NECTEC

การประมวลผลภาพทางการแพทยเพื่อชวยงานทันตกรรมจัดฟน Medical Imaging Aided Orthodontics

จันทรจิรา สินทนะโยธิน

ศูนยเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกสและคอมพิวเตอรแหงชาติ 112 อุทยานวิทยาศาสตรแหงประเทศไทย หมู 1 ถนนพหลโยธิน ตําบล คลองหนึ่ง อําเภอคลองหลวง จังหวัดปทุมธานี 12120

โทร. 0-2564-6900 ตอ 2461 โทรสาร 0-2564-6774 E-mail: chanjira.sinthanayothin@nectec.or.th บทคัดยอ บทความนี้จะกลาวถึง การพัฒนาโปรแกรมคอมพิวเตอรชวยงานทันตกรรมจัดฟน โดยเริ่มจากการพัฒนาโปรแกรมที่ชวยวาดรอยของรูปราง กะโหลก ศรีษะใบหนาดานขาง ทั้งที่สวนที่เปนโครงสรางกระดูก และเนื้อเยื่อ Soft tissue จากจุดสําคัญในแผนภาพรังสีเซฟาโลเมตริก ที่กําหนดโดยทันตแพทย คํานวณคาของมุมและระยะตางๆ ที่เกิดขึ้น (Cephalometric Analysis) ที่มีความสําคัญและใชวิเคราะหโครงสรางลักษณะใบหนาดานขาง เพื่อเปนเครื่องมือชวยใหทราบถึงปญหาความผิดปกติของโครงสรางกระโหลกศรีษะใบหนาและฟน และทําการเปรียบเทียบกับคามาตราฐานของคนไทยโดยเฉพาะ และ การพัฒนาตอยอด ซึ่งแตเดิมจะทํากันใน 2 มิติ ทําใหมีขอจํากัดในเรื่องของการประมาณคาการวิเคราะห และไดขอมูลที่อาจผิดพลาดได การพัฒนาตอมา จึงแบงออกเปน 2 สวนสําคัญ คือ การพัฒนาตอยอดจากพื้นฐานภาพ X-ray ใน 2 มิติ ใหออกมาในรูปแบบ 3 มิติ และการตอยอดโดยการพัฒนาโปรแกรมคอมพิวเตอรเพื่อนําภาพไดคอม 3 มิติ จากเครื่อง CT-Scan มาชวยงานทางดานทันตกรรม ตลอดจนการจําลองการเปลี่ยนแปลงของใบหนาใน 3 มิติอีกดวย คําสําคัญ: ทันตกรรมจัดฟน, เซฟฟาโลเมตริกซ, วิเคราะหภาพ PA, การสรางภาพ 3D จากหลายมุม, 3Dรีคอนสตัคชัน, การจําลอง Abstract This paper presents the development of computerized aided orthodontics as followings: The algorithm, which enables dentists to draw cephalometric trace lines such as the lateral structure of a skull, the soft surface from the landmarks was proposed. Then the angles and the distances for cephalometric analysis were calculated and allowed the analyses on the lateral section of the face to detect the structural abnormalities of the skull and teeth in comparison to the Thai standard parameters. Then some further development on medical imaging aided orthodontics, which divided into 2 parts has been discussed. The first part has been continued from the previous work by considering the x-ray images in both lateral and front direction (PA). Also the algorithm to create the 3D facial model from different direction of 2D photos has been developed. The second part is the rendering the 3D model of skull, soft tissue from the series DICOM images. The data came from I-CAT (mini CT scan) to assist the orthodontics work. Also the further development in simulation of 3D Facial changed after orthodontics treatment or surgery has been shown. Key Words: Orthodontics, Cephalometric Analysis, PA Analysis, Multi-view reconstruction, 3D Reconstruction, Simulation

