朱玉佳,趙一姣,鄭盛文,溫奧楠,傅湘玲△,王 勇△
(1. 北京大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院·口腔醫(yī)院,口腔醫(yī)學(xué)數(shù)字化研究中心 國家口腔疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心 口腔數(shù)字化醫(yī)療技術(shù)和材料國家工程實(shí)驗(yàn)室 口腔數(shù)字醫(yī)學(xué)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081; 2. 北京大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院·口腔醫(yī)院口腔修復(fù)教研室,北京 100081; 3. 北京郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院(國家示范性軟件學(xué)院),北京 100876; 4. 北京郵電大學(xué)可信分布式計(jì)算與服務(wù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100876)
面部對(duì)稱性是人類學(xué)面部吸引力及口腔美學(xué)的關(guān)鍵因素,由于發(fā)育過程中的生物因素和環(huán)境因素影響,幾乎沒有絕對(duì)對(duì)稱的人臉[1-4]。面部不對(duì)稱畸形的臨床表現(xiàn)具有多樣化和復(fù)雜性的特性,且多見于面下1/3[5-6]。隨著數(shù)字化診療技術(shù)的發(fā)展,三維面部對(duì)稱性分析成為口腔正頜、正畸矯治制定相應(yīng)治療計(jì)劃的基礎(chǔ)環(huán)節(jié),也是口腔美學(xué)修復(fù)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)[7-9],對(duì)稱參考平面的正確與否對(duì)診療結(jié)果有非常大的影響。三維面部對(duì)稱參考平面(symmetry reference plane,SRP,也稱正中矢狀平面)的構(gòu)建是三維面部對(duì)稱性分析的前提和關(guān)鍵。
傳統(tǒng)方法?;诿娌咳S數(shù)字模型上重要解剖標(biāo)志點(diǎn)或結(jié)合自然頭位構(gòu)建對(duì)稱參考平面,該方法的核心在于面部解剖標(biāo)志點(diǎn)的選擇[10-11]。既往研究對(duì)標(biāo)志點(diǎn)的選擇標(biāo)準(zhǔn)不一,較難實(shí)現(xiàn)適用于各類型面部畸形的共性方法,因此,近年來基于三維面部模型本體及其鏡像模型重疊關(guān)聯(lián)構(gòu)建對(duì)稱參考平面的方法(簡(jiǎn)稱本體-鏡像關(guān)聯(lián)法)得到越來越多的關(guān)注[12]。本體-鏡像關(guān)聯(lián)法的原理是對(duì)三維面部模型(本體模型)及其鏡像模型的幾何形態(tài)進(jìn)行最優(yōu)三維重疊匹配,重疊后的聯(lián)合模型稱為關(guān)聯(lián)模型,該關(guān)聯(lián)模型理論上為一對(duì)稱模型,通過分析關(guān)聯(lián)模型的對(duì)稱平面,從而確定原始三維面部模型(本體模型)的對(duì)稱參考平面。
本體-鏡像關(guān)聯(lián)法的核心環(huán)節(jié)是三維面部本體與其鏡像間的最優(yōu)重疊算法,現(xiàn)有研究主要采用迭代最近點(diǎn)(iterative closest point,ICP)算法和普氏分析(Procrustes analysis,PA)算法[13-15]。ICP算法在本領(lǐng)域應(yīng)用較早,它不依賴于解剖標(biāo)志點(diǎn),軟件可自動(dòng)化完成本體和鏡像三維面部模型間的全數(shù)據(jù)最優(yōu)匹配重疊,但對(duì)復(fù)雜面部畸形的情況,臨床還需輔助人工對(duì)面部非畸形區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選,稱為“區(qū)域ICP算法”[16-17]。PA算法則基于面部重要解剖標(biāo)志點(diǎn),在保證三維面部本體和鏡像模型上同名解剖標(biāo)志點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)關(guān)系的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)本體和鏡像標(biāo)志點(diǎn)集間平均距離最小的重疊,從而獲得本體和鏡像模型的最優(yōu)重疊位置。PA算法對(duì)面部重要解剖標(biāo)志點(diǎn)的關(guān)注較符合口腔臨床的診斷經(jīng)驗(yàn)和習(xí)慣,并被證實(shí)具有較好的可靠性[14],但也同樣存在對(duì)復(fù)雜面部畸形的適合性欠佳問題[18],分析其原因在于現(xiàn)有PA算法不具備對(duì)面部個(gè)性化畸形特征(不同程度的不對(duì)稱)進(jìn)行量化評(píng)估和權(quán)重分配的機(jī)制。
