顱面形態(tài)三維自動(dòng)測(cè)量精度的比較研究

[摘要]目的:研發(fā)基于激光掃描的顱面三維形態(tài)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，分析該測(cè)量系統(tǒng)的精度。方法:采用激光掃描獲取顱面部軟組織三維信息，研發(fā)顱面形態(tài)三維可視化自動(dòng)測(cè)量軟件系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)30名志愿者的顱面部直接測(cè)量和激光掃描自動(dòng)測(cè)量的對(duì)比研究，分析三維自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的精確度。結(jié)果:本系統(tǒng)能對(duì)面部軟組織進(jìn)行52個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的定位，129個(gè)項(xiàng)目的三維自動(dòng)測(cè)量;本系統(tǒng)與直接測(cè)量的比較研究表明基于激光掃描的顱面三維測(cè)量精度較高，在60項(xiàng)線(xiàn)距測(cè)量中，差值小于1mm的項(xiàng)占 50%;在17項(xiàng)弧長(zhǎng)測(cè)量中，差值小于2mm的項(xiàng)占35.3%。結(jié)論:本顱面形態(tài)三維自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量項(xiàng)目全面，測(cè)量精度較高，在顱面形態(tài)的三維研究及顱面畸形的三維診斷和治療方面有廣泛的應(yīng)用前景。

[關(guān)鍵詞]顱面形態(tài);三維測(cè)量;激光掃描

[中圖分類(lèi)號(hào)]R783 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1008-6455(2010)03-0404-04

A study on the reliability of three-dimensional craniofacial measuring system

SONG Jian-wei1，HOU Yu-xia1，ZHANG Yan-ning2，SHI Jian-yu2，ZHAI Pei-fang2，LI Jiang-bo1，ZHOU Hong1

(1.Department of Orthodontics，Stomatological Hospital，Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710004，Shaanxi，China; 2.School of Computer Science，Northwestern Polytechnical University)

Abstract:ObjectiveThe study aimed to develop the three-dimensional auto measuring system of craniofacial soft tissue， and to analyze the reliability of the system.MethodsThe measuring software of craniofacial soft tissue was developed based on the laser scanner. 30 volunteers were selected to study the reliability of the system， which were analyses by comparing with the direct measurement.Results52 landmarks， 129 measurement items of craniofacial soft tissue can be done in this system. Compared with the direct measurement，the system has a better reliability. The different less than 1mm accounted to 50 percent in line measurement，and less than 2mm accounted to 35.3 percent. ConclusionThe characters of the 3D auto measuring system included: measuring item was full，the visualization was better， measuring precision was accurate relatively. The system was a useful， precise and rapid way to research the craniofacial soft tissue morphometry， especially for the large sample craniofacial soft tissue morphometry.

Key words:craniofacial mophometry;three-dimensional measurement;laser scanner

顱面形態(tài)三維重建和測(cè)量在口腔正畸學(xué)、正頜外科、法醫(yī)學(xué)、人類(lèi)學(xué)及美學(xué)等領(lǐng)域有重要的意義。在20世紀(jì)80年代，激光掃描首次被應(yīng)用于面部軟組織三維測(cè)量[1]。激光三維掃描具有非介入性、被測(cè)物體無(wú)形變、測(cè)量重復(fù)性好、測(cè)量精度最高的特點(diǎn)，是目前獲取面部軟組織數(shù)據(jù)最先進(jìn)的技術(shù)。本研究基于三維激光掃描建立精確、高效的面部軟組織三維重建和自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。

1材料和方法

1.1計(jì)算機(jī)軟硬件支持:計(jì)算機(jī):CPU Celeron3.2，內(nèi)存 512M，硬盤(pán) 160G，顯卡 Geforce 7300GS，操作系統(tǒng) Windows XP 三維激光掃描儀:Minolta VIVID910三維激光掃描儀(日本美能達(dá)公司)。開(kāi)發(fā)環(huán)境:Microsoft Visual C++，VTK可視化類(lèi)庫(kù)。

1.2顱面部標(biāo)志點(diǎn)和測(cè)量項(xiàng)目:參照Farkas顱面部表面直接測(cè)量法[2]，選取面部標(biāo)志點(diǎn)52個(gè)，正中矢狀面12個(gè)點(diǎn)，左右對(duì)稱(chēng)的點(diǎn)有20對(duì)(如圖1～2);129項(xiàng)測(cè)量項(xiàng)目，包括60項(xiàng)線(xiàn)距、17項(xiàng)弧長(zhǎng)、4項(xiàng)角度和48項(xiàng)比例指數(shù);其中絕對(duì)值測(cè)量項(xiàng)目頭面部24項(xiàng)，眶部23項(xiàng)，鼻部12項(xiàng)，口唇部18項(xiàng);比例指數(shù)包括水平向17項(xiàng)，垂直向20項(xiàng)，水平與垂直相比11項(xiàng)。

