光學(xué)三維表面成像技術(shù)的臨床應(yīng)用進(jìn)展

鐘業(yè)宏 楊斌

【提要】 精確且高效的人體學(xué)測量方法是整形外科不可或缺的重要手段。既往常用的直接測量法及二維攝像測量法精確度低、可重復(fù)性差，已不能滿足目前精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的需求。近年來，隨著光學(xué)技術(shù)高速發(fā)展，光學(xué)三維表面成像技術(shù)逐漸應(yīng)用于臨床，并已成為面部軟組織量化分析的重要手段。本文就光學(xué)三維表面成像技術(shù)的發(fā)展歷程、技術(shù)原理、成像精度、臨床應(yīng)用及未來的發(fā)展方向進(jìn)行綜述，為進(jìn)一步拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域提供新思路及參考依據(jù)。

對于同時兼顧形態(tài)美學(xué)及功能的整形外科，精確且高效的人體學(xué)測量手段是不可或缺的重要手段。既往常用的測量方法單一，主要采用直接測量法及二維攝像測量法進(jìn)行量化分析，但對于面部軟組織等可讓性較大的目標(biāo)部位，直接測量法易致其發(fā)生形變，造成較大的測量誤差且測量可重復(fù)性差；二維攝像測量法雖為非接觸性手段，但易受光線、焦距、焦點范圍、物距等攝像客觀條件影響，產(chǎn)生點位深度差，測量準(zhǔn)確性難以保證[1]。近年來，隨著光學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，非接觸性的光學(xué)三維表面成像技術(shù)有望解決上述問題并被廣泛應(yīng)用于臨床，如群體美學(xué)量化分析[2]、特殊解剖部位的動態(tài)分析[3]、面部表型及基因型聯(lián)系研究等[4]。目前，光學(xué)三維表面成像技術(shù)在面部軟組織分析領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛，本文就光學(xué)三維表面成像技術(shù)發(fā)展歷程、技術(shù)原理、成像精度、臨床應(yīng)用及其未來發(fā)展方向進(jìn)行綜述，為進(jìn)一步拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域提供新思路及參考依據(jù)。

1 三維表面成像發(fā)展歷程與光學(xué)三維表面成像技術(shù)

三維表面成像是指通過各種不同介質(zhì)對被觀察物體表面進(jìn)行掃描成像，從而得出其在三維空間坐標(biāo)并進(jìn)行分析的過程；光學(xué)三維表面成像則是利用結(jié)構(gòu)光、激光等光源介質(zhì)，對物體表面進(jìn)行投射掃描，從而生成包含空間位置、深度、顏色等信息的三維圖像的一種技術(shù)。

光學(xué)三維表面成像技術(shù)是由三維表面成像技術(shù)發(fā)展而來。1944 年，三維表面成像技術(shù)應(yīng)用于嬰兒Pierre-Robin 綜合征[5]，標(biāo)志著該技術(shù)首次應(yīng)用于臨床。隨后，圖像融合技術(shù)、摩爾條紋法、液晶掃描、視屏系統(tǒng)[6]等技術(shù)也被嘗試性應(yīng)用于患者三維成像。上述技術(shù)雖然均可獲得三維圖像并進(jìn)行分析，但因耗時長，成像質(zhì)量不一，成本難控等不足，無法廣泛應(yīng)用于臨床。1967 年，立體攝像技術(shù)的出現(xiàn)為光學(xué)三維表面成像技術(shù)提供了初步的理論及技術(shù)基礎(chǔ)[7]。21 世紀(jì)初，隨著激光、結(jié)構(gòu)光等光學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，3dMD、Canfield、Crisalix、Dimensional Imaging（Di3D）和Axisthree 等光學(xué)三維表面成像系統(tǒng)開始廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

