人體三維掃描技術(shù)在整形美容外科中的應(yīng)用

朱梓瑜，熊猛

(東南大學(xué)附屬中大醫(yī)院 整形燒傷外科，江蘇 南京　210009)

人體三維掃描技術(shù)在整形美容外科中的應(yīng)用

朱梓瑜，熊猛

(東南大學(xué)附屬中大醫(yī)院 整形燒傷外科，江蘇 南京210009)

[摘要]整形美容外科重點(diǎn)關(guān)注體表的變化，人體三維掃描技術(shù)可以提供一種簡(jiǎn)潔的測(cè)量方式，精準(zhǔn)量化體現(xiàn)人體、面部的細(xì)微變化。作者查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，總結(jié)出人體三維掃描技術(shù)運(yùn)用于整形美容外科以評(píng)估手術(shù)操作效果的相關(guān)內(nèi)容，并作一綜述。

[關(guān)鍵詞]三維掃描； 整形美容； 量化評(píng)估； 綜述

三維掃描技術(shù)現(xiàn)已全面應(yīng)用于多學(xué)科各個(gè)領(lǐng)域，尤其是在臨床醫(yī)學(xué)方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。現(xiàn)已比較成熟的方面包括：醫(yī)用模型的制造和評(píng)估、植入材料的定制、顱頜面畸形的改造、整形美容效果的預(yù)估等等[1]。三維掃描技術(shù)是現(xiàn)代科技發(fā)展的產(chǎn)物，是結(jié)合了光、數(shù)字化、計(jì)算機(jī)等方面的新型技術(shù)，其原理為通過(guò)各種不同光線的投射獲得物體表面各點(diǎn)的空間關(guān)系，再將這些信息傳輸入電腦，并將這些三維信息放入已建立好的空間坐標(biāo)軸內(nèi)得到立體圖像。早先的研究者獲取人體數(shù)據(jù)主要是通過(guò)二維的平面照片，這種方法有明顯的局限性，且可信度不高。直到1984年，Wacoal發(fā)明了一臺(tái)可以分析物體表面結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)，這被視為如今廣泛使用的非接觸式三維掃描儀的雛形[2]。20世紀(jì)七八十年代傳統(tǒng)三維頭影測(cè)量法(three- dimensional cephalometry)、直接測(cè)量法(direct measurement)、莫爾云紋(moire techniques)和常規(guī) CT(computer tomography)[3]，但因操作費(fèi)時(shí)、軟組織顯示不佳、精確度差、有射線和偽影等沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用。查閱大量國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)后，歸納出目前三維掃描技術(shù)在正畸及整形美容方向的臨床應(yīng)用，具體綜述如下。

1運(yùn)用于人體的三維掃描技術(shù)

目前運(yùn)用于人體的三維掃描儀基本上都是非接觸式掃描儀，主要使用光學(xué)技術(shù)結(jié)合能將光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的傳感器，通過(guò)各種光線反射來(lái)獲取人體表面數(shù)據(jù)，再將所獲光數(shù)據(jù)通過(guò)傳感器輸入電腦構(gòu)建出三維立體圖像。采集圖像的光源可以是一個(gè)或多個(gè)，這是決定采集速度的因素之一。目前應(yīng)用于人體的三維掃描儀主要的差異表現(xiàn)在光源的類(lèi)型上，按照不同作用原理主要可分為普通光掃描儀、激光掃描儀、基于位置傳感探測(cè)器(position- sensitive- detector,PSD)的光電二極管(light- emitting diode, LED)掃描儀等3種[2]。

1.1普通光掃描儀

大部分普通光掃描儀掃描時(shí)是以條紋光線為主，這是由于莫爾云紋技術(shù)(利用黑白相間的計(jì)量光柵來(lái)自動(dòng)測(cè)量線移位和角移位)所用的掃描光線為普通白光，表面的反射光線和干擾條紋會(huì)對(duì)掃描產(chǎn)生部分影響。尤其是作用于人體時(shí)，由于皮膚是可透光的，當(dāng)普通光投射時(shí)部分光線通過(guò)皮膚，缺少了這些光信號(hào)會(huì)造成不同范圍的陰影。針對(duì)這些問(wèn)題，普通光掃描儀使用相位測(cè)量法(phase- measuring profilometry,PMP)，即根據(jù)不同位置的投射點(diǎn)改變相應(yīng)的參考線相，并通過(guò)重疊掃描來(lái)捕捉到盡量多的點(diǎn)。人體表面不規(guī)則，反射光線和參考線相多會(huì)交匯形成干擾光線[2]。因此，為了得到真實(shí)的圖像，需將這些干擾條紋進(jìn)行過(guò)濾后將原始畫(huà)面進(jìn)行擬合，降噪后輸出最終得到的掃描數(shù)據(jù)。