本研究在既往PA算法研究的基礎(chǔ)上,擬通過形態(tài)學(xué)研究方法中的歐氏距離矩陣分析(Euclidean distance matrix analysis,EDMA)方法,對(duì)面部重要解剖標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行量化評(píng)估,并基于該量化評(píng)估結(jié)果對(duì)面部解剖標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行量化賦權(quán),從而建立一種基于賦權(quán)普氏分析算法(weighted Procrustes analysis,WPA)的三維面部對(duì)稱參考平面自動(dòng)構(gòu)建方法,并應(yīng)用該方法初步對(duì)口腔臨床較為常見的下頜偏斜類面部不對(duì)稱畸形病例進(jìn)行算法的臨床適用性研究。
選取就診于北京大學(xué)口腔醫(yī)院正畸科、頜面外科、修復(fù)科的下頜偏斜面部不對(duì)稱畸形患者30例,納入標(biāo)準(zhǔn)為:患者處于自然頭位時(shí),頦前點(diǎn)與經(jīng)鼻根點(diǎn)垂直于雙側(cè)瞳孔連線的面中線偏差大于3 mm。本研究獲得北京大學(xué)口腔醫(yī)院生物醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)(PKUSSIRB-202054042),患者均對(duì)本研究?jī)?nèi)容、目的充分知情并同意。
采集三維面相之前進(jìn)行設(shè)備校準(zhǔn)以保證能夠準(zhǔn)確取像,患者在距離照相設(shè)備135 cm處,臨床醫(yī)師指導(dǎo)患者至自然頭位狀態(tài),患者采取端坐位,雙眼平視前方,保持眶耳平面(Frankfort plane)與地平面平行,于面部表情自然放松時(shí)獲取數(shù)據(jù)。三維面部數(shù)據(jù)能夠采納的標(biāo)準(zhǔn)為:有效顯示面部輪廓、分辨率高、沒有明顯的移動(dòng)和閉口。使用逆向工程軟件Geomagic Studio 2013對(duì)采集的患者面部三維數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理,包括刪除多余數(shù)據(jù)(如裁減頭發(fā)、頸部)和修補(bǔ)孔洞。調(diào)整原始三維面部模型空間位姿至自然頭位,使自然頭位坐標(biāo)系的眶耳平面與全局坐標(biāo)系XZ平面重合,矢狀面與全局坐標(biāo)系YZ平面重合。由口腔臨床高年資醫(yī)師根據(jù)臨床經(jīng)驗(yàn)完成本體面部模型(Model_Org)重要解剖標(biāo)志點(diǎn)集的提取,在全面部區(qū)域選取發(fā)際點(diǎn)、額點(diǎn)、鼻根點(diǎn)、鼻尖點(diǎn)、鼻底點(diǎn)等共計(jì)32個(gè)解剖標(biāo)志點(diǎn)(中線10個(gè)、雙側(cè)各11個(gè)),間隔1周提取3次,求坐標(biāo)均值作為本體標(biāo)志點(diǎn)集(LMK_Org),標(biāo)志點(diǎn)集如圖1所示。計(jì)算本體標(biāo)志點(diǎn)集的重心坐標(biāo),將本體模型平移至標(biāo)志點(diǎn)集重心與全局坐標(biāo)系原點(diǎn)重合,保存為OBJ文件。
Midline landmarks: glabella (Gb), trichion (Tri), pronasale (Prn), nasion (N), subnasale (Sn), labiale superius (Ls), labiale inferius (Li), sublabiale (Sl), pogonion (Pg), gnathion (Gn); bilateral landmarks: superciliary ridge (Su), exocanthion (Ex), endocanthion (En), pupil (Pu), alare (Ala), subalare (Sal), zygion (Zg), tragion (Tr), crista philtre (Cph), cheilion (Ch), gonion (Go).
