面部單鏡頭三維激光掃描的臨床應用與操作經驗

[摘要]目的：驗證顏面部三維激光掃描的臨床實用價值。方法：利用VIVID 910單鏡頭三維激光掃描儀掃描227例受試者的顏面三維影像，采用全室內頂置光源，受試者眶耳平面盡量與地面水平，掃描儀鏡頭水平抬高10°．使用14mm焦距鏡頭，于受試者正前方及雙側各80°位置采集數據．獲得數據經通用軟件拼接、二期處理，統計掃描及數據處理所需的時間及掃描結果質量。結果：227例顏面部掃描惠者中，每例平均取樣3.07側，每例平均掃描時間(5.3±0.7)min，圖形一期處理時間平均約3min，二期修整時間平均約12min，影響掃描質量的因素為受試者毛發、連續復雜結構、掃描盲區及姿勢表情；采樣效果在額、顳、顴、頰、眶下、下頜部位最佳，鼻背、瞼裂、口唇部位次之，鼻底、頦底、外耳部位效果最差。結論：單鏡頭三維激光掃描設備基本滿足臨床應用的需求，可以作為快速獲取表面數字圖像的主流選擇之一。

[關鍵詞]三維激光掃描，臨床價值，顏面部，影像評估

精確、可靠、客觀的影像學記錄方法是整復外科手術過程中不可或缺的部分，可被廣泛的用于術前評估、手術方法的選擇、手術效果的隨訪評價等等領域。尤其是針對面部修復或美容手術患者來說，三維的影像學資料對于客觀評價手術效果更是擁有著無可置疑的重要地位。

三維激光表面掃描是20世紀90年代中期以來興起的新的三維影像記錄方法，其具有高精度、非接觸、方便快捷、易于保存、易于二期處理等等優點，已經逐步開始進入整復外科的臨床實際工作，經過大量研究小組針對石膏模型和掃描結果的精度比較研究，已經充分證明了其精確性和可靠性。然而，臨床病例的實體測量與靜態的石膏模型依然有著很大的不同，實體測量獲取的數據質量以及需要的數據處理時間究竟是否能夠滿足臨床尤其是門診診療的要求呢?本研究小組自2005年四季度起開始嘗試應用三維激光表面掃描方法記錄、處理面部整復患者的立體影像學數據，并力圖檢驗其臨床實用價值，現對期間積累的操作經驗與臨床應用的優缺點探討如下：

1 研究對象和方法

統計受掃描患者227例，男性53例，女性174例，年齡12～47歲，平均年齡27.6歲。其所接受的臨床治療項目包括面部輪廓整形64例、鼻整形29例、顳部凹陷充填5例、上頜或下頜前突矯治17例、面部外傷畸形修復33例、顱縫早閉癥11例、面裂(含眶距增寬癥)13例、半面不對稱畸形(含半面萎縮、半面短小、髁狀突增生及腫瘤或其他原因引起的面部不對稱)21例、骨纖維異常增生癥4例及正常對照組30例。

本研究使用日本KONICA MIEOLTA產VIVID910三維激光掃描儀，單鏡頭，無旋轉軌道，數據采集使用隨機附贈Polygen Editing Tool s Vet1.20(32例)、Ver 2.21(195例)，二期處理采用INUS產RapidForm 2006軟件。數據處理用主機為HP xw6200小型工作站。

掃描時采用全室內頂置光源，受試者束發、端坐，自然姿勢正視前方，眶耳平面與地面水平，掃描儀鏡頭水平抬高10°，使用14mol焦距鏡頭，于受試者正前方及雙側各80°位置采集數據，對數據缺失嚴重的患者選擇適宜角度加以補充掃描，掃描距離800～1200mm，根據患者面部輪廓大小調整，掃描范圍為發際至相當于甲狀軟骨上平面位置，獲取的數據利用外眥、內眥、鼻翼、口角、唇峰甚至色素痣、疤痕等面部標志點中選取三點進行初始配準，Polygen Editing Tools優化配準、拼合得到一期掃描結果，之后以RapidEorm 2006作二期處理，填補缺失面，清除噪點，修除質量不佳的面片。

統計掃描過程及獲取數據的質量，評估三維激光表面掃描方法在頭面部活體數據采集過程中的臨床實用價值。掃描質量的評價由兩位研究員分別作出后取“或”(即有任一位判定即為質量不佳)結果存檔。

2 結果及操作經驗

227例顏面部掃描患者中，平均取樣3.07側，平均掃描時間(5.3±0.7)min，其中掃描時間約每側2s，其余時間主要用于頭位調整。圖形配準拼合一期處理平均時間約3min，二期修整時間平均約12min。就采樣質量來看，影響顏面部活體一期采樣質量的因素主要有：

2．1 毛發：采樣過程中，眉弓、上下瞼緣由于有毛發遮擋，會出現較為集中的面片缺損區域。雖然在二期修補的過程中這樣的缺損可以被全部修復，但明顯會影響到瞼緣等精細結構部位解剖邊界的清晰程度。而額、顳部亦可能由于劉海或雜亂頭發的遮擋出現采樣不全的表現。

2．2 連續而復雜的轉折結構：操作中發現，對于外耳、鼻底鼻小柱等具有復雜的轉折結構部位，由于隆起部位的遮擋效應，經常會出現采樣缺失的效應。不過，就二期處理結果來看，單純的遮擋效應并不會對供最終使用的二期的數據質量產生太大的影響。