1.3測(cè)量系統(tǒng)的建立

1.3.1采集面部圖像:受試者自然姿勢(shì)位，眶耳平面與地面平行，睜眼，面部放松，雙眼平視前方;分別進(jìn)行正面、左45°、右45°位面部激光掃描;用RapidForm2004軟件對(duì)獲得的面部正側(cè)位圖像進(jìn)行拼接、匹配、整合為完整的三維人面圖像，處理后保存為vrnl 2.0格式。

1.3.2三維自動(dòng)可視化測(cè)量軟件:采用Visual C++編寫(xiě)軟件，OpenGL圖形平臺(tái)，自主研發(fā)顱面部軟組織三維自動(dòng)測(cè)量軟件，使用vrml格式數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)面部圖像的顯示和三維測(cè)量功能，全部操作過(guò)程采用人機(jī)對(duì)話(huà)和菜單選擇方式完成。按順序進(jìn)行52個(gè)定點(diǎn)，選擇全面測(cè)量可以進(jìn)行129項(xiàng)自動(dòng)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果直接輸出文檔，結(jié)果數(shù)據(jù)可復(fù)制到Excel表格進(jìn)行處理。

1.3.3三維自動(dòng)測(cè)量精度:選擇西安地區(qū)正常面型青年志愿者30例(男12例，女18例)，年齡18～25歲;軟組織直面型，左右對(duì)稱(chēng)，面部形態(tài)正常，無(wú)正頜、正畸及外傷史;2°≤ANB≤4°。對(duì)每位研究對(duì)象進(jìn)行面部激光掃描自動(dòng)測(cè)量和Farkas面部軟組織直接測(cè)量。測(cè)量結(jié)果采用SPSS12.0處理，每個(gè)測(cè)量項(xiàng)目進(jìn)行配對(duì)t檢驗(yàn)，分析自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度。

2結(jié)果

2.1顱面軟組織三維自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng):本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)激光掃描重建三維圖像的重現(xiàn)，可以將人面圖像顯示為三角片模式、散點(diǎn)模式以及充填模式，操作常采用充填模式(如圖3);并可對(duì)圖像任意縮放、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)，便于精確定點(diǎn)(如圖4～6)。實(shí)現(xiàn)面部軟組織三維測(cè)量，包括52個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，129項(xiàng)測(cè)量項(xiàng)目，測(cè)量結(jié)束時(shí)直接輸出結(jié)果文檔。

2.2三維自動(dòng)測(cè)量精度的比較研究

2.2.1正常面型顱面軟組織77項(xiàng)絕對(duì)值測(cè)量中，有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的占25項(xiàng)，包括16項(xiàng)線(xiàn)距，9項(xiàng)弧長(zhǎng);且主要為涉及下頜角點(diǎn)(gonion go)、耳屏上界切跡點(diǎn)(tragion t)的項(xiàng)目。角度測(cè)量均與直接測(cè)量法無(wú)顯著差異(見(jiàn)表1)。

2.2.2正常面型顱面軟組織48項(xiàng)比例指數(shù)差值中，有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的項(xiàng)目有14項(xiàng)，水平比例指數(shù)8項(xiàng)，垂直比例指數(shù)4項(xiàng)，水平與垂直比例指數(shù)2項(xiàng)，主要涉及t點(diǎn)、go點(diǎn)絕對(duì)值測(cè)量值與直接測(cè)量法有顯著差異項(xiàng)的比例指數(shù)，以及與弧長(zhǎng)有關(guān)的比例指數(shù)項(xiàng)(見(jiàn)表2)。

2.2.3測(cè)量結(jié)果差值分布表，在60項(xiàng)線(xiàn)距測(cè)量項(xiàng)目中，測(cè)量差值小于1mm的有30項(xiàng)(占50%)，小于2mm的有41項(xiàng)(占68.3%);在17項(xiàng)弧長(zhǎng)測(cè)量中，差值小于2mm的有6項(xiàng)，占35.3%(見(jiàn)表3)。

3討論

3.1自動(dòng)測(cè)量:本系統(tǒng)通過(guò)激光掃描獲取面部軟組織三維信息重構(gòu)面部三維模型，實(shí)現(xiàn)面部52個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的129項(xiàng)測(cè)量項(xiàng)目的自動(dòng)測(cè)量，測(cè)量省時(shí)省力，適于大樣本研究面部軟組織三維形態(tài)。任意定點(diǎn)后也可以選擇即時(shí)測(cè)量進(jìn)行任意兩或三點(diǎn)間線(xiàn)距、角度、弧長(zhǎng)的測(cè)量，所有測(cè)量結(jié)果均自動(dòng)生成數(shù)據(jù)文檔，利于后期數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

