。13世纪到15世纪，艺术家和人类学家应用点、线、面建立测量方法对人的颅面进行测量，开拓发展出了人类测量学。14世纪著名的艺术家列奥纳多·达·芬奇在自然头位时的颅骨上画出几条接近水平的线，其中的几条线后来成为头影测量学经典的水平参考平面，一般认为这是最早提出的具有可靠性、可重复性的测量颅面部特性的方法。之后诸多研究者提出各种颅面部测量方法。随着颅面部测量方法的发展和应用的增加，发展出了理想参考平面和头颅定位仪的概念和研究。

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头影测量学中头位概念的奠定

Case应用人类测量学的方法来分析安氏Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类患者的侧貌，认为这三类患者既有牙齿的错也有颅颌面的问题，诊断时需要结合面部分析。Simon进一步研究三维空间中面型和牙列的关系并提出著名的Simon分类法。1922年，人类学家Pacini发表了利用X射线技术获得颅面部硬组织信息的标准方法，为以后头影测量学中确定头位概念提供了基础。真正的头影测量学建立于1931年，美国的Broadbent[1]和德国的Hofrath发表的文章中介绍了获得标准头位的定位X线片的方法，从而获取具有可比性的牙颌面X线片。他们发明的头颅定位仪由左右两侧耳塞和眶点指针构成，三点构成的平面与地面平行，即眶耳平面与地面平行，由此固定患者头位，拍摄时与射线源的距离保持一致，靠近胶片的面部方向一致。Broadbent和Hofrath奠定的X线头影测量头位定位方法被口腔正畸临床和研究中广泛应用并发展起来。目前头影测量分析是在正畸及正颌手术临床诊断及治疗设计中的关键部分，而"头位定位(Head Orientation)"担当能够实现真正意义上的头影测量学并使不同个体头颅侧位片之间具有可比性的关键角色。
二、头位的定义

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自然头位(natural head position，NHP)

自然头位(NHP)一直被人类学家、艺术家和解剖学家认为是标准的、具有高可重复性的头位，适用于观察及研究人类不同颅面部的特性。目前公认的自然头位的定义为两眼平视前方，视线轴与地平面平行时的头位，被认为是最平衡的头位[2]。1884年，Frankfort平面受到德国人类学协会认同后，被认为是能够实现自然头位的硬组织水平参考平面。但是，Frankfort平面不能完全实现自然头位。1956年Downs[3]提出Downs分析法，通过100个孩子站着盯住前方镜子里自己眼睛的方法实现实际的自然头位，然后拍摄侧面相与X线片软组织侧貌对齐，结果发现Frankfort平面有倾斜向上(定义为＋)或向下(定义为－)的倾斜误差。最近Zebeib、Naini等[4]研究人自然头位下颅内不同水平参考平面对于真实水平参考平面(垂直与铅锤，perpendicular to the plumb)倾斜差异，结果虽然都存在倾斜差异，仍然FH平面的差异最小。头位的这种误差来自个体差异，关于自然头位也有许多研究者提出不同定义。1862年Broca将其定义为人直立站住，平视前方，视线与地面平行时的头位。1876年Schmidt研究认为，自然头位的确定是个生理学的概念，需要观察者的参与。一直以来，对可重复性高的头位定义一直存在争论。

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自然姿势位(natural head posture, NHP)

"自然姿势位"(Natural Head Posture)是自然头位的一种生理性范围，是人站着或坐着的时候自觉最平衡的位置[5]。其完全依靠患者感觉，因此视线可不与地面平行，而且受到骨骼形态和位置的影响很大。因为自然姿势位是个体生理性的头位，明显受到颅面部骨骼位置及形态、颈椎、咬合、颞下颌关节、髁突的发育不全、唇腭裂、上呼吸道阻碍、遗传性疾病等的影响。

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矫正头位(natural head orientation，NHO或corrected head position, CHP或estimated head posture)

