面部三維立體攝影及其在正頜外科中的應(yīng)用

王姍姍，石 玨，孫逸嘉，謝志堅(jiān)

（浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬口腔醫(yī)院 頜面外科，浙江 杭州，310000）

隨著三維成像技術(shù)的發(fā)展，面部三維立體攝影技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)和研究室研究中越來(lái)越普及，常見(jiàn)的面部三維立體攝影系統(tǒng)是基于數(shù)字立體攝影測(cè)量技術(shù)構(gòu)建的，該技術(shù)能夠精確的再現(xiàn)面部的立體輪廓，逼真地反映皮膚的顏色和紋理，采集速度快，覆蓋面廣，安全無(wú)輻射。在正頜外科治療中，面部軟組織是非常重要的一個(gè)因素。傳統(tǒng)攝影中，二維照片往往不能反映患者三維立體結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，而其應(yīng)用于面型模擬預(yù)測(cè)時(shí)，往往只能反映面部側(cè)貌的變化，而忽視整體與正面的改變。面部三維立體攝影系統(tǒng)提供的面部三維立體照片可以真實(shí)反映研究對(duì)象面部軟組織的特點(diǎn)，可用于間接面部測(cè)量，還能將其應(yīng)用于三維模型的建立與三維模型的分析中。

1 面部三維立體攝影系統(tǒng)

面部三維立體攝影系統(tǒng)是一種將攝影系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)軟件相結(jié)合的技術(shù)。根據(jù)光線來(lái)源可以分為主動(dòng)、被動(dòng)、混合三種[1-5]。主動(dòng)式設(shè)備中的投影儀將具有一定圖案的光（比如圓形，橢圓形，方形等）投射到研究對(duì)象表面后，通過(guò)一定距離外的攝像機(jī)捕捉反射回來(lái)的光線，這些光線在表面進(jìn)行反射后，原有的形態(tài)會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)和彎曲，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件算法的分析處理，與三維空間坐標(biāo)相匹配進(jìn)行成像。這種系統(tǒng)在圖像采集過(guò)程中控制對(duì)象的照明，不需要額外增加光照，也能消除外界環(huán)境光線的干擾，成熟的主動(dòng)三維立體攝影系統(tǒng)還可以輕松捕捉顏色較暗的皮膚和衣服，但是這類系統(tǒng)的成像時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。Genex系統(tǒng)是一種常用的主動(dòng)三維立體攝影系統(tǒng)，該系統(tǒng)在內(nèi)部校準(zhǔn)，不需額外校準(zhǔn)。M4D系統(tǒng)是一種便攜的三維立體攝影系統(tǒng)，體積小方便攜帶，能夠在短時(shí)間內(nèi)安裝使用，能夠容忍對(duì)象輕微的移動(dòng)，而且可以用來(lái)身體任何部位的攝影。被動(dòng)式是通過(guò)采集環(huán)境中光線在對(duì)象表面的反射進(jìn)行攝影，其將三角測(cè)量技術(shù)建立在對(duì)象實(shí)際表面的特點(diǎn)上，該系統(tǒng)依賴于表面皮膚毛發(fā)、疤痕、雀斑等細(xì)節(jié)特點(diǎn)，因此很大程度上依賴于像素的完整性，因此在相機(jī)像素要求上較高。另外，攝影時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制環(huán)境中照明條件，以最大限度減少環(huán)境光譜反射對(duì)成像的影響。常用的被動(dòng)式三維立體攝影系統(tǒng)有Di3D系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用高分辨率攝像機(jī)，不需要進(jìn)行圖像投影或激光掃描，能夠快速輕松捕獲圖像?；旌鲜絼t結(jié)合了前兩種技術(shù)，常用的主要有3DMD系統(tǒng)。3DMD系統(tǒng)由6個(gè)醫(yī)療級(jí)相機(jī)組成，可在1.5毫秒內(nèi)與主體同步，這些相機(jī)將多角度采集到的圖像重建在同一個(gè)三維坐標(biāo)中的模型上，捕獲時(shí)間短，而且3DMD系統(tǒng)能夠容納額外的攝像機(jī)，而不影響圖像采集時(shí)間，但是該系統(tǒng)要求每次使用時(shí)用戶對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)。

