三維攝影測(cè)量技術(shù)在面部軟組織測(cè)量中的穩(wěn)定性研究

李興馳 高輝 肖丹娜

隨著先進(jìn)的檢查設(shè)備在正畸治療中的應(yīng)用以及患者對(duì)正畸后軟組織美觀要求的提高，頜面部軟組織的測(cè)量與評(píng)估已成為正畸大夫考察的重要項(xiàng)目[1-2]。目前較常用的立體測(cè)量軟組織的方法是三維攝影測(cè)量技術(shù)，其成像速度快，測(cè)量精度高，能三維重建影像，在臨床的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，將軟組織的研究引入了新的層面。

已經(jīng)有大量研究證實(shí)了三維攝影的精確度、準(zhǔn)確性高，接近于直接的人體學(xué)測(cè)量，結(jié)果可靠，可以滿足臨床的應(yīng)用，對(duì)軟組織進(jìn)行評(píng)估[3-5]。自然頭位[6-7]是目前公認(rèn)的拍攝與測(cè)量三維影像的最佳基準(zhǔn)，但目前尚未找到簡(jiǎn)便易行的能夠確保自然頭位的拍攝方法，目前已有的保證自然頭位的方法會(huì)給三維成像帶來(lái)很多不便[8]。在無(wú)法保證自然頭位的情況下，三維攝影技術(shù)的應(yīng)用受到限制。然而面部軟組織在拍攝時(shí)受頭部姿勢(shì)及面部肌肉的影響有多大，既非自然頭位下拍攝影像與自然頭位下拍攝影像有多大差異，國(guó)內(nèi)外未見(jiàn)相關(guān)研究。本研究旨在通過(guò)將同一對(duì)象的多次拍攝影像與自然頭位下的拍攝影像重疊，比較它們之間的差異，以探究姿勢(shì)對(duì)三維攝影的穩(wěn)定性的影響。

1 資料與方法

1.1 樣本的采集

5 名未接受正畸治療的在校大學(xué)生，分別拍攝3 次其面部軟組織的三維立體影像，每次間隔7天，每次拍攝9套影像。

排除標(biāo)準(zhǔn)：唇腭裂，有神經(jīng)疾病。

1.2 儀器與軟件

三維攝影裝置:3dMD立體攝影系統(tǒng)(3dMDface公司，USA)；臺(tái)式電腦(Dell公司，USA);圖像處理軟件：Geomagic Design X(3D Systems公司，USA);數(shù)據(jù)處理軟件：SPSS 19.0(IBM公司，USA)。

1.3 拍攝方法

受試者坐于3dMD相機(jī)前1 m處，自然放松背靠椅背，調(diào)整座椅高度至受試者面部位于鏡頭視野內(nèi)中間部位。相機(jī)后的墻面上有邊長(zhǎng)1 m的正方形紙板(圖1)，在其頂點(diǎn)，四邊中點(diǎn)及中心有9個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，依次按1～9標(biāo)記(標(biāo)記點(diǎn)5為該受試者自然頭位下直視的點(diǎn))。

圖1 3dMD相機(jī)及帶有標(biāo)記點(diǎn)的紙板Fig 1 The 3dMD system and paperboard with mark points

拍攝前操作員引導(dǎo)受試者情緒，消除緊張，使其盡量平靜，并囑受試者輕輕按摩面部，放松肌肉。每次拍攝，受試者分別轉(zhuǎn)動(dòng)頭部直視9 個(gè)標(biāo)記點(diǎn)(視角改變最大約30°)，拍攝9 套三維影像(圖2)，影像編號(hào)為A1-A9。并在間隔7 d和14 d時(shí)拍攝第二次(B1-B9)第3 次(C1-C9)。

圖2 受試者拍攝3dMD影像示意圖Fig 2 The diagram of examinees photographed with 3dMD system

1.4 圖像處理

將樣本影像導(dǎo)入至Geomagic Design X軟件，同一受試者三次共27套影像手動(dòng)進(jìn)行重合[9]。本研究中以受試者前額及鼻梁處為重疊參考區(qū)域[10]。