以上因素影响个体头姿势，自然头位利用前方镜子等形式可能会稍微掩盖这种个体差异。但是不能完全排除，除了骨骼形态及位置因素之外，还会受到当天的温度、个体情绪等因素的影响。因此为了排除个体在不同时间点上的差异，多应用矫正头位。矫正头位(Natural Head Orientation或Corrected Head Position)是人站住放松、平视前方时，观察者来参与调整头位接近自然头位的状态。矫正头位是Lundstrom[6]等提出的概念，他们研究FH平面在自然头位和矫正头位之间的差异，结果FH平面在矫正头位的倾斜误差比在自然头位小，认为矫正头位的可重复性比自然头位好。Barbera[7]等研究比较颅内不同水平参考平面，也得到矫正头位的可重复性比自然头位好的结论。矫正头位相当于临床中医生观察患者的头位。有些学者认同由于存在个体差异，对具有姿势不良的患者自然头位要由医生来调整，即要采用矫正头位以排除个人姿势因素，比自然头位可重复性高，也更加合理。
三、头位的影响因素

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颈椎

许多研究表明颈椎形态异常与颅面部形态和头位之间具有相关关系。1994年Sandikcioglu[8]等选取103名成年人的头颅侧位片研究颈椎与颅面部形态和头姿势之间相关性。结果显示颈椎和颅颈姿势和颅面部形态具有相关性。2002年Solow[9]等通过颅颈姿势的研究表明头姿势不仅与颅颈姿势有关，可能与下颌生长发育也有关系，即颅颈姿势会影响颅面部形态，而颅面部形态因素影响头姿势。因此他们认为良好的体位是正畸医生值得注意的因素。2007年Sonnesen[10]等比较骨性Ⅰ类患者与骨性Ⅲ类患者的颈椎形态，发现骨性Ⅲ类患者中61.4%有颈椎融合，12.3%有颈椎后弓缺乏。他们在2008年研究了骨性Ⅱ类错患者的颈椎形态，结果显示，覆盖范围在5.47 mm～15.29 mm间的下颌后缩的骨性Ⅱ类患者中52.9%有颈椎融合，5.9%有颈椎后弓缺乏的形态特征。2011年Arntsen[11]等对7～15岁下颌后缩，覆盖>6 mm的213名正畸治疗前患者进行颈椎形态的研究，结果骨性Ⅱ类下颌后缩的患者颈椎形态异常更明显。这些研究表明颈椎形态与骨性错和头位之间有密切关系。

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咬合

Solow[12]等研究发现前牙段拥挤超过2 mm的患者颈椎角大于无拥挤患者组平均3°～5°。AlKofide[13]等研究180名沙特阿拉伯人的头姿势与咬合的关系，研究对象取自然头位。结果发现头姿势与深覆，Ⅱ类磨牙关系及反具有明显的相关性，与牙列拥挤情况没有明显的相关性。Kim等[14]研究111名，年龄6～18岁青少年的颈椎形态，发现头姿势与开之间具有相关性，骨性开组23.7%具有颈椎形态的异常，但是与牙性开组没有明显相关性。骨性Ⅲ类错下颌前突患者颈椎形态异常的发生率比矢状向正常患者高，进而对头姿势产生影响。总的来讲，矢状向上下颌骨差异越大(如下颌后缩的骨性Ⅱ类，下颌前突的骨性Ⅲ类，骨性开等Ⅱ类及Ⅲ类，开，深覆盖咬合关系)，颈椎形态异常的概率越大，对头姿势的影响也大。

