人體三維掃描技術在整形美容外科中的應用

朱梓瑜，熊猛

(東南大學附屬中大醫院 整形燒傷外科，江蘇 南京　210009)

人體三維掃描技術在整形美容外科中的應用

朱梓瑜，熊猛

(東南大學附屬中大醫院 整形燒傷外科，江蘇 南京210009)

[摘要]整形美容外科重點關注體表的變化，人體三維掃描技術可以提供一種簡潔的測量方式，精準量化體現人體、面部的細微變化。作者查閱國內外相關文獻，總結出人體三維掃描技術運用于整形美容外科以評估手術操作效果的相關內容，并作一綜述。

[關鍵詞]三維掃描； 整形美容； 量化評估； 綜述

三維掃描技術現已全面應用于多學科各個領域，尤其是在臨床醫學方面發揮著越來越重要的作用。現已比較成熟的方面包括：醫用模型的制造和評估、植入材料的定制、顱頜面畸形的改造、整形美容效果的預估等等[1]。三維掃描技術是現代科技發展的產物，是結合了光、數字化、計算機等方面的新型技術，其原理為通過各種不同光線的投射獲得物體表面各點的空間關系，再將這些信息傳輸入電腦，并將這些三維信息放入已建立好的空間坐標軸內得到立體圖像。早先的研究者獲取人體數據主要是通過二維的平面照片，這種方法有明顯的局限性，且可信度不高。直到1984年，Wacoal發明了一臺可以分析物體表面結構的計算機，這被視為如今廣泛使用的非接觸式三維掃描儀的雛形[2]。20世紀七八十年代傳統三維頭影測量法(three- dimensional cephalometry)、直接測量法(direct measurement)、莫爾云紋(moire techniques)和常規 CT(computer tomography)[3]，但因操作費時、軟組織顯示不佳、精確度差、有射線和偽影等沒有得到廣泛的應用。查閱大量國內外文獻后，歸納出目前三維掃描技術在正畸及整形美容方向的臨床應用，具體綜述如下。

1運用于人體的三維掃描技術

目前運用于人體的三維掃描儀基本上都是非接觸式掃描儀，主要使用光學技術結合能將光信號轉化成電信號的傳感器，通過各種光線反射來獲取人體表面數據，再將所獲光數據通過傳感器輸入電腦構建出三維立體圖像。采集圖像的光源可以是一個或多個，這是決定采集速度的因素之一。目前應用于人體的三維掃描儀主要的差異表現在光源的類型上，按照不同作用原理主要可分為普通光掃描儀、激光掃描儀、基于位置傳感探測器(position- sensitive- detector,PSD)的光電二極管(light- emitting diode, LED)掃描儀等3種[2]。

1.1普通光掃描儀

大部分普通光掃描儀掃描時是以條紋光線為主，這是由于莫爾云紋技術(利用黑白相間的計量光柵來自動測量線移位和角移位)所用的掃描光線為普通白光，表面的反射光線和干擾條紋會對掃描產生部分影響。尤其是作用于人體時，由于皮膚是可透光的，當普通光投射時部分光線通過皮膚，缺少了這些光信號會造成不同范圍的陰影。針對這些問題，普通光掃描儀使用相位測量法(phase- measuring profilometry,PMP)，即根據不同位置的投射點改變相應的參考線相，并通過重疊掃描來捕捉到盡量多的點。人體表面不規則，反射光線和參考線相多會交匯形成干擾光線[2]。因此，為了得到真實的圖像，需將這些干擾條紋進行過濾后將原始畫面進行擬合，降噪后輸出最終得到的掃描數據。

1.2激光掃描儀

激光掃描儀的原理和普通掃描儀原理不同，不需要設定計量光栓，也不需要過濾干擾條紋，它主要依靠傳感器來收集數據。由掃描儀發出的激光投射到被掃描物體表面，再由一臺或多臺圖形傳感器來獲取三維數據。激光掃描儀有著精度高、結果穩定、干擾小等明顯優勢，但造價昂貴。現在常用的WB4、WBX、ARN Scan、Fast Scan和Vitus系統采用的就是激光掃描原理[2]。

1.3基于PSD的LED掃描儀

基于PSD的LED掃描技術應用于日本的Hamamatsu人體掃描系統中[2]。紅外LED通過脈沖投射光線，在被測物表面反射成像，第2級鏡頭收集光線并交匯于探測器上形成三維圖像。PSD的作用是探測質心位置，由于PSD的單向性，結合傳感器和三維處理軟件可以得到立體圖像。目前，在日本、美國、英國等均有相應的研究機構[2]。