以各受試者的A5影像為基礎(chǔ)建立坐標(biāo)系。坐標(biāo)原點(diǎn)為眉間點(diǎn)G，X、Y軸為經(jīng)過(guò)G點(diǎn)，分別垂直于正中矢狀面和眶耳平面的直線。取額部、頰部、鼻唇部等部位的共22 個(gè)點(diǎn)作為標(biāo)志點(diǎn)[11](圖3，表1)。分別在重疊后的面部影像上標(biāo)記標(biāo)志點(diǎn)(圖4)，利用Geomagic Design X 軟件中的面片偏差功能，分別測(cè)量各受試者影像標(biāo)志點(diǎn)間的偏差，參考影像為A5，并收集所有標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)值。

圖3 面部的22 個(gè)標(biāo)志點(diǎn)Fig 3 22 landmarks on the face

圖4 Geomagic Design X軟件中重合后的影像Fig 4 The superimposed image in the Geomagic Design X

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

將標(biāo)志點(diǎn)間的偏差值錄入SPSS 19.0軟件，計(jì)算偏差的均值。將坐標(biāo)值錄入SPSS 19.0軟件進(jìn)行單變量方差分析，檢驗(yàn)水準(zhǔn)α=0.05，P<0.05視為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。對(duì)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的結(jié)果行q檢驗(yàn)(SNK法)。

2 結(jié) 果

2.1 不同影像各標(biāo)志點(diǎn)間的偏差

由表2可見(jiàn)，不同影像重合后標(biāo)志點(diǎn)間偏差的標(biāo)準(zhǔn)差都在1 mm內(nèi)。Ls、Pog、Me、Mnl偏差的標(biāo)準(zhǔn)差大于0.5 mm，其余部位小于0.5 mm。箱型圖如圖5所示。

表1 22個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的定義Tab 1 Definition of the 22 landmarks

2.2 拍攝姿勢(shì)和拍攝時(shí)間對(duì)標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)值的影響

由表3可見(jiàn)，不同姿勢(shì)下，頦部(Pog、Me)及下頜下緣(Mnr、Mnl)的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，不同拍攝時(shí)間下，鼻底(Sn)及唇周(Ls、Li)的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。其余部位在不同拍照姿勢(shì)和不同時(shí)間下，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。進(jìn)一步對(duì)具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的點(diǎn)進(jìn)行q檢驗(yàn)(SNK法)，可以得到差異分布于：PogX(姿勢(shì)1與9、1與7、2與6存在差異)、PogY(姿勢(shì)1與7、2與7存在差異)、MeX(姿勢(shì)1與3、2與3、2與4、3與7、3與9存在差異)、MeY(姿勢(shì)1與3、1與6、1與7、1與9、3與7、4與8存在差異)、MnrX(姿勢(shì)3與7、4與7存在差異)、MnrY(姿勢(shì)3與8、3與9、6與7存在差異)、MnlY(姿勢(shì)1與9、2與4、2與7、6與9存在差異)；SnY(第1 次拍照和第2 次拍照存在差異)、LsY(第1 次和第2 次、第1 次和第3 次存在差異)、LsZ(第1 次和第3 次、第2 次和第3 次存在差異)、LiZ(三次全有差異)。

3 討 論

目前軟組織的測(cè)量評(píng)估仍處于摸索階段，沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)[7]。測(cè)量的工具已經(jīng)足夠先進(jìn)，不管是三維攝影、結(jié)構(gòu)光、莫爾云紋，測(cè)量精度都得到了認(rèn)可；軟組織定點(diǎn)的穩(wěn)定性也得到了驗(yàn)證[11-13]。制約該領(lǐng)域發(fā)展的主要問(wèn)題在于軟組織不像硬組織那樣穩(wěn)定，其形態(tài)受主體的身體狀況、精神情緒、拍攝姿勢(shì)等影響，變化很大。個(gè)體多次拍攝能否保持自然頭位，各次拍攝影像之間是否存在誤差，是否具有可比性一直存在疑問(wèn)。有學(xué)者提出了提高穩(wěn)定性的方式，如面部的固定裝置或在軟組織做記號(hào)[8]。但這些方法十分繁瑣，操作時(shí)間長(zhǎng)，臨床上很難大范圍應(yīng)用；同時(shí)，一些裝置作用于頭部，對(duì)軟組織有壓迫，受試者戴上后也會(huì)不自在，難以放松；裝置對(duì)面部有遮擋，無(wú)法取得面部完整的影像[14]。這些缺點(diǎn)與設(shè)計(jì)裝置的目的背道而馳，因此不能實(shí)施。這樣一來(lái)，三維攝影技術(shù)的應(yīng)用就被局限了嗎？人們往往先入為主的認(rèn)為不同的姿勢(shì)肯定會(huì)影響軟組織，但到底會(huì)不會(huì)有影響，有多大的影響，國(guó)內(nèi)外未見(jiàn)相關(guān)研究。

