不同年齡亞洲和歐洲人種女性3D面部形態(tài)對(duì)眼部光暴露水平的影響

黃麗婷，陳仁彤，李孟林，劉揚(yáng)

（中國(guó)醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院環(huán)境物理因素與健康教研室，沈陽(yáng) 110122）

眼是人體光暴露的主要靶器官之一，角膜、晶狀體和視網(wǎng)膜很容易受到紫外線、可見(jiàn)光和紅外光的傷害［1］，長(zhǎng)期的日光暴露可導(dǎo)致白內(nèi)障、老年性黃斑變性、翼狀胬肉和氣候雨滴性角膜病變等［2］。影響光進(jìn)入眼部的因素，除了大氣成分、太陽(yáng)高度角（solar elevation angle，SEA）、緯度、海拔、云層、反射率外［3］，額骨和眼眶骨的結(jié)構(gòu)也是重要因素之一［4］。前期研究［5］發(fā)現(xiàn)，由于亞洲和歐洲人種面部解剖結(jié)構(gòu)，尤其是眉弓和眉間形態(tài)差異，可導(dǎo)致亞洲人眼部光暴露的風(fēng)險(xiǎn)更大。隨著年齡的增長(zhǎng)，面部形態(tài)在皮膚、脂肪、肌肉和骨骼的共同作用下會(huì)發(fā)生衰老變化［6］，包括上眼瞼內(nèi)側(cè)脂肪墊突出，鼻顴骨溝加深，面頰扁平凹陷，下頜溝加深［7］。為了探究年齡導(dǎo)致的面部形態(tài)學(xué)差異是否會(huì)影響眼部光暴露水平，本研究將采用FaceGen軟件構(gòu)建25歲和60歲亞洲和歐洲人種女性3D面部形態(tài)學(xué)模型，并在3ds Max軟件中進(jìn)行日光暴露模擬，以分析不同年齡面部形態(tài)學(xué)差異對(duì)眼部光暴露水平的影響。

1 材料與方法

1.1 不同年齡亞洲和歐洲人種女性3D面部形態(tài)學(xué)模型構(gòu)建

以FaceGen Modeller［version Demo 3.14］軟 件（免費(fèi)版）提供的亞洲和歐洲人種女性不同年齡（25歲和60歲）平均臉（Average Face）圖像數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，生成不同年齡3D頭部模型obj格式文件。將3D頭部模型分別導(dǎo)入Geomagic Studio12軟件和ZBrush 4R8軟件，經(jīng)裁剪和去除模型頭部的“FG”標(biāo)志后生成不同年齡3D面部形態(tài)學(xué)模型obj格式文件。導(dǎo)入3ds Max［version 2017］軟件，完成亞洲和歐洲人種女性不同年齡3D面部形態(tài)學(xué)模型構(gòu)建。見(jiàn)圖1。

1.2 日光渲染

圖1 亞歐人種女性25歲和60歲3D頭部模型Fig.1 25 and 60 years old 3D head model of Asian and European females

1.2.1 渲染條件：在3ds Max軟件上將模擬日期設(shè)定為2019年6月21日（夏至日，SEA最大），模擬時(shí)間為CST 7：00到18：00，間隔15 min，時(shí)區(qū)設(shè)置為東八區(qū)；地理位置設(shè)置為三亞北緯18.416°，東經(jīng)109.773°，北向設(shè)置為0；天氣條件設(shè)定為晴朗無(wú)云；模型中心位置坐標(biāo)均為系統(tǒng)坐標(biāo)（0，0，0）。

1.2.2 渲染方法：采用3ds Max軟件的日光系統(tǒng)，將太陽(yáng)光和天光結(jié)合在一起。本研究中采用的太陽(yáng)光組件為美國(guó)照明工程協(xié)會(huì)（Illuminating Engineering Society of North America，IES）太陽(yáng)光，天光組件為IES天光。將構(gòu)建好的日光模擬系統(tǒng)投射于亞洲和歐洲人種女性25歲和60歲3D面部形態(tài)學(xué)模型，調(diào)整指南針北向方向以保證模型旋轉(zhuǎn)起始方向?yàn)檎龑?duì)太陽(yáng)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，每6°輸出1幀動(dòng)畫(huà)，旋轉(zhuǎn)1周360°共生成60幀動(dòng)畫(huà)。