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颞下颌关节

颞下颌关节的关节盘是下颌与颅面骨的连接间质，并与相关的韧带与肌肉连接，因此下颌骨、关节、颅面骨是相互作用的整体。颞下颌关节紊乱病(TMD)的经典诊断标准是精神病学建立的RDC(Research Diagnostic Criteria)研究所的TMD标准。许多研究者针对颅颈姿势的异常与头姿势及TMD之间是否具有相关性进行研究。2015年Faulin等[15]研究头姿势与TMD之间相关性，结果显示无论对象有无TMD，不同个体普遍存在头姿势异常表现。Matheus等[16]的研究也认为头姿势与TMD没有相关性。但是有些研究认为头姿势与TMD有关。Visscher等[17]研究表明不同下颌运动可能会产生不同负荷加载，从而影响头位。黄丽等[18]研究比较颞下颌关节紊乱病成人患者与健康者之间颈椎姿势。结果表明成人颞下颌关节紊乱病患者头呈前倾、前伸位。Ohmure等[19]研究头位与髁突位置关系，表明髁突位置越靠后头越表现前伸位，并且与髁突的这样位置关系会造成髁突与关节盘位置关系紊乱，从而引起TMD。尽管相关研究较多，但是关于TMD与头位之间的相关性至今还在争论，仍需长期、大样本量、以及三维方向的研究进行解释。

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下颌位置

Halazonetis[20]研究了面部形态对确定矫正头位的影响。该研究由有十年以上临床经验的7名正畸医生对同一对象不同颏部位置(分别向后2°，向前2°)的照片分别确定头位，结果显示不同颏部位置会影响医生对头位的主观判断，同时说明矫正头位的可重复性好但是主观性比自然头位强。Springate等[21]选取59名孩子的头颅侧位片研究自然姿势位(自觉平衡位)与生长发育的关系，结果显示面部的生长发育方向与头姿势具有很明显的相关性，而且颅颈姿势明显与下颌生长发育方向相关。颈椎的形态影响到颅面部的形态发育，从而间接地影响头姿势，其中颅面部骨骼发育包括牙槽骨的发育。
四、头位与美学

自然头位是临床观察对象最常用的头位，而头位确定是正畸、正颌、整形外科等评价面部协调，进行治疗设计以及比较手术前后效果时的重点内容。20世纪初，口腔正畸学由Angel建立的方丝弓技术逐渐发展起来，当时正畸治疗的目标仅局限于建立口内牙齿的稳定咬合。随着技术的发展、生活质量及美观要求的提高，软组织美观逐渐纳入正畸治疗目标。Steiner、Ricketts和Tweed-Merrifield等提出了牙齿、颌骨、颅面部以及软组织美观因素兼顾的头影测量分析方法，而头位的确定正是这些分析方法的基础。发明直丝弓技术的Andrews[22]认为面部的美学标准难以界定，并提出口颌面协调六个要素(six elements)将牙齿、颌骨及面部软组织的美与协调纳入正畸诊断。Andrews六要素中确定前额中心点(FFA点)是评价软组织侧貌的重要步骤，具体方法是：患者坐直背部不接触椅子，调整医生和患者头部高度在相同水平，根据前额的形态和位置确定FFA点，从本质来讲也是一种确定头位的方法(图1)。如此，评价美观的基础仍然是头位。最近许多面部协调美观评价相关的研究，应用三维影像技术，基于硬组织和软组织三维方向分析比例协调的面貌。

图1 Andrews六要素中第二要素，确定前额中心点并于切牙关系的分析

五、三维头位确定方法
随着影像学技术的发展，三维面相技术已能够实现带有色、性、质感的面部软组织数据获取和与CBCT的配准。这一进展使得对头位的研究进一步完善，不仅能够解释头位的上下倾斜，而且能够解释头位在左右以及前后方向的旋转，使同时观察软硬组织确定头位成为可能。传统头颅侧位片用额托、指针来固定患者头位尽量保持不动。CBCT带有确定头位的参考激光线，获取影像时根据参考激光线可调整患者头位，并指示患者不动。但是由于获取影像过程中会产生不同时间点的差异(如温度等外部环境的变化)、不同仪器的使用、头位转动以及个体差异(如情绪等个体内部环境变化)，测量之前再定位(reorientation)是不可缺少的过程。在三维虚拟空间当中确定头位关键步骤为确定坐标系。