1.2激光掃描儀

激光掃描儀的原理和普通掃描儀原理不同，不需要設(shè)定計(jì)量光栓，也不需要過(guò)濾干擾條紋，它主要依靠傳感器來(lái)收集數(shù)據(jù)。由掃描儀發(fā)出的激光投射到被掃描物體表面，再由一臺(tái)或多臺(tái)圖形傳感器來(lái)獲取三維數(shù)據(jù)。激光掃描儀有著精度高、結(jié)果穩(wěn)定、干擾小等明顯優(yōu)勢(shì)，但造價(jià)昂貴?，F(xiàn)在常用的WB4、WBX、ARN Scan、Fast Scan和Vitus系統(tǒng)采用的就是激光掃描原理[2]。

1.3基于PSD的LED掃描儀

基于PSD的LED掃描技術(shù)應(yīng)用于日本的Hamamatsu人體掃描系統(tǒng)中[2]。紅外LED通過(guò)脈沖投射光線，在被測(cè)物表面反射成像，第2級(jí)鏡頭收集光線并交匯于探測(cè)器上形成三維圖像。PSD的作用是探測(cè)質(zhì)心位置，由于PSD的單向性，結(jié)合傳感器和三維處理軟件可以得到立體圖像。目前，在日本、美國(guó)、英國(guó)等均有相應(yīng)的研究機(jī)構(gòu)[2]。

2三維掃描技術(shù)在頭面部整形美容中的應(yīng)用

2.1先天性唇腭裂手術(shù)效果的評(píng)估

面部畸形的整復(fù)一直是美容整形外科的重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容。在面部畸形中，最常見(jiàn)的就是先天性唇腭裂。新生兒唇腭裂正畸本身難度較大，正畸的目的、用力、方向和部位若有失誤則會(huì)嚴(yán)重影響手術(shù)效果[4]。對(duì)于正畸手術(shù)效果和瘢痕的評(píng)價(jià)，絕大多數(shù)學(xué)者仍然是依靠二維圖片的測(cè)量和人眼觀察。屈文靜以三維激光掃描技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)單側(cè)唇裂患者應(yīng)用三葉瓣法手術(shù)后的面部軟組織進(jìn)行掃描、重建和測(cè)量[5]。他們對(duì)60例采用三葉瓣修復(fù)術(shù)來(lái)修整單側(cè)唇裂的患者進(jìn)行面部三維掃描，得到其面部(尤其是口鼻部位)的立體數(shù)據(jù)。測(cè)量結(jié)果通過(guò)統(tǒng)計(jì)軟件IBM SPSS Statistics 19.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，結(jié)果三維激光掃描技術(shù)能迅速、精確地完成面部軟組織的三維重建，對(duì)三維圖像進(jìn)行空間直線距離、角度、弧長(zhǎng)等測(cè)量，并最終建立了應(yīng)用三葉瓣手術(shù)方法治療的單側(cè)唇裂患者的唇鼻部數(shù)據(jù)庫(kù)[5]。通過(guò)對(duì)術(shù)后健患側(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出健患兩側(cè)鼻孔寬、唇線長(zhǎng)(上唇皮膚和黏膜的交界形成唇線)、人中嵴長(zhǎng)(上唇中央凹陷的人中凹，兩側(cè)嵴狀隆起即為人中嵴)[6]等標(biāo)志線，P>0.05，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，健患雙側(cè)基本無(wú)差異。他們通過(guò)面部三維圖像的掃描，開(kāi)發(fā)出一套便捷、精準(zhǔn)的唇腭裂患者測(cè)量體系，其具有很好的臨床應(yīng)用前景。三葉瓣修復(fù)唇裂這種新術(shù)式主要在鼻孔寬方面改善明顯，鼻翼內(nèi)收效果良好[5]。手術(shù)瘢痕與正常人中嵴基本一致，術(shù)后人中雙側(cè)對(duì)稱(chēng)，無(wú)偏斜。

