面部三維攝影與傳統(tǒng)照相技術的對比研究

秦再秀 高潔 王佳帥 宋林 畢慧賢 于曉楠 金作林

隨著當今信息社會的發(fā)展，人們對美的認知和需求也日益增加。絕大多數正畸患者希望通過正畸治療改善面部美觀，提高自信和自身吸引力［1－2］。同時，現代正畸診斷治療理念已經由Angle教授［3］強調的“牙頜骨結構和功能的平衡與穩(wěn)定”轉變?yōu)锳ndrews教授［4］提出的“牙頜骨結構功能穩(wěn)定的同時要與面部軟組織美觀協調一致”。這就要求正畸醫(yī)生對患者面相要有精確的記錄、全面的分析以及治療前后直觀的對比［5］。然而，目前患者面相常用的獲取方法是數碼相機等二維圖像采集的傳統(tǒng)照相技術，Sandler J等［6］研究認為傳統(tǒng)照相技術對拍攝者照相技術要求較高，每張照片只能反映患者面部二維特征信息，導致部分面部特點失真。在臨床上不少患者抱怨傳統(tǒng)照相技術拍攝面相過程繁瑣并且用時較長。近年來，3dMD面部攝影測量系統(tǒng)（3dMDface，Atlanta，USA）等一批三維攝影技術，為患者面相的獲取提供了新方法，并且能夠全面精確的重建面部三維形態(tài)，解決傳統(tǒng)二維圖像的局限性問題［7］。3dMD具有攝影速度快、成像精確（精確度約0.15～0.53 mm）［8］、對人體無不良影響等優(yōu)點，越來越多的被國內醫(yī)院所引進。3dMD目前多用于科研中，而臨床上3dMD能否代替?zhèn)鹘y(tǒng)照相技術來獲取患者面相，國內外均未見報道。本實驗通過對比研究面部三維攝影與傳統(tǒng)照相的優(yōu)缺點，探索3dMD在臨床上是否具有應用前景。

1 資料與方法

1.1 一般資料

1.1.1 研究對象 隨機招募在第四軍醫(yī)大學口腔醫(yī)院正畸科就診的60名成年初診患者 ［其中男性，女性各30名，平均年齡（25.7±4.1）歲］。納入標準：①年齡18～35歲；②經臨床檢查為骨性I類；③BMI指數在18.5～24 kg／m2之間。排除標準：①頜面部軟組織不對稱超過5 mm；②骨性偏頜畸形；③開唇露齒；④頜面部外科手術史。

1.1.2 器材選擇 三維攝影采用由第四軍醫(yī)大學口腔醫(yī)學院軍事口腔醫(yī)學國家重點實驗室提供的3dMD面部攝影測量系統(tǒng) （3dMDface，Atlanta，USA）進行面部三維圖像獲取；由3dMD面部攝影測量系統(tǒng)管理員于曉楠老師進行拍攝。傳統(tǒng)照相采用由第四軍醫(yī)大學口腔醫(yī)院正畸科提供的尼康D100相機，尼康微焦鏡頭 （AF-SVR105 mm f／2.8 G）和尼康環(huán)形閃光燈（SB-29S）；由正畸科攝影師畢慧賢老師進行拍攝。

1.1.3 試驗條件 三維攝影和傳統(tǒng)照相均在室內白色熒光燈照明下進行；患者取坐位，保持上身直立，頭部取自然頭位，雙眼平視前方，上下牙齒輕咬接觸，嘴唇自然放松閉合，面部表情肌自然放松；同時去除眼鏡，圍巾等飾品以暴露雙側耳朵，上至發(fā)際線，下至甲狀軟骨平面。進行三維攝影時，患者正對3dMD系統(tǒng)中央，距離左右兩側攝像頭均為1 m；傳統(tǒng)照相時，患者距離數碼相機鏡頭為1 m。

1.2 研究方法

每名患者按照試驗條件分別進行三維攝影和傳統(tǒng)照相。傳統(tǒng)照相按照正畸病例資料面相要求拍攝6張照片（正面相、正面微笑相、90°側面相、90°側面微笑相、45°側面相和45°側面微笑相）；三維攝影拍攝兩側獲得自然表情和微笑兩幅三維圖像，然后導入3dMDpatient軟件中，由正畸科高潔博士調節(jié)三維圖像至正面，90°側面和45°側面，截取獲得6張常規(guī)面相截圖（圖 1）。

1.2.1 拍攝時間對比 記錄三維攝影和常規(guī)照相拍攝每名患者所需時間。每名患者拍攝前需去除眼鏡等頭面部飾品滿足試驗條件后開始進行拍攝；拍攝時間從每名患者坐下后開始計時，到拍攝完成停止計時。