1.3 眼部瞳孔灰度值計(jì)算

應(yīng)用MATLAB 2018a軟件打開(kāi)上述渲染結(jié)果圖，編寫(xiě)程序語(yǔ)句，讀取渲染結(jié)果圖片中左眼瞳孔暴露部位上45個(gè)像素點(diǎn)的灰度值及其平均值，將結(jié)果輸出至Excel文件。見(jiàn)圖2。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010和OriginPro 9軟件整理數(shù)據(jù)并作圖。

2 結(jié)果

2.1 不同年齡亞洲和歐洲人種女性眼部光暴露渲染圖差異

亞洲和歐洲人種女性25歲和60歲年齡模型左眼瞳孔部位的陰影區(qū)域的大小隨著SEA的增加逐漸增大；在相同SEA的條件下，60歲模型左眼瞳孔部位的陰影區(qū)域小于25歲模型；歐洲人種模型左眼瞳孔部位的陰影區(qū)域大于亞洲人種模型。見(jiàn)圖3。

圖3 25歲（左）和60歲（右）模型眼部光暴露渲染圖Fig.3 25-year-old（left）and 60-year-old（right）model ocular light exposure rendering

2.2 亞洲和歐洲人種女性不同年齡眼部光暴露灰度值差異

亞洲人種女性25歲和60歲年齡模型眼部日光暴露模擬灰度值在SEA＜60°時(shí)，隨旋轉(zhuǎn)角度變化差異不顯著，僅在旋轉(zhuǎn)角度為72°～96°和282°～288°之間時(shí)略有差異；當(dāng)SEA為60°～80°時(shí)，具有差異的旋轉(zhuǎn)角度區(qū)間逐漸增大，在旋轉(zhuǎn)角度180°～360°區(qū)間范圍內(nèi)，從282°～288°增加至282°～330°，且差異逐漸增大；當(dāng)SEA為80°～85°區(qū)間范圍內(nèi)，25歲模型眼部日光暴露模擬灰度值在旋轉(zhuǎn)角度0°～78°和294°～360°范圍內(nèi)均低于60歲模型。而歐洲人種女性25歲和60歲年齡模型眼部日光暴露模擬灰度值在SEA＜30°時(shí)，隨旋轉(zhuǎn)角度變化差異不大，僅在旋轉(zhuǎn)角度為288°～294°之間時(shí)略有差異；當(dāng)SEA為30°～65°時(shí)，具有差異的旋轉(zhuǎn)角度區(qū)間逐漸增大，在旋轉(zhuǎn)角度180°～360°區(qū)間范圍內(nèi)，從288°～294°增加至288°～336°，且差異逐漸增大；在SEA65°～77°區(qū)間范圍內(nèi)，25歲模型眼部日光暴露模擬灰度值在旋轉(zhuǎn)角度0°～66°和318°～360°范圍內(nèi)均低于60歲模型；當(dāng)SEA＞77°時(shí)，25歲和60歲年齡模型眼部眼部日光暴露模擬灰度值一直保持在最低值范圍內(nèi)，且?guī)缀鯚o(wú)差異。

25歲年齡模型中，當(dāng)SEA＜30°時(shí)，亞洲和歐洲模型眼部日光暴露模擬灰度值隨旋轉(zhuǎn)角度變化差異不大；當(dāng)SEA為30°～68°時(shí)，兩模型眼部日光暴露模擬灰度值具有差異的旋轉(zhuǎn)角度區(qū)間逐漸增大；當(dāng)SEA為68°～85°范圍內(nèi)，亞洲模型眼部日光暴露模擬灰度值逐漸減小直至最低值。而60歲年齡模型中，當(dāng)SEA＜60°時(shí)，亞洲和歐洲模型眼部日光暴露模擬灰度值隨旋轉(zhuǎn)角度變化差異不大；當(dāng)SEA為60°～76°時(shí)，兩模型眼部日光暴露模擬灰度值具有差異的旋轉(zhuǎn)角度區(qū)間逐漸增大，且歐洲模型眼部日光暴露模擬灰度值逐漸減小，直至最低值；當(dāng)SEA為76°～85°范圍內(nèi)時(shí)，亞洲模型眼部日光暴露模擬灰度值逐漸減小。見(jiàn)圖4。