2.2面部自體脂肪移植手術(shù)的評(píng)估

自體顆粒脂肪移植技術(shù)已日趨成熟，應(yīng)用在面部不僅能調(diào)整面部輪廓比例、恢復(fù)組織容量，還能改善局部皮膚質(zhì)地，用于面部填充、面部年輕化等治療可獲得良好臨床效果[7]。脂肪移植具有創(chuàng)傷小、操作簡(jiǎn)便、自體取材等優(yōu)點(diǎn)，自體脂肪填充的術(shù)前設(shè)計(jì)、填充后的脂肪吸收率和效果的評(píng)估一直是臨床醫(yī)生關(guān)注的重點(diǎn)。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)移植后顆粒脂肪的吸收率為40%～50%，脂肪液化的吸收多少與操作技巧有很大關(guān)系[8]，人體自體脂肪移植后的吸收率也缺少確鑿的臨床證據(jù)，尤其是面部不對(duì)稱(chēng)的患者，對(duì)于填充量的預(yù)測(cè)和術(shù)后的長(zhǎng)期隨訪更為重要。來(lái)自中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院的研究者[9]利用3D掃描技術(shù)，對(duì)27例面部不對(duì)稱(chēng)的患者進(jìn)行多次面部自體脂肪的填充。術(shù)前三維CT影像結(jié)合鏡面圖像分析(mirror- image analysis,MIA)來(lái)預(yù)估填充所需脂肪量，分別于術(shù)后3個(gè)月和12個(gè)月進(jìn)行3D掃描，以計(jì)算出自體脂肪填充的面部存活率。結(jié)果對(duì)于面部缺損量進(jìn)行三維CT(computed tomography)影像結(jié)合MIA后得出的缺損量平均體積為30.48 mm3，平均填充脂肪的總量為133.61 mm3，平均脂肪吸收率為47.92%[9]。本項(xiàng)研究提出了一種新式、便捷的評(píng)估面部不對(duì)稱(chēng)的方法，具有可信度高、可重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。

2.3面部肉毒素注射后的效果評(píng)估

中下面部的柔和線條是東方人追求的美感，改善中下面部線條的方法有很多，臨床上最常用的為面部肉毒素的注射[10]，其作用效果一直是求美者和整形美容醫(yī)生關(guān)注的重點(diǎn)。有研究表明咬肌注射肉毒素后2～3周效果開(kāi)始顯現(xiàn)，8～12周效果最明顯[11- 12]。大部分研究在探討肉毒素作用效果時(shí)主要以接受注射者的感受和前后照片進(jìn)行對(duì)比。韓國(guó)學(xué)者Hong等[13]通過(guò)面部三維掃描的方法，比較面部咬肌單次注射肉毒素和兩次注射的效果差異。實(shí)驗(yàn)選取20位志愿者，將他們隨機(jī)分成兩組，所有人均進(jìn)行每側(cè)咬肌25 U的A型肉毒素注射。第1組志愿者只進(jìn)行1次注射，第2組志愿者在進(jìn)行第1次注射后4個(gè)月再接受第2次注射(注射量和首次一致)，收集所有志愿者術(shù)前和術(shù)后6個(gè)月的面部三維數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。結(jié)果第1組體積變化量和厚度變化量的平均值分別為21 186 mm3和-1.52 mm，第2組的數(shù)據(jù)分別為24 072 mm3和-3.84 mm，第2組減少的量明顯多于第1組[13]。4個(gè)月后的再次肉毒素注射對(duì)于面部輪廓的改善效果明顯好于單次注射，其原理可能是第2次注射將第1次注射3個(gè)月時(shí)最明顯的改善效果延長(zhǎng)至6個(gè)月，或是第2次注射加強(qiáng)了第1次的注射效果[13]。這種新型微整形評(píng)估方法具有可操作性強(qiáng)、無(wú)創(chuàng)等優(yōu)點(diǎn)，可數(shù)字化地記錄面部軟組織外形的變化[3]。

