基于白光的三維表面成像技術在臨床及科研應用的研究進展

王宇婷, 王震東, 嚴 斌， 張衛(wèi)兵， 王 林

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綜 述

基于白光的三維表面成像技術在臨床及科研應用的研究進展

王宇婷, 王震東, 嚴 斌， 張衛(wèi)兵， 王 林

三維表面成像； 三維立體攝影； 口腔正畸； 正頜外科; 美容美體

基于白光的三維表面成像技術在可見光下利用2個及以上的照相機或攝像頭對被測物體進行多角度拍攝，并將圖像處理合并，形成具有長、寬、深3個維度信息的立體形態(tài)，同時逼真地展現(xiàn)被測物體表面形態(tài)和色澤特征。

1 三維表面攝影技術發(fā)展簡史

在三維立體攝影技術出現(xiàn)以前，醫(yī)療圖像采集和科學研究普遍基于二維平面圖像。隨著CT/CBCT和MRI的出現(xiàn)，三維立體成像逐漸發(fā)展起來。雖然CT/CBCT和MRI對被測物體內(nèi)部軟硬組織測量的敏感性和準確度較高，但在被測物表面結構特征的采集上相對薄弱。三維表面成像技術彌補了這一不足。它通過在三維空間里對被測物體表面數(shù)據(jù)進行采集、處理和分析，生成被測物體表面形態(tài)、結構、紋理、色澤的三維圖像，從而直觀逼真地反映被測物的表面特征。

從1940年開始，三維表面成像技術已經(jīng)可以對被測物體表面復雜性進行測量，其主要技術支持包括立體攝影測量技術、差分圖像技術、摩爾云紋測量技術、液晶掃描、光亮度掃描、激光掃描、結構光、立體光刻成像技術以及錄像機系統(tǒng)等。但由于拍攝過程耗時較長、生成圖像兼容性較差、拍攝成本較高等因素的局限，應用于工程機械領域居多，一直未能常規(guī)應用于醫(yī)學臨床。

在過去的十幾年間，由于光學通訊系統(tǒng)的發(fā)展，計算機生成精確三維圖像以及處理大批量數(shù)據(jù)的效率提高，大大縮短了拍攝時間，使三維表面成像技術逐漸應用于臨床診療和實驗研究。目前市面上已有的三維表面攝影系統(tǒng)有3dMD、Axisthree、Canfiel、Canfield和 Di3D等，根據(jù)其各自特點有不同的適用范圍[1]。