NECTEC

1. บทนํา ปจจุบันในการจัดฟน ทันตแพทยจะทําการถายภาพเอกซเรยดานขางของใบหนา แลวทําการราง เคาโครงของใบหนา กราม ฟน พรอมทั้งคํานวณระยะ และมุมตางๆ ดวยอุปกรณเครื่องเขียน ซึ่งอาจจะทําใหคอนขางเสียเวลา และไมสะดวกตอการจัดเก็บขอมูลตลอดจนการเปรียบเทียบขอมูลของผูปวยรายเดียวกันที่เขามาทําการดัดฟนในแตละชวงระยะเวลา ดังนั้นศูนยเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกสและคอมพิวเตอรแหงชาติ รวมกับทางคณะทันตแพทยศาสตร มหาวิทยาลัยมหิดล รวมกันพัฒนาโปรแกรม CephSmile ซึ่งเปนโปรแกรมคอมพิวเตอรที่ชวยชวยวาดรอยของรูปราง กะโหลก ศรีษะใบหนาดานขาง ทั้งที่สวนที่เปนโครงสรางกระดูก และเนื้อเยื่อ Soft tissue จากจุดสําคัญในแผนภาพรังสีเซฟาโลเมตริก ที่กําหนดโดยทันตแพทย คํานวณคาของมุมและระยะตางๆ ที่เกิดขึ้น (Cephalometric Analysis) ที่มีความสําคัญและใชวิเคราะหโครงสรางลักษณะใบหนาดานขาง เพื่อเปนเครื่องมือชวยใหทราบถึงปญหาความผิดปกติของโครงสรางกระโหลกศรีษะใบหนาและฟน ดวยเทคนิคทางดาน Numerical method ตางๆ ไดถูกนํามาประยุกตใชในเรื่องของการ fit curve, smooth เพื่อใหไดเคาโครงของใบหนาจากจุด landmark เพียงไมกี่จุด ตลอดจนการคํานวณหาคามุม และระยะตางๆ ตามหลักการทางตรีโกนมิติอยางอัตโนมัติ และทําการเปรียบเทียบกับคามาตราฐานของคนไทยโดยเฉพาะ ซึ่งขณะนี้โปรแกรม CephSmile ก็ไดเขาสูเชิงพานิชยแลว การพัฒนาโปรแกรมคอมพิวเตอรชวยงานทันตกรรมจัดฟนถัดมา จึงแบงออกเปน 2 สวนสําคัญ คือ การพัฒนาตอยอดโดยใชพ้ืนฐานภาพ X-ray ใน 2 มิติ ใหออกมาในรูปแบบ 3 มิติ เพื่อที่จะเนนใหใชงานไดในคลีนิคทันตกรรม และโรงพยาบาลขนาดเล็กที่ไมจําเปนตองใชเครื่องมือขนาดใหญ และการตอยอดโดยการพัฒนาโปรแกรมคอมพิวเตอรเพื่อนําภาพไดคอมจากเครื่อง CT-Scan มาชวยงานทางดานทันตกรรม โดยมีเปาหมายไปที่โรงพยาบาลขนาดใหญ และการวางแผนการรักษา ที่จะเปนตองมีการถายภาพ CT-Scan อีกดวย 2. การวิเคราะหภาพรังสีเซฟาโลเมตริก และการจําลองการเปลี่ยนแปลงของใบหนา ใน 2 มิต ิ การวิเคราะหภาพรังสีเซฟาโลเมตริก เริ่มจากการปรับเปลี่ยนภาพเอกซเรยใหคมชัดขึ้นโดยเทคนิค Local Contrast Enhancement ซึ่งจะทําใหภาพเอกซเรยโดยรวมมีความชัดเจนขึ้น และบริเวณที่เปน Soft tissue ก็จะเห็นเดนชัดขึ้นดวย ซึ่งจะทําใหผูใชงานสามารถกําหนด Landmark ตางๆ ไดถูกตองและมีประสิทธิภาพมากขึ้น หลังจากนั้นจึงทําการซอนทับกับภาพใบหนาดานขาง ดวยเทคนิค Registration การกําหนด landmarks ในสวนของการวิเคราะหคาความสัมพันธของกระโหลก กระดูก และ ฟน ไดทําการพัฒนาใหใชการวิเคราะหภาพ Cephalometric Analysis แบบ Mahidol ซึ่งมีคาที่เหมาะสําหรับคนไทย นอกจากนี้ก็มีการวิเคราะห Cephalometric Analysis แบบ Downs, Steiner, Tweed, Jaraback, และ การวิเคราะหแบบ Rickett และ การวิเคราะหแบบ Harvold ซึ่งการวิเคราะหที่กลาวมานี้ ไดถูกทําการคัดเลือกจาก การวิเคราะหโครงภาพหนาคนที่ทันตแพทยจัดฟนในเมืองไทยนิยมใช ในสวนนี้ ซอฟตแวรที่ไดพัฒนา สามารถคํานวณคาตัวแปรตางๆ ตามหลักคณิตศาสตร และตรีโกณมิติ ดังรูปที่ 1 นอกจากนี้ก็เทียบความสัมพันธกับคาตัวแปรมาตรฐานของคนไทยดวย ซึ่งก็จะทําใหโปรแกรมมีความเหมาะสมกับการใชงานกับคนไทยมากขึ้น นอกจากนี้ไดมีการพัฒนาใหสามารถจําลองใบหนาภายหลังการดัดฟนไดดังรูปที่ 2 ซึ่งไดนําวิธีการคํานวณการหาการเปลี่ยนแปลงของโครงใบหนาและภาพ (Grid) โดยใช Thin Plate Spline [1] ผสมผสานเขากับ เทคนิคทางดานคณิตศาสตร Interpolation และ Geometric Transformation ตลอดจน Image Registration เพื่อที่คํานวณการเปลี่ยนแปลงหรือบิดเบือนของภาพใบหนาที่เกิดขึ้น ในสวนนี้ไดอางอิงจากคาทางสถิติของการเปลี่ยนแปลงรูปหนาหลังการดัดฟนของคนไทยที่ไดมาทําคนไขจัดฟน