采用EDMA法量化評(píng)估三維面部解剖標(biāo)志點(diǎn)的不對(duì)稱性,并依據(jù)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行不對(duì)稱性排序[19-20]。EDMA法是一種基于一系列標(biāo)志點(diǎn)間的距離組成的矩陣來比較兩個(gè)個(gè)體幾何形態(tài)差異的方法。通過分別計(jì)算單一個(gè)體所有標(biāo)志點(diǎn)之間的歐氏距離,建立歐氏距離形態(tài)矩陣,兩個(gè)個(gè)體矩陣中相對(duì)應(yīng)的距離線段的比值組成一個(gè)矩陣,即為兩個(gè)體的形態(tài)差異矩陣(form difference matrix,F(xiàn)DM)。
為研究單一標(biāo)志點(diǎn)對(duì)左、右臉形態(tài)差異的貢獻(xiàn)大小(不對(duì)稱性程度),通過逐一刪除成對(duì)的單側(cè)標(biāo)志點(diǎn)或中線單個(gè)標(biāo)志點(diǎn)(i=1、2…21)計(jì)算剩余標(biāo)志點(diǎn)集的FDM,并定義T(-i)為刪除第i個(gè)標(biāo)志點(diǎn)后FDM元素的平均值。T(-i)值越接近1,代表刪除該標(biāo)志點(diǎn)后剩余標(biāo)志點(diǎn)集的不對(duì)稱程度有所降低,即該點(diǎn)在標(biāo)志點(diǎn)集中不對(duì)稱性的貢獻(xiàn)較大,可認(rèn)為T(-i)最小值對(duì)應(yīng)的標(biāo)志點(diǎn)不對(duì)稱程度最高,因而其不對(duì)稱性排序最高。將各點(diǎn)的不對(duì)稱性排序定義為EDMA值,按T(-i)值從大到小,EDMA值分別為1~21。
Examples were the exocanthion (Ex), zygion (Zg), cheilion (Ch), nasion (N), pronasale (Prn). The yellow line segment was the distance between the bilateral landmarks, the green line segment was the distance between the midline and bilateral landmarks, and red points inside the blue dotted line were right landmark set and left landmark set, respectively.
1.5.1經(jīng)典PA算法對(duì)稱參考平面的構(gòu)建(實(shí)驗(yàn)組一) 將30個(gè)病例模型的本體標(biāo)志點(diǎn)集(LMK_Org)中32個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)輸入基于python語言編制的經(jīng)典PA算法程序,該程序首先需要對(duì)本體標(biāo)志點(diǎn)集基于YZ平面鏡像獲得鏡像標(biāo)志點(diǎn)集(LMK_Mir),計(jì)算基于經(jīng)典PA算法實(shí)現(xiàn)本體和鏡像標(biāo)志點(diǎn)集間配對(duì)標(biāo)志點(diǎn)的重疊效果,并對(duì)坐標(biāo)變換后的鏡像標(biāo)志點(diǎn)集與本體標(biāo)志點(diǎn)集中的對(duì)應(yīng)標(biāo)志點(diǎn)(32對(duì))通過求解方程來擬合對(duì)稱參考平面,定義為PA對(duì)稱參考平面(SRP_PA)。
1.5.3區(qū)域ICP算法(參考組) 同樣基于上述Model_Org模型,在Geomagic Studio軟件中由高年資醫(yī)師手工選取本體模型上面部對(duì)稱性良好的區(qū)域,對(duì)Model_Org基于YZ平面獲得鏡像模型Model_Mir,根據(jù)專家選取區(qū)域進(jìn)行ICP配準(zhǔn)(保證本體模型固定、鏡像模型浮動(dòng)調(diào)整),本體與鏡像模型的專家定義區(qū)域重疊后,獲得本體-鏡像聯(lián)合模型并計(jì)算對(duì)稱參考平面,定義為“真值平面”(SRP_Ref), 最終構(gòu)建出30例患者面部數(shù)據(jù)的“真值平面”。同一三維面部數(shù)據(jù)基于上述PA、WPA及區(qū)域ICP算法構(gòu)建的對(duì)稱參考平面效果如圖3所示。