2 光學(xué)三維表面成像技術(shù)原理

光學(xué)表面成像技術(shù)由結(jié)構(gòu)光技術(shù)及立體攝影技術(shù)組成[8]。結(jié)構(gòu)光技術(shù)利用結(jié)構(gòu)光投射器向被觀察物體表面投射光點、光柵、光面結(jié)構(gòu)，由圖像傳感器獲取圖案，經(jīng)計算機(jī)處理生成形狀數(shù)據(jù)，并填充相關(guān)的顏色和紋理信息，從而得到三維圖像[9]；立體攝影技術(shù)則是通過兩個或兩個以上攝像機(jī)對被觀察物體進(jìn)行特定角度拍攝，創(chuàng)建一個立體對，并在同一時間記錄深度，通過計算機(jī)建立精確的三維幾何模型，填充顏色和紋理信息后得到三維成像。其中，立體攝影技術(shù)可分為主動法、被動法和混合法三種[10]。主動法基于結(jié)構(gòu)光技術(shù)，將特定光波圖像投射于被觀察對象表面，用兩個以上鏡頭捕捉光波在物體表面的變形，通過計算捕捉每個二維點的三維坐標(biāo)后運(yùn)用三角測量法得到三維成像；被動法則是通過在不同方向地點設(shè)定多個攝像機(jī)對被觀察對象進(jìn)行多角度同步拍攝，然后直接進(jìn)行數(shù)字合并從而獲得三維成像；混合法則是同時運(yùn)用主動法及被動法技術(shù)，以獲得更為精準(zhǔn)的三維成像[10]。

3 光學(xué)三維表面成像技術(shù)精度及優(yōu)勢

目前光學(xué)三維表面成像技術(shù)的精確性已經(jīng)得到多方驗證[11]。不同三維掃描系統(tǒng)因自身光學(xué)成像方式不同，成像精度略有差別（如3dMD Face 系統(tǒng)掃描誤差<0.2 mm，Axisthree 掃描系統(tǒng)誤差<0.5 mm，Di3D 掃描系統(tǒng)誤差≤0.2 mm），但光學(xué)三維表面成像系統(tǒng)精度均顯著高于直接測量法等傳統(tǒng)方法。與此同時，光學(xué)三維表面成像技術(shù)掃描速度快，單次成像速度可達(dá)1.5 ms?；谄涓咚俪上裉匦?，光學(xué)三維表面成像技術(shù)還可進(jìn)行三維動態(tài)掃描，并對特殊部位進(jìn)行動態(tài)追蹤分析[12]，填補(bǔ)了動態(tài)人體學(xué)測量的空白。3dMD dynamic 和Di4DTM為目前常用的光學(xué)三維表面動態(tài)掃描系統(tǒng)，其中3dMD dynamic 動態(tài)捕捉速度可達(dá)60 幀/秒，最高可持續(xù)錄制10 min 動態(tài)視頻；專業(yè)級別Di4DTM動態(tài)捕捉速度可高達(dá)500幀/秒。動態(tài)掃描結(jié)束后，可將目標(biāo)動作逐幀分解并根據(jù)其世界空間坐標(biāo)系進(jìn)行進(jìn)一步量化分析。此外，光學(xué)三維表面成像技術(shù)是投射結(jié)構(gòu)光等光學(xué)介質(zhì)于物體表面，接受反射信息后直接于計算機(jī)上生成三維圖像，從而可有效避免因焦距、物距等攝像條件造成的成像質(zhì)量不佳，并可多方向、多維度查看被掃描對象。

4 光學(xué)三維表面成像技術(shù)的臨床應(yīng)用

光學(xué)三維表面成像技術(shù)的應(yīng)用不僅局限于掃描成像，其更多起到的是臨床科研工作的基礎(chǔ)基石作用，目前主要通過其延伸配套的測量技術(shù)、術(shù)前設(shè)計三維編輯等給臨床及科研工作提供強(qiáng)大的客觀支持。以下介紹光學(xué)三維表面成像技術(shù)的具有啟發(fā)性的臨床應(yīng)用。