NECTEC

ประมาณ 50 ราย (คาความสัมพันธตางๆ ไดจากคณะทันตแพทย มหาวิทยาลัยมหิดล) ซึ่งจะทําใหไดรูปหนาที่จําลองไดเหมือนจริงสําหรับคนไทย รูปที่ 1: การวิเคราะหภาพรังสีเซฟาโลเมตริก รูปที่ 2: การจําลองการเปลี่ยนแปลงของใบหนาหลังการจัดฟนใน 2 มิติ 3. การวิเคราะหภาพ X-ray และ ภาพใบหนา เชงิ 3 มิต ิ ในสวนนี้เปนการพัฒนาภาพจาก 2 มิติ ใหแสดงออกมาในรูปแบบ 3 มิติ โดยในสวนของภาพ x-ray จะตองมีการวิเคราะหใน 2 สวนหลักๆ ไดแก การพัฒนา Algorithm สําหรับCephalometric Tracing Analysis on Lateral X-ray image หรือที่เรียกวา Cephalometric Analysis ดังรูปที่ 3 (ซาย) และการพัฒนา Algorithm สําหรับการวิเคราะห Cephalometric Tracing Analysis on Frontal X-ray image หรือที่เรียกวา PA Analysis ดังรูปที่ 3 (ขวา) ซึ่งจะใชเทคนิคใกลเคียงกับการวิเคราะหภาพ x-ray ดานขางดังที่ไดกลาวมาในหัวขอที่ 2 นั่นเอง ในสวนของภาพใบหนา จากเดิมที่ใชภาพทางดานขาง เราก็สามารถนําภาพในหลายมุมมองไดแกภาพดานหนา และดานขาง มาจัดสราง Model ของภาพใบหนาใน 3 มิติได ซึ่งในที่นี้ตองมีการจัดสรางแบบจําลองใบหนาขึ้นกอน ในที่นี้เราไดนําเอาแบบจําลอง 3 มิติมาจาก CD-Rom ที่มากับหนังสือทางดานคอมพิวเตอรกราฟฟก [2] แลวหาอัลกอริธึมที่จะทําการปรับเปลี่ยนแบบจําลองใหเปนไปตามโครงหนาที่ตองการ แลวจึงนํา Texture เขาไปติดที่โมเดลดวย UV mapping ดังแสดงในรูปที่ 4