三維立體攝像系統(tǒng)的精確度主要體現(xiàn)在重現(xiàn)性和絕對(duì)精度上。有學(xué)者[6]在用標(biāo)準(zhǔn)人體測(cè)量法和3DMD系統(tǒng)對(duì)20個(gè)正常成年人18個(gè)標(biāo)記點(diǎn)測(cè)量比較中發(fā)現(xiàn)，3DMD的總體精度誤差小于1mm，可靠性及重現(xiàn)性高。大量學(xué)者[7-9]在對(duì)不同成像系統(tǒng)精確度的研究中發(fā)現(xiàn)，市面上使用的三維立體攝像系統(tǒng)具有高度可重復(fù)性和精確性，不同系統(tǒng)之間雖然存在差距，但這些差距較?。ㄔ趲装傥⒚滓詢?nèi)），在實(shí)際測(cè)量研究中沒(méi)有太大意義。

2 面部三維立體攝影在正頜外科中的應(yīng)用

正頜外科是通過(guò)將頜骨的切開(kāi)、移動(dòng)和重新固定來(lái)恢復(fù)正常的牙-頜骨位置關(guān)系。過(guò)去，利用側(cè)位頭影測(cè)量描記圖預(yù)測(cè)術(shù)后面型改變，其主要目的包括：1.確定術(shù)前正畸治療的目標(biāo)；2.篩選能取得最佳功能和美學(xué)效果的手術(shù)方案；3.獲取術(shù)后面貌側(cè)貌的變化可視圖用于會(huì)診和醫(yī)患交流[10]。隨著科技的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助的設(shè)計(jì)方法已非常普及。三維成像技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展更是提供了三維模型測(cè)量、設(shè)計(jì)和模擬的可能性。

2.1 面部三維立體攝影在面部測(cè)量中的作用

傳統(tǒng)的人體測(cè)量學(xué)是在臨床接診環(huán)境中進(jìn)行的，用卡尺等測(cè)量對(duì)象各標(biāo)記點(diǎn)之間的距離或者弧度，測(cè)量時(shí)需要對(duì)對(duì)象的單獨(dú)測(cè)量，并需要幾分鐘的直接身體接觸，在收集幼兒或存在某些發(fā)育缺陷兒童的數(shù)據(jù)時(shí)，往往難度較大，耗時(shí)較長(zhǎng)。三維立體攝影系統(tǒng)用于間接測(cè)量時(shí)，則具有較大的優(yōu)勢(shì)[11]：首先，攝影速度快，完成攝影后對(duì)象可自由移動(dòng)；其次，這種攝影系統(tǒng)是非侵入性的，安全性高，無(wú)輻射；第三，完成攝影后可快速查看圖像，以確定攝影細(xì)節(jié)，若發(fā)現(xiàn)圖像中存在缺損或變形可及時(shí)追加圖像；第四，圖像數(shù)據(jù)存檔后可反復(fù)使用，用于研究和測(cè)量；最后，數(shù)據(jù)可在計(jì)算機(jī)軟件中測(cè)量標(biāo)記點(diǎn)之間的距離和弧度，同一個(gè)數(shù)據(jù)可同時(shí)被多個(gè)人進(jìn)行測(cè)量分析。面部三維立體攝影主要用于測(cè)量和分析面部軟組織標(biāo)記點(diǎn)之間的關(guān)系，并不能表現(xiàn)硬組織相關(guān)標(biāo)記點(diǎn)之間的關(guān)系；作為一種間接測(cè)量方式，無(wú)法通過(guò)直接觸摸研究對(duì)象確定標(biāo)記點(diǎn)的位置，只能通過(guò)面部輪廓進(jìn)行判斷；另外，計(jì)算機(jī)軟件具有局部放大功能，放置標(biāo)記點(diǎn)時(shí)可能存在個(gè)體差異，因此在標(biāo)記時(shí)需要醫(yī)師反復(fù)核對(duì)位置。不管是傳統(tǒng)的直接面部測(cè)量還是面部三維立體攝影測(cè)量，大多關(guān)注標(biāo)記點(diǎn)之間的距離和側(cè)面相關(guān)線性角度關(guān)系，對(duì)于面部輪廓的弧度關(guān)注較少，缺乏面部三維立體攝影測(cè)量方面特點(diǎn)的測(cè)量指標(biāo)。