計(jì)算30個(gè)下頜偏斜三維面部模型通過PA算法和WPA算法構(gòu)建的對(duì)稱參考平面(SRP_PA和SRP_WPA)與真值平面(SRP_Ref)的夾角,分別記做Ang_PA和Ang_WPA,計(jì)算各算法平面角度誤差的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。
使用SPSS 21.0軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)組一(PA算法)和實(shí)驗(yàn)組二(WPA算法)的平面角度誤差進(jìn)行K-S正態(tài)性檢驗(yàn),采用配對(duì)t檢驗(yàn)(雙側(cè)檢驗(yàn))的方法對(duì)WPA算法、PA算法的平面角度誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)推斷,檢驗(yàn)水準(zhǔn)α均取雙側(cè)0.05。
PA算法和WPA算法的對(duì)稱參考平面的角度誤差(Ang_PA和Ang_WPA)均服從正態(tài)分布,PA算法組的平面角度誤差為2.06°±0.86°,WPA算法組為1.53°±0.84°,配對(duì)t檢驗(yàn)顯示兩組間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),WPA算法組的平面角度誤差較小,說明30例患者的面部數(shù)據(jù)經(jīng)WPA算法構(gòu)建的對(duì)稱參考平面與“真值平面”更為接近(表1)。
采用頦部至專家定義的“真值平面”的距離評(píng)估患者的面下部不對(duì)稱畸形程度,30例不同偏斜程度患者的平面角度誤差分布規(guī)律見表2。各分組數(shù)據(jù)顯示,WPA算法的平面角度誤差均小于PA算法,且WPA算法的角度誤差均未超過2°,隨患者面下部不對(duì)稱畸形程度增大,兩算法的角度誤差也有所增大,但WPA算法的誤差增幅明顯小于PA算法,特別是在明顯下頜偏斜組中兩者差距最大,說明WPA算法比經(jīng)典PA算法對(duì)下頜顯著偏斜患者的適合性更好。
回顧三維面部對(duì)稱參考平面本體-鏡像關(guān)聯(lián)法的既往研究,本體和鏡像模型的重疊算法主要以ICP算法和PA算法為主[13-15]。ICP算法是一種完全不參考解剖標(biāo)志點(diǎn)的算法,雖然有研究驗(yàn)證了ICP關(guān)聯(lián)法在構(gòu)建正常面型面部數(shù)據(jù)的對(duì)稱參考平面時(shí)的可靠性和可重復(fù)性,但對(duì)于面部嚴(yán)重不對(duì)稱畸形的患者,對(duì)稱性不良數(shù)據(jù)會(huì)對(duì)算法造成干擾,使對(duì)稱參考平面的構(gòu)建效果欠佳[16]。有研究對(duì)全局ICP關(guān)聯(lián)法進(jìn)行了改進(jìn),通過人工選取對(duì)稱性良好的面部區(qū)域進(jìn)行本體和鏡像重疊運(yùn)算,一定程度上改進(jìn)了ICP關(guān)聯(lián)法的臨床適合性,稱之為區(qū)域ICP關(guān)聯(lián)法[16-17,21-23]。區(qū)域ICP關(guān)聯(lián)法引入了人為干預(yù),雖然提高了準(zhǔn)確性,但也降低了算法的自動(dòng)化程度。
本研究采用專家篩選區(qū)域的區(qū)域ICP關(guān)聯(lián)法作為“真值組”,評(píng)價(jià)本研究WPA算法的準(zhǔn)確性,該算法目前具有較好的臨床認(rèn)可度[17,23]。