NECTEC

รูปที่ 3: Cephalometric Analysis: Lateral Analysis และ PA Analysis

รูปที่ 4: การสรางโมเดลใบหนา 3 มิติ จากภาพดานหนา และ ดานขาง (ตัวอยางภาพใบหนา และแบบจําลองไดจาก Ref [2]) 4. การวิเคราะหภาพไดคอม จากเครื่อง I-CAT สําหรับโรงพยาบาลขนาดใหญ ที่ตองการรายละเอียดของผูปวยเพื่อใชในงานทันตกรรมจัดฟน ผาตัด และอื่นๆ โดยการเก็บขอมูลใหไดขอมูลครบถวนเพื่อใชในการวิเคราะหในหลายๆ เรื่องพรอมกัน การถาย CT Scan จึงเขามามีบทบาท และไดมีเครื่อง CT-Scanner ขนาดเล็กที่มีช่ือวา I-CAT สําหรับถายภาพเพื่องานทันตกรรมเขามาในราคาที่ไมแพงนักเมื่อเทียบกับ CT Scanner ทั่วไป ซึ่งใหขอมูลเปนภาพ DICOM แต Software ที่จะใชในการ Rendering ใหไดภาพ 3 มิติ หรือ ดําเนินการวิเคราะหในรูปแบบตางๆ

NECTEC

ยังมีราคาสูง จึงไดมีการคิดพัฒนาการวิเคราะหภาพ DICOM ใหเปนไปตามความตองการของทันตแพทย และเกิดประโยชนสูงสุด ในที่นี้เราเริ่มจากการอานภาพ DICOM และสามารถแสดงภาพตัดขวางในแนวตางๆ ได พรอมกันนี้ก็พัฒนาอัลกอริธึม เพื่อที่จะแสดงภาพ Panoramic ของฟน ดังแสดงใหเห็นดังภาพที่ 5 ซึ่งการกําหนดตําแหนงของเสน Curve ที่แสดงแนวของ Panoramic view ที่เหมาะสม จะใหภาพที่มีประโยชนตอทันตแพทย ในรูปที่ 5 ภาพ Panoramic view จะแสดงเสนประสาทของคนไขไดอยางชัดเจน การสรางภาพ Panoramic นี้สามารถกระทําไดโดยใชเทคนิคการประมวลผลภาพหลายสวนประกอบกัน รวมไปถึงการ การ fitting curve ดวย cubic spline ในสวนของการแสดงภาพใน 3 มิติ ไดใช OpenGL ในการ Display และการหมุนภาพตางๆ [3]

รูปที่ 5: การสราง Dental Panoramic Tomography จากภาพ DICOM ที่ไดจากเครื่อง I-CAT ถัดมาก็จะเปนการพัฒนาอัลกอริธึม สําหรับการ Rendering ภาพ 3 มิติ จากภาพ DICOM ในที่นี้ ไดใชเทคนิค Marching Cube ซึ่งเปนเทคนิคที่สามารถใชสราง Surface ของโมเดล 3 มิติ ไดอยางรวดเร็ว [4] (Marching Cube ไดถูกคิดคนขึ้นในป 1985 และมีการจดสิทธิบัตรไว แตสถานภาพในปจจุบัน สามารถที่จะนําเทคนิคนี้มาใชได เพราะระยะเวลาของสิทธิบัตรดังกลาวไดหมดลงแลว) โดยปกติ เมื่อผูใชตองการทําการ Rendering ภาพ 3 มิติขึ้นมา จะตองทําการ Segment ภาพ DICOM ในบริเวณที่ตองการ วาตองการที่จะ Render ขอมูลสวนใดใหเปน Model ใน 3 มิติ ภาพที่ 6 แสดงการ Render ของกระโหลกศรีษะ และ ภาพที่ 7 แสดงการ Render ของ Soft Tissue ตามลําดับ โมเดลใน 3 มิติ ที่ไดนี้ สามารถนําไปใชในการวิเคราะห Cephalometric Analysis เพื่องานทันตกรรมจัดฟนและอื่นๆ ไดเชนเดียวกัน และ สามารถนําไปใชในหัวขอถัดไปได