2.4三維掃描技術(shù)在耳再造手術(shù)中的應(yīng)用

先天性小耳癥是面部畸形中發(fā)病率僅次于唇腭裂的疾病，目前應(yīng)用最廣的手術(shù)方式是取患者肋軟骨，雕刻成軟骨支架模型放置于皮下形成再造耳，因?yàn)槎靠臻g結(jié)構(gòu)復(fù)雜，細(xì)節(jié)還原度要求高，因此耳再造手術(shù)也被稱(chēng)為“挑戰(zhàn)上帝的手術(shù)”。三維掃描技術(shù)提供了一個(gè)新型構(gòu)建耳模型的方法，它可以快速、高精度獲取患者健側(cè)耳郭的精細(xì)結(jié)構(gòu)空間數(shù)據(jù)，為術(shù)前術(shù)中提供重要參考。梁久龍等[14]術(shù)前采用3D打印技術(shù)打印出患兒個(gè)體化的同側(cè)肋軟骨、對(duì)側(cè)耳軟骨及健側(cè)鏡像耳模型[14]。術(shù)前肋軟骨和耳軟骨支架的重建對(duì)于手術(shù)中肋軟骨的截取和耳支架的雕刻都有非常重要的指導(dǎo)作用，這樣可以避免肋軟骨截取的不足阻礙耳支架的雕刻，或截取過(guò)多肋軟骨影響胸廓的穩(wěn)定性。有了3D耳模作為對(duì)照，耳郭再造中術(shù)者在雕刻肋軟骨、塑造耳支架時(shí)會(huì)有具體的參照，避免了傳統(tǒng)術(shù)式的盲目性和隨意性[15]，術(shù)后隨訪3個(gè)月，本組應(yīng)用3D打印技術(shù)輔助耳郭塑型再造術(shù)可準(zhǔn)確雕刻出耳支架，使再造耳形態(tài)與健側(cè)耳更為相似，患者滿(mǎn)意度平均為4.5分[14]。

3三維掃描技術(shù)在隆乳術(shù)中的應(yīng)用

隨著計(jì)算機(jī)和數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的整形外科醫(yī)生將三維掃描技術(shù)運(yùn)用到臨床工作中，以提高操作的精確性和患者的滿(mǎn)意度。來(lái)自中國(guó)科學(xué)院整形外科醫(yī)院的研究人員，將三維掃描技術(shù)應(yīng)用于雙平面隆胸手術(shù)(dual- plane breast augmentation,DPBA)，DPBA對(duì)于輕度乳房下垂的患者是最理想的一種手術(shù)方式[16]。實(shí)驗(yàn)選取13位患者進(jìn)行DPBA，分別用三維掃描儀收集術(shù)前，術(shù)后1、3、6、12個(gè)月的三維圖像，通過(guò)分析乳房形狀、乳頭位置、乳房體積等數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)估術(shù)后效果。結(jié)果DPBA后乳頭位置基本恒定，乳房形狀和體積于術(shù)后6個(gè)月基本穩(wěn)定，因此術(shù)后6個(gè)月可以作為DPBA效果相對(duì)穩(wěn)定的隨訪時(shí)間[17]。

4三維掃描技術(shù)在整形美容外科中的應(yīng)用前景

整形美容工作主要關(guān)注人體外形的改變，平面照片只能提供二維圖像，缺少對(duì)于人體多角度、整體性的評(píng)估。因此，一個(gè)簡(jiǎn)便、精確的三維測(cè)量系統(tǒng)顯得尤為重要。三維掃描的出現(xiàn)突破了空間的限制，因其無(wú)放射性、簡(jiǎn)單、高效、價(jià)格低廉、可重復(fù)性好等明顯優(yōu)勢(shì)，已有趨勢(shì)取代CT、MRI、造模法等傳統(tǒng)三維測(cè)量方法。三維掃描技術(shù)對(duì)于整形美容外科的作用潛能是巨大的，除了現(xiàn)有的臨床實(shí)例以外，三維掃描技術(shù)還可以應(yīng)用于以下方面：(1) 巨乳縮小術(shù)，面部、身體等各部位輪廓修飾操作的術(shù)前設(shè)計(jì)和術(shù)后隨訪，評(píng)估手術(shù)操作效果；(2) 根據(jù)大量臨床數(shù)據(jù)模擬術(shù)后效果圖像，針對(duì)不同患者制定個(gè)性化治療方案；(3) 收集大樣本數(shù)據(jù)組成數(shù)據(jù)庫(kù)，建立特定人群外在形態(tài)的測(cè)量參考系，對(duì)于疾病的分級(jí)、手術(shù)方式的選擇、不同手術(shù)方式效果的比較等提供可靠的參考值。目前，越來(lái)越多整形外科醫(yī)生意識(shí)到三維掃描方法的諸多優(yōu)勢(shì)，也有更多醫(yī)生將其運(yùn)用于臨床，這使得醫(yī)患之間的溝通更加和諧，患者對(duì)于術(shù)后效果有更直觀的認(rèn)識(shí)，術(shù)后的滿(mǎn)意率也會(huì)提升。我們有理由相信，三維掃描方法在整形美容外科領(lǐng)域的應(yīng)用前景非常廣闊。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 陳堅(jiān)偉，張迪.3D打印技術(shù)醫(yī)學(xué)應(yīng)用綜述與展望[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2013，9(15)：3632- 3633.