2 基于白光的三維表面成像技術特點及評價

2.1 成像原理 基于白光的三維表面成像技術是依據(jù)三維立體攝影技術，采用可見光將特定的光柵條紋投影到被測對象表面，借助2個或2個以上相機從多個方向?qū)鈻鸥缮鏃l紋進行同步拍攝，利用光學拍照定位技術和光柵測量原理，在極短時間內(nèi)獲得被測物表面的完整點云，生成同一被測物在不同角度上的多幅數(shù)字圖像，并對獲取的圖像信息進行處理和計算，得到物體表面上各點精確的三維坐標[2]，從而生成包含物體表面信息的三維立體圖像。2.2 特點與優(yōu)勢 與現(xiàn)有的其他三維立體攝影技術相比，基于白光的三維表面成像技術具有以下特點：⑴拍攝時間短。拍攝在1～2 ms內(nèi)完成，可有效避免患者表情動作帶來的偽影和誤差，尤其適合嬰幼兒、兒童及其他不合作患者的拍攝[1,3-4]。⑵非介入，無損傷。避免激光掃描過程中對眼睛造成的刺激[5]，避免CT成像過程中的輻射損傷[6]，在自然光下進行拍攝，圖像采集過程中拍攝裝置與身體無接觸，避免由于器材重量或器材插入造成的軟組織形變；患者采取最自然舒適的坐姿和頭位，減少閉眼和仰臥等帶來的誤差，拍攝過程中患者無不適感[7]。⑶直觀逼真地反映被測物表面特征。利用可見光投射被測物，可獲取被測物體的真彩圖像，直觀地顯示患者皮膚的凹凸起伏、表面色澤、紋理等，尤其適用于整形美容診療及皮膚表面問題的研究[8-9]。⑷圖像重疊、分析、計算更方便快捷。軟件算法對圖像進行重疊、配準，可直觀顯示前后圖像的變化，并進行距離、長度和體積的相關計算，為制定和選擇合理的治療方案、評估治療效果、追蹤效果穩(wěn)定性、研究生長變化規(guī)律、研究累及外觀的進行性病變等提供了有力的技術支持[10]。⑸可與其他技術合并使用?？梢暬浖蓪?D表面圖像與CT、CBCT或數(shù)字化研究模型相融合，生成兼有內(nèi)外軟硬組織的三維立體物象，建立人體組織生物力學模型，可追蹤患者的生長變化并模擬手術過程[1,11]。⑹記錄三維動態(tài)影像。市面上的一些三維表面成像系統(tǒng)(如3dMDdynamic動態(tài)4D系統(tǒng))可對三維表面圖像畸形連續(xù)記錄，生成動態(tài)三維圖像，為顱頜面部的動態(tài)分析提供依據(jù)[1]。2.3 精確度與準確度評價 在準確度和精確度方面，Lübbers等[12]在人體頭部模型上對比了使用標準的滑動卡尺、卷尺測量與3dMD測量的結果，兩種方法測量結果的平均誤差為0.2 mm。Aynechi等[13]對10例成人患者進行了人體學測量和白光三維攝影測量，發(fā)現(xiàn)二者具有相似的準確度和精確度；個別組數(shù)據(jù)差異有統(tǒng)計學意義，但該差異尚不具備臨床意義(>2 mm)。Metzger等[14]認為，基于白光三維成像系統(tǒng)在軟組織表面成像的準確度上明顯優(yōu)于CBCT。當前的研究普遍認為，白光三維表面成像技術具有較高的可信度[13-16]。

但研究者也發(fā)現(xiàn)，在軟組織邊界不夠明確清晰的部位(如耳朵)，測量值的變異較大[13]。這種差異的原因主要是耳朵和軟組織頦前點位于拍攝區(qū)域的邊界處，由于光學特性易發(fā)生圖像的扭曲失真[14]；嘴巴和唇的誤差主要緣于該部位極易出現(xiàn)表情動作的改變[17]。另外，在頭發(fā)、鼻子、未修復的唇裂邊緣等凹凸起伏變化較大的部位，形成圖像的準確度和精確度還有待提高[12]。

3 臨床應用進展

3.1 人群特征研究 基于白光三維表面成像技術可更為準確地反映面部形態(tài)學特征，形成的圖像更直觀逼真，利于對比分析，且拍攝過程方便快捷，因此被研究者應用于大批量人群特征性的研究。

Liu等[18]利用白光三維表面成像技術采集了希臘人群和中國人群的面部特征，進行組間對比，發(fā)現(xiàn)中國人的唇部比希臘人更突出。Gor等[19]從匈牙利布達佩斯和美國休斯頓的正常人群中分別抽取了200例受試者，應用3dMD立體攝影系統(tǒng)采集了他們的面部(包括形態(tài)、角度、色澤等)，并建立了2個人群不同性別組的所謂“平均臉”(average face)，通過對“平均臉”的對比研究分析，發(fā)現(xiàn)布達佩斯女性的面部、鼻子、下頜角比休斯頓女性偏大，眼睛和顴骨也更為突出，而布達佩斯男性則比休斯頓的男性擁有更小而后縮的下頜骨。Kau等[20]認為，利用白光三維表面成像技術可高效地建立不同人群的“平均臉”，便于比較不同人群或性別間的面部形態(tài)學差異。3.2 人體對稱性研究 利用白光三維表面成像技術拍攝圖像后，鏡像健側生成兩側對稱的圖像，將原始圖像和鏡像圖像進行擬合，在兩幅圖像上分別標記對應點之間的距離，該距離可直接反應相應部位的面部對稱性。這是繼傳統(tǒng)測量對應點到面部中線距離的方法之后，測量面部對稱性的又一新方法。