圖1 傳統(tǒng)照相與三維截圖Fig 1 Traditional photography and 3dMD photography Screenshot

1.2.2 圖像質量對比 根據Legan＆Burstone軟組織分析法［9］選擇12個面部標志點，5個測量項目（包括3個線距比例和2個角度）作為圖像質量對比項目（表1）；共分3組進行對比。

傳統(tǒng)照相組：將每名患者90°側面相導入頭影測量分析軟件 Onyx Ceph 2.6（Image Instruments，Chemnitz，Germany），選擇 Legan＆Burstone軟組織分析法標定面部標志點，進行對比項目測量（圖2A）。

三維截圖組：將每名患者三維圖像的90°側面截圖導入頭影測量分析軟件Onyx Ceph 2.6（Image Instruments，Chemnitz，Germany），選擇 Legan＆Burstone軟組織分析法標定面部標志點，進行對比項目測量（圖 2B）。

三維測量組：將每名患者自然表情三維圖像導入3-matic STL 9.0軟件（Materialise，Leuven，BEL），在軟件中標記12個面部標志點，建立真性水平面（True Horizontal Plane，THP）：過眉間點G垂直于G-Pog′的平面；分別過眉間點G，鼻底點Sn，口裂點Sto，下唇凸點Li和軟組織頦下點Me′做與真性水平面平行的平面，相應平面間的垂直距離即為相應面部高度（圖2C）。

表1 測量項目及意義Tab 1 Measurements and meanings

1.3 統(tǒng)計方法

應用 SPSS 16.0統(tǒng)計軟件（SPSS Inc，Chicago，USA）對所得到的數據資料進行統(tǒng)計分析，計量資料以均數和標準差表示。對三維攝影組和傳統(tǒng)拍照組每名患者拍攝所用時間進行正態(tài)性檢驗和方差齊性檢驗；由于2組方差不齊，選擇兩樣本Kolmogorov-Smirnov檢驗（K-S檢驗）進行統(tǒng)計對比分析，檢驗水平取0.05，雙側檢驗。對傳統(tǒng)拍照組，三維截圖組和三維測量組間圖像質量對比進行配對t檢驗，檢驗水平取0.05，雙側檢驗。

2 結 果

2.1 拍攝時間對比

圖2 3組圖像測量對比Fig 2 Comparisons of the picturemeasurements among traditional photography，3dMD photography and 3dMD photography Screenshot

傳統(tǒng)照相組拍攝面相所用時間為（45.33±7.75）s，三維攝影組拍攝面相所用時間為（14.99±1.34）s（圖3）。經K-S檢驗，P＜0.001，2組拍攝面相所用時間的差異有統(tǒng)計學意義；三維攝影組拍攝面相所用時間明顯少于傳統(tǒng)照相組。

2.2 圖像質量對比

線距比例 Gl′-Sn／Sn-Me′，Sn-Sto／Sto-Me′和 Sn-Li／Li-Me′3組間的差異都無統(tǒng)計學意義；角度CoTg-Sn-Ls和Gl′-Sn-Pog′在傳統(tǒng)照相組和三維測量組間的差異都有統(tǒng)計學意義，在三維截圖組和三維測量組間的差異都無統(tǒng)計學意義；Gl′-Sn-Pog′在傳統(tǒng)照相組和三維截圖組間的差異有統(tǒng)計學意義（表2）。

圖3 傳統(tǒng)照相組與三維攝影組拍攝所用時間對比Fig 3 Comparison of the photographing time between Traditional photography and 3dMD photography

表2 傳統(tǒng)照相組、三維截圖組與三維測量組圖像質量對比Tab 2 Comparisons of the picture quality among traditional photography，3dMD photography and 3dMD photography Screenshot