面部三維立體攝影在對(duì)稱性比較中也具有非常大的優(yōu)勢(shì)。在人類學(xué)研究中發(fā)現(xiàn)，面部對(duì)稱性在人類面部吸引力中非常重要。在面部的不同區(qū)域中局部的對(duì)稱性具有不同的重要性，中線附近的對(duì)稱性相對(duì)影響較大。對(duì)稱性的比較中，二維照片因?yàn)槿狈σ粋€(gè)維度的坐標(biāo)，有時(shí)在高度和寬度上產(chǎn)生的差距不大，但是在深度上可能存在較大的差異。另外，單張二維照片在對(duì)稱性比較中可用的測(cè)量指標(biāo)點(diǎn)相對(duì)三維模型較少，給出的信息相對(duì)片面。Philipp[12]等人在利用二維及三維的圖像對(duì)面部對(duì)稱性分析的三種方法比較中，指出二維照片比較在準(zhǔn)確性中尚有欠缺，但三維照片比較因可利用的標(biāo)記點(diǎn)較多，加大了測(cè)量的難度，建議參考二維照片中相關(guān)的對(duì)稱性指標(biāo)對(duì)三維照片進(jìn)行分析，從而快速得到準(zhǔn)確的結(jié)果。對(duì)稱性分析的結(jié)果對(duì)于治療方案及手術(shù)方案具有一定的指導(dǎo)作用，完整而準(zhǔn)確的結(jié)果能夠提供更好的治療。

Ogawa[13]等人使用面部三維立體攝影系統(tǒng)獲取了1126名日本人（865名男性和261名日本女性，年齡為19-60歲）的面部三維立體圖像作為樣本，在規(guī)范的人體測(cè)量分析下，記錄該人群中眉弓、眼眶、鼻部和唇部輪廓的特征，比較不同年齡段及性別之間的差異，以此建立面部三維照片的數(shù)據(jù)庫(kù)。面部三維照片數(shù)據(jù)庫(kù)的建立不僅可以用來(lái)分析某一個(gè)群體面部輪廓及軟組織特征上的差異，還可以通過(guò)橫向比較其變化情況，分析隨年齡增長(zhǎng)面部的發(fā)展趨勢(shì)。Kim[13]通過(guò)對(duì)43位選美選手和48位普通女性的面部三維立體模型分析中，發(fā)現(xiàn)了兩者間存在的差別：選美選手面中部更立體，鼻部更挺且雙側(cè)鼻翼的距離更短，兩者唇部與下部的垂直比例無(wú)明顯差異，但是選美選手的鼻唇角較普通女性稍大。不同種族之間面部特征也存在一定的差異，Wirthlin[14]在對(duì)100個(gè)休斯頓白人和71個(gè)中國(guó)人的面部三維立體模型進(jìn)行比較時(shí)發(fā)現(xiàn)，休斯頓人在面中部包括眉弓、鼻部、唇部及頦部更突，然而中國(guó)人的顴弓寬度更大，中國(guó)人中女性臉頰較男性豐滿。這些差異在正頜模擬中具有一定參考意義，有利于制定更合理的治療方案。

2.2 面部三維立體攝影在術(shù)前模擬中的作用

錐 形 束 CT（cone-beam computed tomography，CBCT）能夠提供醫(yī)學(xué)圖像儲(chǔ)備和傳輸數(shù)據(jù)，這種數(shù)據(jù)使圖像不損失原始信息，并采用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的移動(dòng)立方體算法，實(shí)現(xiàn)二維照片對(duì)應(yīng)點(diǎn)與三維空間位置和解剖結(jié)構(gòu)上的一致，重建三維可視化模型[4、15-19]。利用CBCT提供的軟硬組織數(shù)據(jù)，生成三維模型，不少學(xué)者使用這種模型進(jìn)行虛擬手術(shù)，通過(guò)對(duì)頜骨的切開(kāi)、移動(dòng)，模擬術(shù)后的硬組織形態(tài)，這種技術(shù)還可與三維打印技術(shù)結(jié)合，打印術(shù)中合板。然而CBCT提供的數(shù)據(jù)在面部軟組織的準(zhǔn)確性上仍有欠缺，不能顯示面部組織的顏色、紋理等，將面部三維立體攝影提供的圖片與之?dāng)M合，則能夠顯現(xiàn)術(shù)后的整體面貌與輪廓。這種三維模型不單能夠顯示側(cè)貌關(guān)系，還能表現(xiàn)正面及整體面部相對(duì)關(guān)系，可用于觀察正面對(duì)稱性情況，相對(duì)二維模擬更為直觀，在治療方案確定及醫(yī)患溝通中也更具有優(yōu)勢(shì)。