PA算法與ICP算法的顯著區(qū)別在于PA算法更為關(guān)注面部解剖標(biāo)志點(diǎn)的參考價(jià)值,這種算法的核心思想是基于與對(duì)稱性判斷密切相關(guān)的解剖標(biāo)志點(diǎn)集的重疊,引導(dǎo)構(gòu)建本體-鏡像關(guān)聯(lián)模型,從而獲得對(duì)稱參考平面。這種算法的原理比較符合口腔醫(yī)生臨床診療的習(xí)慣和經(jīng)驗(yàn),近年來也得到廣泛關(guān)注。有研究證實(shí)了PA關(guān)聯(lián)法在面部無明顯不對(duì)稱的患者中適用性良好[18]。但是,與ICP算法一樣,對(duì)稱性不良的PA標(biāo)志點(diǎn)會(huì)對(duì)PA算法產(chǎn)生匹諾曹效應(yīng)(Pinocchio effect)[24],同樣存在著對(duì)復(fù)雜面部畸形對(duì)稱參考平面構(gòu)建效果欠佳的問題。PA算法的改進(jìn)方向之一是對(duì)PA標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行篩選,Gateno等[22]通過“遞歸PA算法”對(duì)標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行排序,刪除明顯不對(duì)稱的標(biāo)志點(diǎn)(離群值),使用剩余的標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行PA運(yùn)算,從而避免不良標(biāo)志點(diǎn)的干擾,但這種算法對(duì)于復(fù)雜面部畸形的患者(絕大部分標(biāo)志點(diǎn)對(duì)稱性均不理想),可能會(huì)剔除過多的標(biāo)志點(diǎn),出現(xiàn)局部過優(yōu)化的結(jié)果傾向。PA算法的另一改進(jìn)方向即為對(duì)不同標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行賦權(quán),有研究使用稠密序列類標(biāo)志點(diǎn)作為面部蒙版,將其映射到患者模型上,通過迭代篩選離群點(diǎn),使用PA算法進(jìn)行本體與鏡像蒙版重疊,并依據(jù)每個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的匹配質(zhì)量進(jìn)行賦權(quán)[25-27]。
本研究提出的WPA算法是基于三維幾何形態(tài)學(xué)分析編制自動(dòng)化算法對(duì)標(biāo)志點(diǎn)的對(duì)稱性進(jìn)行量化評(píng)估,并將量化評(píng)估結(jié)果作為標(biāo)志點(diǎn)賦權(quán)參數(shù),實(shí)現(xiàn)具有個(gè)性化特征權(quán)值分配的對(duì)稱參考平面構(gòu)建。通過計(jì)算WPA算法面部對(duì)稱參考平面與專家定義對(duì)稱參考平面間的夾角,顯示30例下頜偏斜面部畸形患者的平均角度誤差均小于2°,與傳統(tǒng)無加權(quán)PA算法相比,WPA算法構(gòu)建的結(jié)果與臨床專家定義的“真值平面”更為接近(圖3),且對(duì)于嚴(yán)重不對(duì)稱畸形患者(下頜偏斜程度大于12 mm組)的優(yōu)勢(shì)更為明顯。Wu等[28]的研究表明,兩平面角度差異大于6° 時(shí)易被人感知,WPA算法與真值平面的角度誤差小于2°,表明WPA算法構(gòu)建的對(duì)稱參考平面的準(zhǔn)確性幾乎等同于專家參考平面。
本研究WPA算法的實(shí)現(xiàn)完全基于開放的python軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn),從人臉標(biāo)志點(diǎn)信息讀取到對(duì)稱參考平面的構(gòu)建,不依賴于任何第三方軟件,實(shí)現(xiàn)了完全自動(dòng)化,與基于商業(yè)軟件平臺(tái)ICP算法的專家組算法相比,WPA算法具有更好的二次開發(fā)性,有利于數(shù)字化診療的基層推廣。