4.1 在口腔正畸的應(yīng)用

目前，3dMD 系統(tǒng)主要用于評估及模擬正畸系列治療的軟組織變化情況，制定最佳的治療方案，便于在矯治過程中對方案進(jìn)行調(diào)整。Akan 等[13]通過使用頭顱射線照片及三維掃描圖像，對20 例應(yīng)用新型矯治器的患者進(jìn)行面部軟組織分析，得出的面部三維掃描結(jié)果具有傳統(tǒng)頭顱測量相似的準(zhǔn)確度和精確度。張晨等[14]通過使用三維掃描技術(shù)對正畸患者拆除矯治托槽前后的軟組織容量變化進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)唇側(cè)托槽拆除后患者雙側(cè)口角上下唇中點均存在一定程度的內(nèi)收。通過三維掃描技術(shù)對正畸患者面部軟組織變化全程監(jiān)控，能最大限度保證術(shù)后效果及治療后滿意度，減少術(shù)后并發(fā)癥。

4.2 在整形美容的應(yīng)用

3dMD 三維掃描系統(tǒng)目前主要應(yīng)用于整形外科中面部不對稱容量分析、頜骨術(shù)后鼻唇溝軟組織容量分析、面癱術(shù)前術(shù)后評估、葡萄酒色斑型血管瘤術(shù)后療效評估[15]、特定人群人體學(xué)測量制定客觀標(biāo)準(zhǔn)等。Sander 等[4]對165 例受試患兒（6歲兒童）分別采用直接測量法、二維攝影、三維掃描的方法進(jìn)行軟組織測量，結(jié)果表明三維掃描法是目前應(yīng)用于兒童面部軟組織定量分析最穩(wěn)定可靠的手段。Zhong 等[12]通過對150例漢族女性鼻翼進(jìn)行動態(tài)量化分析，總結(jié)出漢族女性人群鼻翼動度參考值范圍，首次闡述了鼻翼動態(tài)美學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)。通過獲取三維圖片可與整形美容患者進(jìn)行術(shù)前可視化溝通及方案設(shè)計，制作個性化術(shù)中導(dǎo)板應(yīng)用于整形美容手術(shù)[16]，極大提高醫(yī)患溝通效率及術(shù)后滿意度。

4.3 在精神病學(xué)及心理學(xué)方面的應(yīng)用

Aldridge 等[17]通過對青春期自閉癥患者與正常青春期受試者面部形態(tài)進(jìn)行三維掃描及差異分析，發(fā)現(xiàn)自閉癥患者表現(xiàn)出與正常發(fā)育受試者不同的面部表型，提示通過面部結(jié)構(gòu)的研究可能揭示導(dǎo)致自閉癥的生物學(xué)途徑。同時，這也提示面部表型可廣泛應(yīng)用于多種神經(jīng)發(fā)育和其他疾病的臨床診斷，為鑒別罕見病以及基因型與表型之間的聯(lián)系提供重要的研究工具。

4.4 在耳鼻喉疾病方面的應(yīng)用

三維掃描系統(tǒng)目前主要應(yīng)用于阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征（OSAHS）的評估與預(yù)測。Lin 等[18]通過對38 例確診OSAHS 患者進(jìn)行三維CT 掃描及面部三維掃描，并測量OSAHS嚴(yán)重性相關(guān)指標(biāo)，結(jié)果顯示二者結(jié)果高度一致，提示可通過使用無放射性的三維掃描系統(tǒng)輔助診斷OSAHS。Eastwood等[19]對確診為無、輕、中、重度OSAHS 患者各100 例進(jìn)行三維掃描并測量嚴(yán)重性相關(guān)指標(biāo)，測量后對數(shù)據(jù)進(jìn)行客觀分度及配對，結(jié)果表明三維掃描測量后診斷與原診斷配對結(jié)果準(zhǔn)確率高達(dá)91%。以上研究結(jié)果均提示三維掃描應(yīng)用于OSAHS的診斷，具有高準(zhǔn)確性、可重復(fù)性及可推廣性，提示光學(xué)三維表面成像技術(shù)可在某些特定領(lǐng)域（如顱頜面畸形患兒的氣道評估等）替代傳統(tǒng)的放射性檢查，從而避免放射性輻射。