大量學(xué)者在使用面部三維立體照片與CBCT相結(jié)合應(yīng)用于正頜手術(shù)的手術(shù)模擬中，發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)確度較高。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)三維模擬比二維模擬在軟組織的預(yù)測(cè)中準(zhǔn)確性更高[20-27]。三維模擬中產(chǎn)生的誤差，一方式是數(shù)據(jù)采集本身或者處理過(guò)程中產(chǎn)生的誤差，另一方面是模擬本身產(chǎn)生的誤差。面部三維立體攝影采集與CBCT采集時(shí)產(chǎn)生的誤差相對(duì)較小，但是采集面部三維立體圖像時(shí)，捕獲到的是瞬間的面部圖像。而三維立體圖像采集與CBCT圖像采集并非同時(shí)進(jìn)行，咽口水、抿嘴等動(dòng)作都會(huì)通過(guò)肌肉的作用影響面部形態(tài)，研究對(duì)象處于息止合位和牙尖交錯(cuò)位時(shí)面下三分之一在高度上也可能存在差異，因此建議建立統(tǒng)一的圖像采集標(biāo)準(zhǔn)，以減少數(shù)據(jù)擬合產(chǎn)生的誤差。在軟件模擬中，硬組織的變化導(dǎo)致面部肌肉拉力的改變，不同的移動(dòng)量引起的改變不同，而且這種變化并不完全依照線性關(guān)系進(jìn)行；另一方面，不同個(gè)體存在軟組織厚度上的差異，導(dǎo)致個(gè)體模擬上的差異。很多時(shí)候三維模擬的個(gè)體差異，依靠醫(yī)生的臨床經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行個(gè)別調(diào)整。三維模擬中仍舊缺乏一個(gè)模擬中軟硬組織相對(duì)關(guān)系的數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠指導(dǎo)對(duì)不同軟組織厚度的患者及不同硬組織移動(dòng)量的調(diào)整。

2.3 面部三維立體攝影在治療效果比較中的應(yīng)用

在研究正頜患者治療前后的差異時(shí)，可以通過(guò)在模型上標(biāo)記參考點(diǎn)，繪制參考線，比較標(biāo)記點(diǎn)到參考線間距離的差異，也可以利用電腦軟件結(jié)合算法，將研究對(duì)象治療前后的面部三維立體模型重疊，觀察軟件中重疊效果的差距進(jìn)行分析，計(jì)算機(jī)軟件比較還能量化這種體積變化的差異。Hajeer[28]對(duì)5名正頜手術(shù)患者的術(shù)前術(shù)后三維模型的比較，發(fā)現(xiàn)正頜手術(shù)對(duì)患者的面下三分之一的軟組織形態(tài)的對(duì)稱性上有較大的改善。面部三維照片能夠完整的記錄研究對(duì)象面部輪廓、色彩、皮膚紋理等特點(diǎn)，拍攝過(guò)程簡(jiǎn)單、安全無(wú)輻射，可以非常方便的用來(lái)記錄正頜患者術(shù)后復(fù)診和隨訪時(shí)的面部特征。Kau[29]等人還將其用于比較正頜術(shù)后腫脹消退的速度，發(fā)現(xiàn)一個(gè)月內(nèi)個(gè)體腫脹消退約60%，雙頜手術(shù)產(chǎn)生的腫脹更大，但消退速度相較單頜手術(shù)更快。與計(jì)算機(jī)軟件算法的結(jié)合，面部三維立體照片可用來(lái)量化面部的體積變化情況，在面部局部充填治療中，可用來(lái)觀察治療結(jié)果的情況，分析治療的預(yù)后情況。

3 總結(jié)與展望

面部三維立體攝影應(yīng)用于顏面部軟組織的采集具有速度快，精確度高，重現(xiàn)性高、非侵入性等特點(diǎn)，可用于顏面部軟組織的分析測(cè)量，不僅能定量分析面部標(biāo)記點(diǎn)之間的關(guān)系，還可用于定量分析面部對(duì)稱性及面部體積變化情況。將其用于建立面部三維模型時(shí)，用來(lái)正頜外科的術(shù)前模擬時(shí)，能夠模擬術(shù)后的整體面部軟組織形態(tài)，且準(zhǔn)確度較高，在正頜治療方案的確定及醫(yī)患溝通方面具有更大的優(yōu)勢(shì)。該系統(tǒng)能夠完整記錄對(duì)象面部軟組織特點(diǎn)，在術(shù)后隨訪及研究中也具有極大優(yōu)勢(shì)。

然而面部三維照片應(yīng)用于三維模擬時(shí)，因個(gè)體差異的存在，難以達(dá)到完全一致。在面部三維照片采集方面也缺乏標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)定，這將影響數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性與三維模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。