本研究建立的WPA算法是在本體-鏡像關(guān)聯(lián)法的框架下,基于三維幾何形態(tài)學(xué)分析中的EDMA法對(duì)三維面部重要解剖標(biāo)志點(diǎn)的不對(duì)稱程度進(jìn)行量化評(píng)估,并以賦予標(biāo)志點(diǎn)相應(yīng)權(quán)重的形式體現(xiàn)其為對(duì)稱參考平面構(gòu)建的貢獻(xiàn)差異,該賦權(quán)算法是本研究的一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)。以往文獻(xiàn)報(bào)道,EDMA法已被應(yīng)用于顱面形態(tài)測(cè)量[29-31]、性別二態(tài)性研究[32-33]、口腔正畸學(xué)牙弓形態(tài)學(xué)分析[34-36]等領(lǐng)域,其原理為通過個(gè)體幾何形態(tài)上標(biāo)志點(diǎn)間的歐氏距離組成的矩陣反映個(gè)體的形狀和大小,并通過個(gè)體間對(duì)應(yīng)矩陣元素的比值反映個(gè)體間的形態(tài)差異。聶瓊等[37]進(jìn)行錯(cuò)牙合畸形牙弓形態(tài)分析時(shí),通過刪除標(biāo)志點(diǎn)找出對(duì)形態(tài)差異貢獻(xiàn)相對(duì)較大的標(biāo)志點(diǎn)。本研究借鑒了EDMA法個(gè)體間差異分析的原理,將人臉左側(cè)、右側(cè)標(biāo)志點(diǎn)集分別與中線標(biāo)志點(diǎn)集組合構(gòu)建為左臉形態(tài)點(diǎn)集和右臉形態(tài)點(diǎn)集,將左臉和右臉作為互為鏡像的個(gè)體,借助EDMA法進(jìn)行左、右臉形態(tài)差異的量化分析,從而獲得標(biāo)志點(diǎn)不對(duì)稱性的量化分析結(jié)果。通過刪除某一標(biāo)志點(diǎn)計(jì)算其余標(biāo)志點(diǎn)的T(-i)值,分析該點(diǎn)對(duì)左、右臉三維形態(tài)不一致程度上的貢獻(xiàn),進(jìn)而通過自動(dòng)化算法對(duì)每個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的T(-i)值進(jìn)行逐一計(jì)算和排序,不對(duì)稱性排序最低者權(quán)值為1,最高者權(quán)值為0,左右對(duì)應(yīng)標(biāo)志點(diǎn)權(quán)值相同,權(quán)值根據(jù)排序呈線性單調(diào)遞減。30例面下偏斜患者三維面部數(shù)據(jù)分析顯示,鼻根點(diǎn)、鼻尖點(diǎn)、內(nèi)眥點(diǎn)、外眥點(diǎn)等面上及面中部標(biāo)志點(diǎn)的算法賦權(quán)總體較高,頦前點(diǎn)、頦下點(diǎn)、下頜角點(diǎn)等面下部標(biāo)志點(diǎn)的算法賦權(quán)總體偏低,該算法結(jié)果較符合口腔臨床針對(duì)面下偏斜病例的常規(guī)診斷經(jīng)驗(yàn),EDMA法用于面部標(biāo)志點(diǎn)不對(duì)稱性量化評(píng)估具有較好的臨床適合性。
本研究基于EDMA值的WPA算法構(gòu)建三維面部對(duì)稱參考平面,突出優(yōu)點(diǎn)是可以在不降低算法自動(dòng)化程度的前提下(無需人為干預(yù)),盡可能模擬面部對(duì)稱參考平面構(gòu)建過程中專家經(jīng)驗(yàn)對(duì)解剖標(biāo)志點(diǎn)參考價(jià)值權(quán)重的表達(dá),初步驗(yàn)證了WPA算法對(duì)下頜偏斜面部不對(duì)稱畸形患者具有較好的適合性,后續(xù)還需進(jìn)一步擴(kuò)大樣本類型及提高算法的自動(dòng)化程度(如三維面部標(biāo)志點(diǎn)自動(dòng)標(biāo)定),對(duì)不同面部分區(qū)畸形和不同程度面部畸形的適合性進(jìn)行進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)學(xué)和測(cè)量學(xué)分析,為臨床應(yīng)用提供指導(dǎo)。