3 討論

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在有視力問(wèn)題的個(gè)體中，女性約占67%，其中大多數(shù)年齡在50歲以上，且女性有較高的失明率［8-10］。白內(nèi)障占全球所有失明原因的一半以上，全球范圍內(nèi)女性白內(nèi)障患病率高于男性［11］，因此，本研究選擇了女性作為研究對(duì)象。

圖4 不同SEA亞歐人種女性25歲和60歲模型眼部光暴露灰度值差異Fig.4 Differences in gray values between ocular light exposures of 25-year-old and 60-year-old females in Asian and European at different SEA

由于獲取同一人群不同年齡面部特征圖像十分困難，且難以對(duì)同一研究對(duì)象進(jìn)行具有完全可比性的前瞻性研究，難以保證個(gè)體的代表性，故本研究采用了FaceGen［12-13］軟件中提供的亞洲和歐洲人種女性25歲和60歲3D平均臉作為研究對(duì)象，該軟件演繹了不同人種的平均臉不同年齡面部形態(tài)的變化過(guò)程，更具有人種及年齡面部形態(tài)學(xué)代表性。盡管本研究屬于計(jì)算機(jī)模擬非實(shí)證性研究，但本研究組的前期研究［5］證明了渲染模擬與實(shí)測(cè)研究具有人工設(shè)置時(shí)間和經(jīng)緯度的靈活性和模擬條件的一致性，消除了實(shí)地監(jiān)測(cè)時(shí)天氣狀態(tài)和地面附近建筑物對(duì)光入射眼角度等的影響，能夠很好地表達(dá)眼部光暴露隨SEA和旋轉(zhuǎn)360°時(shí)的變化規(guī)律。

眼部接收的入射光線會(huì)受到眉弓和眉間部位、面頰顴骨、鼻部等解剖結(jié)構(gòu)的遮擋。本研究中，基于模型的渲染結(jié)果發(fā)現(xiàn)，亞洲和歐洲人種女性25歲和60歲模型之間面部形態(tài)學(xué)差異導(dǎo)致不同SEA下不同年齡模型眼部日光暴露模擬灰度值差異。當(dāng)模型面向背對(duì)太陽(yáng)方向時(shí)，25歲和60歲模型眼部日光暴露模擬灰度值相近，因此，推測(cè)亞洲和歐洲人種不同年齡模型之間的眼部日光暴露模擬灰度值的差異主要是由眉弓和眉間部位的解剖形態(tài)學(xué)差異引起。面部形態(tài)會(huì)隨著年齡的增長(zhǎng)發(fā)生明顯的變化，尤以額頭部分變化顯著，眉間及顳部明顯出現(xiàn)進(jìn)一步凹陷，眼周部位下瞼及鼻淚溝凹陷［14］，導(dǎo)致亞洲和歐洲人種女性60歲模型眼部日光暴露模擬灰度值大于25歲模型。說(shuō)明在相同的日光條件下，同樣處于戶外環(huán)境，老年人群眼部光暴露危險(xiǎn)性大于年輕人群，提示由年齡導(dǎo)致的面部形態(tài)變化有可能在加劇眼部光損傷過(guò)程中起一定作用。本研究還發(fā)現(xiàn)，由于歐亞人種之間存在面部形態(tài)學(xué)差異，歐洲人種眉骨發(fā)達(dá)，眼眶上脊突出，眼裂較長(zhǎng)，鼻梁高聳，而亞洲人種則眉骨、眼角間距、臉部和鼻子較寬，鼻梁較為塌陷［15］，盡管歐洲人種女性不同年齡模型眼部日光暴露模擬灰度值差異較大，而亞洲人種女性年齡模型之間眼部日光暴露模擬灰度值差異較小，但在相同年齡條件下，亞洲人種眼部光暴露危險(xiǎn)性仍大于歐洲人種。