3.2測(cè)量項(xiàng)目全面:本課題組前期的研究初步實(shí)現(xiàn)面部軟組織激光掃描三維重建及43個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的56項(xiàng)點(diǎn)距測(cè)量[3]。本系統(tǒng)是前期軟件的優(yōu)化，具有測(cè)量項(xiàng)目較多較全的特點(diǎn)，包括52個(gè)標(biāo)志點(diǎn)和129項(xiàng)測(cè)量。Aung[4]等人的激光三維測(cè)量系統(tǒng)包括41個(gè)標(biāo)志點(diǎn)83個(gè)測(cè)量項(xiàng)目，其中表面測(cè)量17項(xiàng)。許天民等人[5]開(kāi)發(fā)激光測(cè)量系統(tǒng)可進(jìn)行13個(gè)定點(diǎn)，3項(xiàng)線(xiàn)距，2個(gè)角度測(cè)量。白玉興[6-7]等人利用數(shù)字化面部軟組織三維重建和測(cè)量系統(tǒng)可進(jìn)行14項(xiàng)角度、13項(xiàng)線(xiàn)距、5項(xiàng)比率測(cè)量。另外，面部的平衡和協(xié)調(diào)，并不僅在于測(cè)量的角度、線(xiàn)距的絕對(duì)值，而是由于相互之間的比例關(guān)系所引起的，面部的比例更為重要[2]。本系統(tǒng)的測(cè)量項(xiàng)目包括比例指數(shù)48項(xiàng)，其中水平比例17項(xiàng)，垂直比例20項(xiàng)，水平與垂直比例11項(xiàng)。對(duì)于面部比例指數(shù)的測(cè)量，可以對(duì)面部形態(tài)進(jìn)行更全面的測(cè)量分析研究。

3.3可視化效果好:本測(cè)量系統(tǒng)可視化效果較好，測(cè)量時(shí)可以對(duì)人面模型進(jìn)行任意方向的旋轉(zhuǎn)，利于精確定點(diǎn)，如頦下點(diǎn)(gnathion gn)定點(diǎn)時(shí)可以將人面向上向后旋轉(zhuǎn)成仰視暴露頦下方而準(zhǔn)確定gn點(diǎn);可以對(duì)圖像進(jìn)行任意放大和縮小，對(duì)于標(biāo)志點(diǎn)比較密集的部位，可以對(duì)模型進(jìn)行放大以保證視圖清晰、定點(diǎn)準(zhǔn)確。定點(diǎn)數(shù)字提示順序，出現(xiàn)錯(cuò)誤可及時(shí)糾正;所有操作采用菜單提示，人機(jī)交互使用，用戶(hù)使用方便。

3.4測(cè)量精度較高:激光三維掃描測(cè)量具有精度高，可重復(fù)性好的特點(diǎn)，Kau[8]的研究表明，首次面部的三維激光掃描與3s后掃描的形態(tài)差值為0.3mm，與3天后掃描的差值為0.4mm。Lynnerup[9]對(duì)激光掃描精度的研究表明，干頭顱的5個(gè)激光掃描測(cè)量項(xiàng)目與手工直接測(cè)量的差值均在1mm左右。Aung等[4]研發(fā)的激光掃描系統(tǒng)能以0.5mm的精度重建面部軟組織圖像，并進(jìn)行41個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，83個(gè)項(xiàng)目的三維測(cè)量，30名志愿者的激光掃描測(cè)量和直接測(cè)量比較表明，有12項(xiàng)差值小于1.0mm(14.0%)，16項(xiàng)差值小于1.5mm(19.0%)。Kovacs[10]等人在嚴(yán)格控制掃描條件下，發(fā)現(xiàn)有50%的線(xiàn)距測(cè)量項(xiàng)誤差小于2mm。本研究通過(guò)對(duì)30位志愿者激光三維測(cè)量和直接測(cè)量的對(duì)比表明，在60項(xiàng)線(xiàn)距測(cè)量中，差值小于1mm的有30項(xiàng)(占50%)，小于2mm的有41項(xiàng)(占68.3%)。與國(guó)外學(xué)者Aung 和Kovacs研究相比，本系統(tǒng)具有更高的精確性。人體測(cè)量手冊(cè)要求人體測(cè)量誤差不超過(guò)2～3mm，本系統(tǒng)的三維測(cè)量精度，基本達(dá)到臨床要求。

本研究結(jié)果中仍有19項(xiàng)點(diǎn)距差值大于2mm(占31.7%)，17項(xiàng)弧長(zhǎng)測(cè)量項(xiàng)目中差值小于2mm的僅有6項(xiàng)(占35.3%)?；￠L(zhǎng)的測(cè)量誤差與測(cè)量算法有關(guān)，有待在今后研究中進(jìn)一步優(yōu)化。點(diǎn)距誤差的產(chǎn)生與go、t點(diǎn)定點(diǎn)困難有關(guān)，go點(diǎn)需要觸摸方可在面部準(zhǔn)確定點(diǎn)，在直接測(cè)量時(shí)能準(zhǔn)確定位，而激光三維圖像只能通過(guò)視圖估計(jì)，因此定點(diǎn)誤差較大;在激光掃描三維重建圖像中，耳屏前區(qū)因頭發(fā)阻擋影響該處的重建可能會(huì)影響t點(diǎn)定點(diǎn)以及其相關(guān)項(xiàng)目的測(cè)量。今后的研究中可以進(jìn)行g(shù)o點(diǎn)掃描前貼反光材料和帶頭帽等處理降低定點(diǎn)誤差。

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[收稿日期]2009-12-02 [修回日期]2010-02-20

編輯/何志斌