NECTEC

รูปที่ 6: การ Rendering กระโหลกศรีษะจาก ภาพ DICOM ดวยเทคนิค Marching Cube

รูปที่ 7 : การ Rendering Soft Tissue จากภาพ DICOM ดวยเทคนิค Marching Cube 5. การจําลองการเปลี่ยนแปลงของใบหนาใน 3 มิต ิ โดยปกติเมื่อคนไขเขารับการรักษาทางทันตกรรมไมวาจะเรื่องของการจัดฟน ผาตัด หรือศัลยกรรม แนนอนวาคนไขยอมอยากที่จะทราบแนวโนมการเปลี่ยนแปลงของใบหนาวาจะเปนอยางไร การพัฒนาโปรแกรมที่ชวยจําลองการเปลี่ยนแปลงใบหนา จึงเปนที่ตองการของคนไข เพื่อจะไดรับทราบ และชวยในการตัดสินใจไดอีกทาง ในหัวขอที่ 2 ไดกลาวถึงการจําลองใบหนาใน 2 มิติ ไปแลว สําหรับหัวขอนี้จะเปนการจําลองใบหนาใน 3 มิติ (งานวิจัยในสวนนี้ ไดพัฒนาขึ้นในโครงการความรวมมือระหวาง

NECTEC

NECTEC และบริษัท IDT Ltd. U.K, ซึ่งผูเขียนไดไปทําวิจัยที่อังกฤษมาเปนเวลา 3 เดือน ขอมูลทั้ง ภาพ DICOM และ Surface Scan เปนขอมูลของตัวผูเขียนเองโดยไดจากเครื่อง I-CAT ที่บรษิัท IDT Ltd. เปน Distributor และ Surface Scan ไดจาก บริษัท Imaging Science ที่ไดมาถายภาพใหชวงที่ทําวิจัยเรื่องนี้) สําหรับขอมูลที่ไดจาก Surface Scanner จะอยูในรูปของ VRML format ซึ่งจะประกอบไปดวยสามเหลี่ยมเล็กๆ ที่มารวมตัวกันจนเปนพื้นผิวของภาพใบหนานั่นเอง สามารถแสดงใหเห็นไดดังภาพที่ 8 นอกจากนี้ในงานวิจัยนี้จําเปนตองใชขอมูล Model ใน 3 มิติ ของกระโหลก และ Soft tissue ใน format ของ STL เพื่อใชในการ Registration กับขอมูลจาก Surface Scan ที่อยูใน format VRML เทคนิคการ Registration จะใชการกําหนด Landmarks 3 จุด และ User ที่การเลื่อน Model ทั้ง 2 ใหตรงกันก็จะสามารถแสดงภาพของกระโหลกศรีษะภายใตใบหนาที่ไดจาก Surface Scanner ดังภาพที่ 9

รูปที่ 8: ขอมูลที่ไดจาก Surface Scanner ซึ่งจะประกอบไปดวยสามเหลี่ยมเล็กๆ มากมายกลายเปนพื้นผิวของภาพใบหนา รูปที่ 9: รูปแรกแสดงภาพที่ไดจาก CT-Scan และ Surface Scan กอนการ Registration สวนภาพที่เหลือ แสดง

ภาพหลังการ Registration

NECTEC

หลังจากที่ทําการ Registration แลว เราสามารถพัฒนาโปรแกรมเพื่อทําการสราง Mesh หรือโครงตาขายไปยังพื้นผิวของภาพใบหนา การสรางพื้นผิว จะตองมีการ Fit โครงตาขายไปยังจุดตางๆ ในที่นี้จะใชเทคนิค Cubic Spline fitting [5] ดังแสดงใหเห็นไดดังภาพที่ 10 จากนั้นก็จะทําการ fit โครงขายลงไปยังพื้นผิวของใบหนาดังภาพที่ 11 ซึ่งในการที่จะทําการ Fit โครงตาขายดังกลาว ลงไปยังพื้นผิวของใบหนาไดนั้น User จําเปนตองมีการ Interaction กับวัตถุใน 3 มิติ ในที่นี้ผูพัฒนา จําเปนที่จะตองทราบความสัมพันธระหวางพิกัดของวินโดส และ พิกัดของวัตถุในสามมิติ วามีความสัมพันธกันอยางไร [6, 7] ซึ่งความสัมพันธดังกลาว อาจจะแสดงใหเห็นเปรียบเทียบไดดังภาพที่ 12 จากนั้นจึงจําลองการเลื่อนกระดูก อาทิเชน กราม ฟน เปนตน เพื่อจําลองการเปลี่ยนแปลงของโครงตาขายที่ไดออกแบบไว ดังภาพที่ 13 ซึ่งแสดงการเลื่อนของกราม จากนั้นก็จึงจําลองการเปลี่ยนแปลงของใบหนาได โดยใชเทคนิค Thin Plate Spline ใน 3 มิติ ในการจําลองการเปลี่ยนแปลงของใบหนาหรือ Soft Tissueใน 3 มิติ ซึ่งผลการจําลองที่ไดสามารถแสดงใหเห็นไดดังภาพที่ 14 รูปที่ 10: การทํา-fitting จุดที่กระจัดกระจายใหอยูในรูปของ Mesh รูปที่ 11: แสดงการ Fit Mesh ไปที่พ้ืนผิวของใบหนา