綜上所述，光學(xué)三維表面成像技術(shù)可應(yīng)用于人體學(xué)測量的動靜態(tài)量化研究，術(shù)后療效分析、術(shù)前數(shù)字化設(shè)計、特殊病種表型與基因型之間的相關(guān)性研究，以及放射性影像替代研究等領(lǐng)域，具有較強(qiáng)的臨床推廣及應(yīng)用價值。但是，光學(xué)三維表面成像技術(shù)設(shè)備費用昂貴、人力資源需求量大、操作相對復(fù)雜，這些問題限制了其進(jìn)一步縱向普及。目前，國產(chǎn)光學(xué)三維表面掃描系統(tǒng)（如FC BodyScan 等）的研發(fā)取得了極大進(jìn)展，設(shè)備費用有望大幅降低，積極地推進(jìn)了光學(xué)三維表面成像技術(shù)的應(yīng)用。

5 展望

與傳統(tǒng)的直接測量法及二維照相測量法不同，光學(xué)三維表面成像技術(shù)具有可動態(tài)掃描、掃描速度快、非接觸、無形變、成像精確、成像質(zhì)量高、可重復(fù)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)處理簡捷等優(yōu)勢。已逐漸應(yīng)用于整形外科、口腔科等的術(shù)前術(shù)后檢查，除了可對患者術(shù)后療效進(jìn)行精準(zhǔn)客觀分析外，也相當(dāng)于建立了高質(zhì)量面部特征動靜態(tài)數(shù)據(jù)庫，基于各掃描系統(tǒng)可隨時對存檔三維資料進(jìn)行測量、處理及分析，并開展相關(guān)研究；并且，高質(zhì)量的三維圖像數(shù)據(jù)庫可作為訓(xùn)練集進(jìn)行有監(jiān)督性的機(jī)器學(xué)習(xí)[20-21]，從而構(gòu)建目標(biāo)人工智能模型，實現(xiàn)智慧精準(zhǔn)醫(yī)療。循證醫(yī)學(xué)已成為醫(yī)學(xué)發(fā)展的核心方向，客觀、全面、精確的量化數(shù)據(jù)分析是必須的客觀前提。對于整形外科而言，既往單一的術(shù)前術(shù)后二維圖像已不能滿足發(fā)展的需要，精準(zhǔn)的光學(xué)三維表面成像技術(shù)既能提供直觀的多維度圖像，又能通過其內(nèi)在空間位置數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)提取量化分析，可為個性化極強(qiáng)的整形外科的循證醫(yī)學(xué)構(gòu)建提供積極幫助。

數(shù)字化精準(zhǔn)醫(yī)療是整形外科未來發(fā)展的必要手段，目前在骨組織整形領(lǐng)域已應(yīng)用廣泛，如計算機(jī)導(dǎo)航輔助治療骨纖維異常增生癥[22]、面部輪廓整形術(shù)中導(dǎo)板設(shè)計、植入物的個性化定制等臨床應(yīng)用，進(jìn)一步降低手術(shù)風(fēng)險、提高手術(shù)精確性及術(shù)后滿意度。光學(xué)三維表面成像技術(shù)主要獲取軟組織數(shù)據(jù)，利用該技術(shù)可視化、高還原性特點，與患者進(jìn)行術(shù)前溝通設(shè)計，極大地提高了患者地參與性與互動性。根據(jù)最終手術(shù)方案制作術(shù)中軟組織導(dǎo)板輔助手術(shù)，實現(xiàn)個性化精準(zhǔn)整形。綜上所述，光學(xué)三維表面成像技術(shù)是數(shù)字化精準(zhǔn)醫(yī)療于軟組織領(lǐng)域應(yīng)用的先決條件，進(jìn)一步了解及拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，可為軟組織數(shù)字化設(shè)計發(fā)展提供更全面、更有力的支持。