2．3 掃捕盲區：鼻底以及頦底部是我們采用的掃描角度的盲區，也是一期數據質量統計中非常集中的數據缺損區。由于設備本身設計的關系，我們難以在掃描過程中將儀器移至低位掃描這些區域，只能通過二期數據修補彌補這一缺陷。其中，鼻底部位本身形態較為復雜，在數據處理過程中較為集中的出現了解剖邊界不清晰的缺點。在后來的數據采集過程中，我們嘗試增加采集抬頭位的鼻底形態(刪除周圍其它結構后再行配準)，可以獲得較好的數據質量。而頦底部由于抬頭過程中頸闊肌和胸鎖乳突肌的形態會發生變化，只能依賴于數據處理。好在頦底形態較為簡單平滑，數據修補的效果可以被臨床所接受。

2．4 受試者的姿勢變化：由于是單鏡頭掃描，各個角度的數據采集需要依次進行。在轉移機位的過程中如果受試者的姿勢發生了變化，最終獲取的數據在拼接時就會出現面片熏疊的現象，這一點在平滑的過渡位置尤為多見，例如頦底、鼻背側面等等。相較于數據缺失而言，面片重疊是更加嚴重的問題，因為其在修整過程中很容易造成數據形態的明顯異常，影響臨床使用效果。

綜上所見，我們發現，單鏡頭三維激光表面掃描，在額、顳、顴、頰、眶下、下頜部位的采樣效果最佳，鼻背、瞼裂、口唇部位次之，鼻底、頦底、外耳部位效果最差。

3 討論

作為一種具有臨床實用價值的顏面部影像數據記錄方法，應當具有準確、客觀、快速、直觀、易于普及掌握等等特點。

三維激光表面掃描是20世紀90年代中期以來興起的新的三維影像記錄方法。為了驗證其記錄數據的有效性，國內外有多位學者利用石膏模型進行了實體與采樣數據的測量精度比較，一致認為其采集的數據精確可靠、可重復性高、值得推廣應用。然而，靜物模型與活體受試者在采樣過程中還有著非常大的差距。靜物石膏模型不會有毛發影響，可以隨意調整其位置角度，可以在單次采樣過程中采用三次連續掃描提高采樣的準確性，受掃描物體自身不會具有表情變化，實體測量時不會發生接觸形變，這都是選擇石膏模型作為準確度檢測的主要原因。然而，在臨床實際活體采樣時，這些卻都可能成為影響掃描質量的主要因素。而目前針對活體掃描進行質量評估的報道卻相對較少，或者評估范圍狹窄，或者病例數較少，或者評估方案不甚完整，對于三維激光掃描技術的臨床實用價值缺乏翔實的分析。

Kevin Rush在1995年時提出三維激光影像測量中的誤差來源主要有4點：運動誤差、生物形態改變、激光采樣誤差、解剖定點誤差。

10年之后的今天，隨著技術的進步，單次采樣時間已經從當時的17s減少到了不足2s，除非是針對低齡兒童的掃描，單次采樣過程中的運動誤差已經可以忽略不計，激光采樣誤差也已經隨著硬件和軟件處理技術的發展得到了極大的抑制。然而，疲勞或表情變化等因素造成的顏面部多次采樣過程中的姿勢變化仍然是制約所獲取影像質量的一大關卡。

雙鏡頭或多鏡頭多角度同時掃描可以有效地解決這個問題，但其在成本上的加倍或多倍投入卻與臨床推廣的基本要求有著明思的矛盾。就目前的實際操作成本來看，單鏡頭掃描在相當一段時間內仍將是臨床采用的主要手段，因此，提高操作者的熟練度，加強操作過程中的姿態和位置細節控制，對于獲取高質量的三維掃描影像仍將起到至關重要的作用。

同樣基于以上誤差因素的考慮，掃描角度和采樣面也并非越多越好。掃描的次數越多，擺放機位和調整姿勢需要的時間也就越多，受試者就越容易疲勞，面部表情姿勢也就越難控制，反而造成掃描數據的誤差，增加拼接難度，增加二期處理的時間，快捷和即時性是激光掃描相較于其它三維影像獲取力式的主要優點，如何掌握采樣完整性和數據處理快捷性之間的平衡點，是發揮三維激光掃描在臨床應用中的優勢的一大關鍵。目前我們的經驗看來，三角度的掃描樣本結合二期處理已經足夠提供臨床需要的高質量影像，對于需進行鼻部測量的受試者，可以增加鼻底的采樣。這樣一來，所需總的采樣加上數據處理時間可以控制在20min左右，結合其所能夠提供的三維數據質量，已經基本可以滿足臨床的應用需求。

然而，對于三維影像數據來說，目前依然有著許多的基本問題未能得到解決，主要集中在測量定位的可重復性。傳統的面部軟組織標志點主要是基于人類學測量所提出的，很多是需要依靠觸摸才能確定的，這在掃描的影像數據上并不能得到，同時掃描數據也不具備CT數據那樣的骨組織提示位置，而三維數據的定點又需要經過復雜的體一面一線 點的過程，傳統頭影測量的描述方法并不適合三維數據的應用。因此，如何在單純的掃描數據上依靠解剖結構和幾何形態確定客觀的軟組織測量比較體系，始終還是一個未能解決的難題。在這一問題獲得完美的解決之前，三維影像依然不可能取代二維數碼攝影在整復外科尤其是門診診療領域的地位，而應當作為一種優秀的輔助采樣手段在三維影像的處理領域發揮自身的作用。

現有的單鏡頭三維激光掃描設備所能夠獲取的活體顏面部影像質量以及所需的采樣與處理時間已經可以基本滿足臨床應用的需求，其中，對于額、顳、顴、頰、眶下、下頜部位的采樣重建效果最佳，鼻背、瞼裂、口唇部位次之，鼻底、頦底、外耳部位效果最差，需要在臨床采樣及評估過程中加以必要的調整。總體而言，三維激光掃描已經可以作為臨床尤其是門診診療快速獲取患者三維表面容貌形態的有效手段之一。