รูปที่ 13: แสดงการเลื่อนกรามที่มีผลตอ Soft Tissue

รูปที่ 12: ความสัมพันธระหวาง Screen Coordinates และ Object Coordinates

NECTEC

กอนการจําลองการเปลี่ยนแปลง

รูปที่ 14: จําลองการเปลี่ยนแปลงของใบหนาดวย Thin Plate Spline

NECTEC

6. บทสรุป

ดังที่ไดกลาวมาแลว จะเห็นวาการประมวลผลภาพทางการแพทย เริ่มเขามามีบทบาทสําคัญทางดานงานทันตกรรมจัดฟน และ สามารถชวยใหทันตแพทยทําการวิเคราะหความผิดปกติตางๆ ไดอยางสะดวกและรวดเร็วมากขึ้น นอกจากนี้เทคนิคตางๆ ที่ไดนําเสนอก็สามารถนําไปประยุกตใชกับงานทันตกรรมอื่นๆ ไดเชนเดียวกัน

เอกสารอางอิง [1] Bookstein, F. L. "Principal Warps: Thin Plate Splines and the Decomposition of Deformations." IEEE Trans. PAMI. Vol. 11, No.6, 567-585, June 1989, available on line at http://www.csee.wvu.edu/~ross/courses/sp05/biom693/reading/BooksteinTPS_PAMI89.pdf [2] Ken Brilliant, Building a Digital Human. Charles River Media Graphics Series. Cover CD [3] Rotations in Three Dimensions:- Part Three: Rotation About an Arbitrary Axis http://www.cprogramming.com/tutorial/3d/rotation.html [4] Lorensen WE, Cline HE. Marching Cubes: A High Resolution 3D Surface Construction Algorithm. Computer Graphics, Volume 21, 1987. Page 163-169, Available on line at http://www.cs.virginia.edu/~gfx/Courses/2002/BigData/papers/Volume%20Rendering/Marching%20Cubes%20-%20A%20High%20Resolution%20Surface%20Reconstruction%20Algorithm.pdf [5] Spline: http://www.frank-buss.de/spline.html [6] Using gluUnProject, By: Luke Benstead http://nehe.gamedev.net/data/articles/article.asp?article=13 [7] Line equation in 3D. http://mathforum.org/dr.math/faq/formulas/faq.ag3.html

ดร. จันทรจิรา สินทนะโยธิน สําเร็จการศึกษาปริญญาตรีเกียรตินิยมอันดับ 1 สาขาฟสิกส จากมหาวิทยาลัยเชียงใหม เมื่อป พ.ศ. 2538 สําเร็จการศึกษาปริญญาโทสาขา Physics of Laser Communication) ดวย Distinction จาก University of Essex พ.ศ. 2539 และสําเร็จการศึกษาปริญญาเอกสาขา Physics (Imaging) ที่ King’s College, University of London ประเทศอังกฤษ เมื่อป พ.ศ. 2542 จากนั้นไดเริ่มทํางานในตําแหนงนักวิจัยที่เนคเทคตั้งแตป พ.ศ. 2543 จนถึงปจจุบัน ลาสุดไดรับคัดเลือกใหไดรับรางวัล นักเทคโนโลยีรุนใหม จากมูลนิธิสงเสริมวิทยาศาสตรในพระบรม

ราชูปถัมภเมื่อป พ.ศ. 2546