Verhoeven等[21]使用這一方法進行了單側髁突增生患者面部軟組織的不對稱性的量化分析研究，并將下頜骨分離出來進行了獨立分析。另外，系統(tǒng)軟件可通過重建的軟組織圖像，在軟件平臺上進行軟組織表面容積的測量，與健側進行對比分析。沈舜堯等[22]運用此方法對半側顏面短小綜合征患者進行圖像采集分析后認為，白光三維表面成像技術可用來輔助評價顏面短小綜合征患者頜面部軟組織的變異情況。Schaaf等[23]認為，使用該技術對斜頭畸形的新生兒進行測量具有很多優(yōu)越性，包括可減少定點過程中患兒的移動、可重復測量、患兒不會感到不適且測量更加客觀準確。3.3 口腔正畸與正頜外科 準確的口腔及頜面部形態(tài)學檢查是口腔正畸和正頜外科臨床診斷和治療的基礎。正畸與正頜外科醫(yī)師的工作雖然是改變硬組織位置或形態(tài)，但現(xiàn)代觀點認為，軟組織的美觀協(xié)調(diào)具有更為重要的意義，甚至發(fā)展成為正畸與正頜外科醫(yī)師制定治療方案的基礎和依據(jù)[14]。

傳統(tǒng)的頭影測量法是建立在二維平面圖像的基礎上，用X線投射三維物體難免產(chǎn)生投影誤差，另外在定點的過程中也存在諸多可變因素，且在軟組織測量方面尤為薄弱。而基于白光的三維表面成像技術不僅可以直觀顯示軟組織表面特征，而且在距離和體積的測量上具有較高的準確性和可信度。另外，該技術拍攝的物體表面三維立體圖像可與CBCT拍攝的物體內(nèi)部圖像進行匹配、融合，并直觀模擬骨組織移位帶來的軟組織變化或目標軟組織形態(tài)所需要的骨組織改變，這一點對于正畸和正頜外科醫(yī)師具有至關重要的意義。

正畸方面，Weinberg等[15]認為，正畸醫(yī)師運用白光三維表面成像技術獲取的患者頜面部三維影像如同工程師使用的“副本”，該技術可使正畸醫(yī)師的工作變得簡單、準確、高效，系統(tǒng)會形成一個隨時隨地可供檢查的患者，方便醫(yī)師模擬和監(jiān)控治療過程中產(chǎn)生的軟組織變化，從而有利于制定最佳治療方案，并在矯治過程中對方案進行調(diào)整。Eidson等[24]對正畸患者去除唇側矯治器前后的唇突度變化進行測量，再一次肯定了其拍攝圖像的可重復性和可對比性。正頜外科方面，van Loon等[25]利用三維表面圖像與CBCT硬組織圖像結合的方法測量了Le FortⅠ型截骨術后患者的鼻部形態(tài)突度和上唇體積的變化；Zhao等[26]在此基礎上，結合使用CAD/CAM技術，現(xiàn)場進行可視化手術計劃制定和效果預測，并對種植體、咬牙合板等進行可視化地設計和制作，具有微創(chuàng)、高效、術后美觀效果好等優(yōu)點；另有學者將該技術用于正頜術后長期療效的追蹤觀察[27]。

3.4 唇腭裂診療和研究 白光三維表面成像技術具有拍攝速度快、無侵入性、無傷害性的特點，被越來越多應用于腭裂患兒的診斷和研究，又由于拍攝過程便捷、圖像重疊對比方便，故方便追蹤患兒的生長發(fā)育變化。

已有研究證明，將白光三維表面成像技術用于未修復唇腭裂患兒的鼻唇部形態(tài)學測量，其結果是準確可靠的[28]。有研究者利用該技術對不同類型的唇腭裂患兒進行軟組織對稱性的分析，發(fā)現(xiàn)單側單純唇裂患兒面部不對稱程度非常輕微，并提出其在病因?qū)W和生長上與單側唇腭裂、單側唇裂合并牙槽嵴裂及雙側唇腭裂患兒有所不同。Bugaighis等[29]利用其創(chuàng)建“平均臉”，將不同類型的唇腭裂患兒與正常對照組兒童進行比較后認為，該技術可用于異常顱面部形態(tài)的檢測，并提出其在唇腭裂整復手術及隨后的正畸、正頜治療中具有應用價值。另有白光三維表面成像技術輔助唇腭裂修復后瘢痕愈合情況的基因?qū)W研究的報道[9]。