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基于三维硬组织参考平面的头位确定方法

构建三维头颅的坐标系可以利用某些解剖标志点。目前仍然认为FH参考平面与地面平行时的头位最经典，也是在临床中最普遍应用的头位。该方法需选取双侧眶下点(Or)和耳点(P)建立FH平面[23,24]。由于三维空间中双侧眶下点和双侧耳点很难同时一致，因此需选取其中的3个点构建有意义的FH水平参考平面。Oh等[25]研究比较双侧眶下点和双侧耳点中随机选取三个参考标志点构建的4种不同FH平面，结果显示没有明显差异，但是建议选取双侧眶下点。Cevidanes等[26]研究三维空间中确定自然头位的可靠性。研究中硬组织解剖标志点选取双侧眶下点和双侧耳点，由经验不同的学生和专家的目测来确定自然头位，结果显示该方法具有可接受的可靠性。

目前三维颅面数据构建正中矢状面常用方法有ICP算法，PA算法，点构法。点构法应用位于颅面正中位置的解剖标志点构建正中矢状面(Median sagittal plane，MSP)。常用的解剖标志点有鼻根点(N点)、前鼻棘点(ANS点)、蝶鞍点(S点)、颅底点(Ba点)、枢椎齿突点(Dent点)。这些解剖标志点在头颅三维模型中的确定具有高度可重复性。普氏分析法(Procrustes analysis，PA)、迭代最近点法(interactive closest point, ICP)等分析方法是借助逆向工程软件构建颅面部正中矢状面。PA是在三维颅面重建的模型中选取双侧基本对称结构区域的几个解剖标志点，基于这些解剖标志点在逆向工程软件中计算几何中心点和矩阵，通过镜像操作得到三维颅面模型的镜像体，将所得的矩阵移到镜像后三维颅面模型，最后可得镜像体与原始体对称的三维数据生成对称平面。ICP是将三维颅面数据进行重建获得模型后，调整模型位置，进行镜像操作，对镜像后三维颅面模型与原始模型进行全局配准，使得对称平面生成。Xiong等[27]应用三维面相比较ICP和PA分别建立正中矢状面方法的可行性(图2)。结果显示两种方法应用在三维面相均有可行性。王斯维等[28]比较三种不同方法构建的正中矢状面之间的差异，结果表明ICP算法和利用S-N-Ba点的传统点构法之间没有统计学差异，但是这两种算法和PA算法之间有统计学差异。Damstra等[24]研究发现颅面部分别使用PA算法和点构法构建的正中矢状面之间有统计学差异。

图2 PA算法构建正中矢状面的流程

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基于三维软组织参考平面的头位确定方法

对软组织来讲，目前为止对自然头位的定义除了平视前方以外，没有明确的确定方法。有些软件专门用以确定三维空间当中头位的位置并利用软件自带的坐标系来建立头位、进行测量。Baik等[29]利用软组织N点作为坐标系的原点，构建正中矢状面、水平面和冠状面，该方法涉及到Camper’s平面确定头位，但是由于个体差异的存在，对不同个体使用同一参考值来确定水平面的方法存在个体误差(图3)。Lim等[30]利用三维面扫数据研究骨性Ⅲ类患者下颌后移手术(mandibular setback surgery, MSS)前后软组织的变化，坐标系以N点为原点，双侧外眦点(Ex)连线为X轴，使Y轴与X轴垂直，Z轴与XY平面垂直并与地面平行。

图3 应用三维面相建立坐标系

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展望

由于影像获取过程中产生误差，对影像进行再定位过程是必然的，为了得到近似患者实际状态的精准数据，需要不断探索。本综述涉及到头位的定义、影响因素、临床中的重要性以及确定方法。目前CBCT、三维面相、三维牙颌模型可进行多源三维数据整合，不仅可获得的患者个性化颅面三维数据，而且可实现个体颅面部三维方向的分析。随着影像技术的发展和应用，很快四维技术将可记录面部动态信息，使对牙、颌、关节、颅面复合体的静态和动态结合分析成为可能，提高临床医生诊断及治疗方向的精准性。

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