[2] 方方,張渭源.一種新興的測(cè)量技術(shù)——3D人體掃描系統(tǒng)[J].紡織導(dǎo)報(bào)，2003,2:34- 37.

[3] 袁玲君,房兵.面部軟組織變化規(guī)律的激光三維掃描研究[J].中國(guó)美容醫(yī)學(xué)，2011，20(2)：330- 332.

[4] 王國(guó)民，楊育生，張勇，等.唇腭裂治療現(xiàn)狀與展望[J].上?？谇会t(yī)學(xué)，2006，15(2)：113- 115.

[5] 屈文靜.單側(cè)唇裂患者面部軟組織的三維激光測(cè)量研究[D].北京：北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院，2013.

[6] 朱昌.唇腭裂的應(yīng)用解剖及病理解剖[M]//王煒.整形外科學(xué).杭州：浙江科學(xué)技術(shù)出版社，2007：646- 647.

[7] 韓超,劉麗忠,廖懷偉，等.體顆粒脂肪移植技術(shù)在面部臨床應(yīng)用的進(jìn)展[J].中國(guó)修復(fù)重建外科雜志，2012，26(1)：117- 118.

[8] 楊文華，胡文文，張衛(wèi)萍.自體顆粒脂肪移植在豐唇中的應(yīng)用研究[J].中國(guó)美容醫(yī)學(xué)，2012，21(6):907- 908．

[9] YANG X,WR R,BI H,et al.Autologous fat grafting with combined 3- Dimensional and mirror- image analyses for progressive hemifacial atrophy[J].Ann Plast Surg,2015,122:275- 283.

[10] 張超，滕利，靳小雷，等.A型肉毒素咬肌注射聯(lián)合玻尿酸頦部注射重塑面下部1/3輪廓的臨床研究[J].現(xiàn)代醫(yī)學(xué)，2014，42(5)：477- 481.

[11] KIM N H，CHUNG J H，PARK R H，et al.The use of botulinum toxin A in aesthetic mandibular contouring[J].Plast Reconstr Surg，2005，115:919- 930.

[12] PARK M Y，AHN K Y，JUNG D S.Botulinum toxin type A treatment for contouring of the lower face[J].Dermatol Surg，2003，29:477- 483.

[13] HONG H L,SEONG T K,KEE J L,et al.Effect of a second injection of botulinum toxinon lower facial contouring， as evaluated using 3- Dimensional laser scanning[M].New York:Wolters Kluwer Health,Inc,2015:439- 444.

[14] 梁久龍，陶凱，才華,等.數(shù)字建模聯(lián)合3D打印在耳郭再造整形中的應(yīng)用[J].解放軍醫(yī)藥雜志,2015,27(11):24- 26.

[15] LEVINE J P，PATELl A，SAADEH P B，et al.Computer- aided design and manufacturing in craniomaxillofacial surgery: the new state of the art[J].Craniofac Surg，2012，23(1):288- 293.

[16] GRYSKIEWICZ J.Dual- plane breast augmentation for minimal ptosis pseudoptosis (the "in- between" patient)[J].Aesthet Surg,2013,33(1):43- 65．

[17] JI K，LUAN J，LIU C J,et al.A prospective study of breast dynamic morphological changes after dual- plane augmentation mammaplasty with 3D scanning technique[EB/OL].Public Library of Science.[2014- 03]. http:// www.plosone.org

[收稿日期]2015- 12- 16[修回日期] 2016- 01- 29

[作者簡(jiǎn)介]朱梓瑜(1989-)，女，陜西寶雞人，在讀碩士研究生。E- mail:zhuziyuazhu@sina.com

[通信作者]熊猛E- mail:bearbrave@sina.com

[中圖分類(lèi)號(hào)]R625

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1671- 6264(2016)03- 0453- 04

doi:10.3969/j.issn.1671- 6264.2016.03.036

[引文格式] 朱梓瑜,熊猛.人體三維掃描技術(shù)在整形美容外科中的應(yīng)用[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào):醫(yī)學(xué)版,2016,35(3):453- 456.

·綜述·