3.5 口腔頜面部缺損贗復體修復 隨著時代的發(fā)展，口腔頜面部缺損修復過程中對美觀的要求越來越高。這要求在贗復體設計和制作之前，要準確地獲取缺損部位及其附近的內(nèi)外結構，同時最大限度獲取患者頭面部正常部位的三維數(shù)據(jù)，尤其是表面特征信息，以便于后期利用三維數(shù)據(jù)進行復制、翻轉和鏡像，進行修復體形態(tài)設計。

白光三維表面成像技術在贗復體設計信息獲取過程中，具有掃描速度快、分辨率高、信息量大、表面重建效果好等特點，目前已被應用于頜面部缺損的贗復體輔助設計?；诎坠獾娜S成像技術又具有技術成本低、對眼睛無傷害、生成圖像直觀逼真等優(yōu)點，為頜面部表面信息獲取提供了更有力的技術支持。Feng等[30]利用白光三維表面成像技術和計算機輔助設計技術，對頜面部超過中線的大面積缺損進行了贗復體修復，取得了很高的患者滿意度，并認為與傳統(tǒng)手工雕刻技術相比，前者具有更高的精確度和效率，且在贗復體的大小、形狀、外觀以及匹配度上優(yōu)于傳統(tǒng)技術。但是，由于光線到達倒凹區(qū)域的范圍有限，該技術更適用于頜面部淺表缺損的贗復體輔助設計，如眼缺損、鼻缺損和耳郭缺損等[31]。

3.6 美容美體 由于白光三維表面成像技術可準確捕獲物體表面形態(tài)，包括紋理、色澤等特征，且方便進行體積和對稱性的測量計算，因而在美容美體方面有著較為突出的優(yōu)勢。

白光三維表面成像技術可用于乳房體積的測量，對于胸部整形手術具有重要的實用價值。Frigerio等[8]使用白光三維表面成像技術對比了酒色斑患者接受激光凝固法治療前后病患區(qū)域的大小和體積改變，并認為該技術是一個非常有力的工具，可追蹤記錄激光對病損區(qū)域產(chǎn)生的影響。李彪等[32]采用3dMD獲取患者面部三維圖像進行圖像處理和手術模擬，以患者的具體要求及個人特點為依據(jù)模擬填充效果，用軟件描記確定需要填充脂肪的部位、范圍及所需填充的脂肪量，提出應用3dMD可使脂肪移植填充的治療方案設計實現(xiàn)個體化、可視化和精確化。

3.7 其他應用 近年來，隨著三維立體成像技術的普及和三維表面攝影技術的不斷成熟，基于白光的三維表面成像技術應用領域進一步拓寬。有研究證明，該技術可幫助確定并記錄患者的自然頭位[33]。還有學者利用白光三維表面成像技術對N95過濾口罩呼吸器使用者佩戴口罩前后的面部形態(tài)進行捕獲，測量并對比了平面折疊式口罩和杯狀口罩的封閉性和封閉壓力，并認為在封閉性一致的情況下，平面折疊式呼吸器具有更小的封閉壓力和更高的舒適度[34]。另有將其用于軀干部殘疾或異常檢查、自閉癥臨床表型檢測、綜合征及基因?qū)W輔助研究的報道[35-37]。

綜上所述，基于白光的三維表面成像技術已越來越多地被用于醫(yī)療臨床及科學研究，成為表面形態(tài)學測量的一個有力工具?？梢灶A見，隨著計算機技術和影像學技術的不斷發(fā)展，該技術的功能及測量精度還會進一步完善和提高，并在更廣的領域里發(fā)揮其巨大的應用價值。

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210029 江蘇 南京，南京醫(yī)科大學口腔醫(yī)學研究所(南京醫(yī)科大學附屬口腔醫(yī)院 正畸科)

王宇婷(1990-)，女，江蘇徐州人，碩士研究生.

王 林，210029，南京醫(yī)科大學口腔醫(yī)學研究所(南京醫(yī)科大學附屬口腔醫(yī)院 正畸科)，電子信箱：lw603@njmu.edu.cn

10.3969/j.issn.1673-7040.2016.10.011

2016-05-28)