3 討 論

越來越多的患者為了改善頜面部美觀而選擇正畸治療，使得正畸醫(yī)生不僅要關注咬合的穩(wěn)定與平衡，更要關注頜面部軟硬組織的協調美觀。患者臨床面相是治療前診斷設計，治療中面相變化以及治療后效果對比的重要臨床資料，正畸醫(yī)生對臨床面相的要求和依賴度達到了前所未有的高度［10］。為了提高正畸臨床面相攝影速度和質量，國內學者賈培增等［11］對口腔正畸臨床攝影技術進行了細致的研究與總結。雖然一定程度上提高了臨床面相攝影速度和質量，但是照相機硬件因素的限制問題并沒有從本質上解決。傳統(tǒng)照相對拍攝者攝影技術要求高，面相拍攝步驟復雜需要患者配合調整6種頭位姿勢多次拍照，存在對患者配合度要求高和照片之間細微表情存在差異等缺點［12］。同時在試驗中我們發(fā)現傳統(tǒng)照相組中患者的頭位是由攝影師決定的，每名患者所拍攝的頭位不盡相同，導致正畸醫(yī)生在軟組織分析中需要再次調整照片到正確的頭位，甚至是重新拍照。而三維攝影組應用3dMD面部攝影測量系統(tǒng)進行面部攝影，只需患者面部放松保持自然頭位拍攝一次，即可獲得患者面部三維圖像。然后在3dMDpatient軟件中由正畸醫(yī)生調整截取獲得臨床上常用的6種二維頭位照片。實驗結果顯示三維攝影組拍攝面相所用時間明顯少于傳統(tǒng)照相組，大大縮短臨床拍照所需時間，減少患者臨床就診時間。側貌軟組織測量分析對比結果顯示，線距比例Gl′-Sn／Sn-Me′，Sn-Sto／Sto-Me′和 Sn-Li／Li-Me′在3組間均無統(tǒng)計學差異；但是角度 CoTg-Sn-Ls和 Gl′-Sn-Pog′在傳統(tǒng)照相組和三維測量組間有統(tǒng)計學差異，在三維截圖組和三維測量組間無統(tǒng)計學差異。這種差異可能由于攝影師在拍攝90°側面相時頭位不正等原因造成圖像有一定偏差，而且Sn和CoTg相比其他面部標志點較難定位。而三維截圖組是由正畸醫(yī)生調整三維頭像至90°側面截取所獲得的，一定程度上減少了圖像偏差。本實驗初步證明了應用3dMD面部攝影測量系統(tǒng)進行三維攝影獲取患者面相比應用傳統(tǒng)照相技術獲取患者面相具有一定優(yōu)勢如下：①3dMD面部攝影測量系統(tǒng)拍攝面相所需時間明顯少于傳統(tǒng)照相技術；② 傳統(tǒng)照相需要患者多次調整體位配合攝影師多次拍照；3dMD面部攝影測量系統(tǒng)只需拍攝1次，一定程度上減少了人為誤差；③3dMD面部攝影測量系統(tǒng)所獲得的三維圖像可以由正畸醫(yī)生截圖后進行側貌軟組織測量分析，并且比傳統(tǒng)照相更為精確。

從唇側固定矯治器到個性化舌側矯治器和無托槽隱形矯治器［13］，這種數字化矯治器的出現不僅滿足了患者對美觀的需要，而且豐富了正畸矯治技術。從傳統(tǒng)石膏模型和X線平片到口內三維掃描和CBCT，這種數字化掃描分析系統(tǒng)的出現提高了正畸臨床資料的準確性和全面性，彌補了傳統(tǒng)模型測量及頭影測量的不足［14－15］。三維攝影技術攝影所獲得的患者面相是三維立體的，能更直觀，更全面的診斷分析患者面部軟組織情況；王佳帥等［16］通過應用3dMD對62名漢族正常男女面部軟組織三維測量對比發(fā)現男性相比女性面部整體及面部各器官輪廓更大，面部外形更方圓，鼻部更前突，為臨床診斷分析提供了一定的參考價值。同時三維測量的精確度與面部直接測量誤差在0.1～0.5 mm以內［8，17］；通過應用 Mimics，Dolphin等三維分析軟件可以重疊對比患者矯治前后的三維面相，從而更直觀的顯示了矯治效果［18］。而且3dMD所拍攝的三維面相經過3dMDVultus軟件處理可以與患者頭顱CBCT數據相匹配，從而能夠直觀地觀察患者軟組織和硬組織的相互關系，這將極大有利于正畸的診斷與分析［19］。但是目前臨床上所用的面部軟組織分析方法主要是基于二維的正面相和側面相上進行分析的，關于三維圖像的面部軟組織分析方法相對復雜，而且爭議較多。同時在實驗中我們發(fā)現3dMD對牙齒，發(fā)際線和頭發(fā)成像存在失真，不完整等問題；作為臨床資料必須完整而且真實地記錄患者面部狀態(tài)，3dMD還需要從技術上進行升級和改進。而且3dMD面部攝影測量系統(tǒng)國內售價在80～120萬左右，價格昂貴也導致三維攝影技術目前多用于科學研究。本研究通過實驗發(fā)現三維攝影技術在臨床上獲取患者面相相比傳統(tǒng)照相技術有一定優(yōu)勢，同時發(fā)現三維攝影技術在臨床應用上仍有較大不足需要改進。研究結果為將來三維攝影技術等數字化面部掃描技術的臨床進一步推廣和應用提供了參考。

4 結 論

本研究通過實驗證明使用3dMD面部攝影測量系統(tǒng)拍攝患者面相所用時間更少，側貌軟組織分析結果與傳統(tǒng)照相技術并無明顯差異。

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