表2 重合后各標(biāo)志點(diǎn)的偏差Tab 2 The deviation of landmarks after superimposing

圖5 重合后各標(biāo)志點(diǎn)偏差的箱型圖Fig 5 Box plot of the deviation of landmarks after superimposing

表3 標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)值的方差分析Tab 3 Variance analysis of the coordination of the landmarks

注：①P<0.05;②P<0.01

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)受試者分次在不同姿勢(shì)下拍攝的三維影像進(jìn)行測(cè)量比較，發(fā)現(xiàn)不同的影像之間，重疊效果較好，鼻底以上的部位，重合偏差較小，額部、鼻根部、顴頰區(qū)域偏差均在0.3 mm內(nèi)，而口角、頦部以及下頜下緣處偏差較大，但也小于1 mm。這說(shuō)明即使在不同的姿勢(shì)不同的時(shí)間進(jìn)行拍攝，影像之間的偏差也很小，0.3 mm的偏差是臨床上可以接受的。而口角、頦部和下頜下緣的偏差較大，可能是因?yàn)椴煌淖藙?shì)下頸部皮膚變形，牽動(dòng)下頜部分的皮膚，以及降頜肌群變化導(dǎo)致下頜骨位置也產(chǎn)生一定的變化。但這樣的變化程度很小，本實(shí)驗(yàn)中，受試者的視角改變?cè)?0°，而臨床上一般會(huì)讓患者在自然頭位下進(jìn)行三維成像，不會(huì)產(chǎn)生這么大的偏差。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，不同的姿勢(shì)對(duì)頦部及下頜下緣標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)有影響，這說(shuō)明不同姿勢(shì)面下部軟組織的變化是有一定規(guī)律的[15]。如果能夠做到姿勢(shì)的穩(wěn)定，那么三維影像的穩(wěn)定性也能有好的保障。同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)，受試者鼻底及唇部的位置受拍攝時(shí)間的影響，這可能是由于患者的唇部肌肉在拍照前未得到充分的放松，需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，如果不能排除這個(gè)因素，則提示我們唇部的影像可重復(fù)性較差，尚不能對(duì)多次拍攝的結(jié)果進(jìn)行高精度的比較。

拍照姿勢(shì)不同，變化最大的部位應(yīng)該是頸部，本實(shí)驗(yàn)原本計(jì)劃納入頸部的標(biāo)志點(diǎn)，但在實(shí)際操作過(guò)程中，由于相機(jī)經(jīng)常不能完全采集到頸部皮膚的圖像，同時(shí)頸部缺少明顯的參照，標(biāo)志點(diǎn)難以確認(rèn)，最終將頸部標(biāo)志點(diǎn)從實(shí)驗(yàn)中去掉。其他標(biāo)志點(diǎn)在確定的過(guò)程中也有一定的誤差，如果能夠提高定點(diǎn)的精度，會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)有很大幫助；如果能夠用標(biāo)志面取代標(biāo)志點(diǎn)，分析曲面之間的偏差，誤差將會(huì)更小，這也符合從平面向立體的研究方向。

本實(shí)驗(yàn)尚需更多的數(shù)據(jù)、更高的精度、更可信的結(jié)果來(lái)比較不同姿勢(shì)下軟組織的變化，如果能確認(rèn)姿勢(shì)對(duì)軟組織的影響很小，那么臨床上就可以廣泛進(jìn)行軟組織對(duì)比；如果影響很大，一方面我們可以探索更好的維持姿勢(shì)穩(wěn)定的方法，另一方面，找到不同姿勢(shì)對(duì)軟組織影響的規(guī)律，對(duì)采集的圖像進(jìn)行修正，消除姿勢(shì)的影響，也是一條可以嘗試的道路。

綜上所述，在一定范圍內(nèi)，拍攝姿勢(shì)對(duì)三維圖像的影響較小，非自然頭位與自然頭位下拍攝圖像的偏差在面中上2/3較小，面下1/3較大，但都能滿足目前臨床的需要，如比較手術(shù)或正畸前后面部軟組織的變化[16-17]。但要建立完善的三維軟組織評(píng)價(jià)體系，三維攝影目前的穩(wěn)定性還不能達(dá)到要求，需要繼續(xù)探索提高穩(wěn)定性的拍攝方法。