2三維掃描技術在頭面部整形美容中的應用

2.1先天性唇腭裂手術效果的評估

面部畸形的整復一直是美容整形外科的重點和難點內容。在面部畸形中，最常見的就是先天性唇腭裂。新生兒唇腭裂正畸本身難度較大，正畸的目的、用力、方向和部位若有失誤則會嚴重影響手術效果[4]。對于正畸手術效果和瘢痕的評價，絕大多數學者仍然是依靠二維圖片的測量和人眼觀察。屈文靜以三維激光掃描技術為基礎，對單側唇裂患者應用三葉瓣法手術后的面部軟組織進行掃描、重建和測量[5]。他們對60例采用三葉瓣修復術來修整單側唇裂的患者進行面部三維掃描，得到其面部(尤其是口鼻部位)的立體數據。測量結果通過統計軟件IBM SPSS Statistics 19.0進行統計學分析，結果三維激光掃描技術能迅速、精確地完成面部軟組織的三維重建，對三維圖像進行空間直線距離、角度、弧長等測量，并最終建立了應用三葉瓣手術方法治療的單側唇裂患者的唇鼻部數據庫[5]。通過對術后健患側數據進行對比，計算出健患兩側鼻孔寬、唇線長(上唇皮膚和黏膜的交界形成唇線)、人中嵴長(上唇中央凹陷的人中凹，兩側嵴狀隆起即為人中嵴)[6]等標志線，P>0.05，差異無統計學意義，健患雙側基本無差異。他們通過面部三維圖像的掃描，開發出一套便捷、精準的唇腭裂患者測量體系，其具有很好的臨床應用前景。三葉瓣修復唇裂這種新術式主要在鼻孔寬方面改善明顯，鼻翼內收效果良好[5]。手術瘢痕與正常人中嵴基本一致，術后人中雙側對稱，無偏斜。

2.2面部自體脂肪移植手術的評估

自體顆粒脂肪移植技術已日趨成熟，應用在面部不僅能調整面部輪廓比例、恢復組織容量，還能改善局部皮膚質地，用于面部填充、面部年輕化等治療可獲得良好臨床效果[7]。脂肪移植具有創傷小、操作簡便、自體取材等優點，自體脂肪填充的術前設計、填充后的脂肪吸收率和效果的評估一直是臨床醫生關注的重點。動物實驗移植后顆粒脂肪的吸收率為40%～50%，脂肪液化的吸收多少與操作技巧有很大關系[8]，人體自體脂肪移植后的吸收率也缺少確鑿的臨床證據，尤其是面部不對稱的患者，對于填充量的預測和術后的長期隨訪更為重要。來自中國醫學科學院的研究者[9]利用3D掃描技術，對27例面部不對稱的患者進行多次面部自體脂肪的填充。術前三維CT影像結合鏡面圖像分析(mirror- image analysis,MIA)來預估填充所需脂肪量，分別于術后3個月和12個月進行3D掃描，以計算出自體脂肪填充的面部存活率。結果對于面部缺損量進行三維CT(computed tomography)影像結合MIA后得出的缺損量平均體積為30.48 mm3，平均填充脂肪的總量為133.61 mm3，平均脂肪吸收率為47.92%[9]。本項研究提出了一種新式、便捷的評估面部不對稱的方法，具有可信度高、可重復性好等優點。

2.3面部肉毒素注射后的效果評估

中下面部的柔和線條是東方人追求的美感，改善中下面部線條的方法有很多，臨床上最常用的為面部肉毒素的注射[10]，其作用效果一直是求美者和整形美容醫生關注的重點。有研究表明咬肌注射肉毒素后2～3周效果開始顯現，8～12周效果最明顯[11- 12]。大部分研究在探討肉毒素作用效果時主要以接受注射者的感受和前后照片進行對比。韓國學者Hong等[13]通過面部三維掃描的方法，比較面部咬肌單次注射肉毒素和兩次注射的效果差異。實驗選取20位志愿者，將他們隨機分成兩組，所有人均進行每側咬肌25 U的A型肉毒素注射。第1組志愿者只進行1次注射，第2組志愿者在進行第1次注射后4個月再接受第2次注射(注射量和首次一致)，收集所有志愿者術前和術后6個月的面部三維數據進行比較。結果第1組體積變化量和厚度變化量的平均值分別為21 186 mm3和-1.52 mm，第2組的數據分別為24 072 mm3和-3.84 mm，第2組減少的量明顯多于第1組[13]。4個月后的再次肉毒素注射對于面部輪廓的改善效果明顯好于單次注射，其原理可能是第2次注射將第1次注射3個月時最明顯的改善效果延長至6個月，或是第2次注射加強了第1次的注射效果[13]。這種新型微整形評估方法具有可操作性強、無創等優點，可數字化地記錄面部軟組織外形的變化[3]。

2.4三維掃描技術在耳再造手術中的應用

先天性小耳癥是面部畸形中發病率僅次于唇腭裂的疾病，目前應用最廣的手術方式是取患者肋軟骨，雕刻成軟骨支架模型放置于皮下形成再造耳，因為耳部空間結構復雜，細節還原度要求高，因此耳再造手術也被稱為“挑戰上帝的手術”。三維掃描技術提供了一個新型構建耳模型的方法，它可以快速、高精度獲取患者健側耳郭的精細結構空間數據，為術前術中提供重要參考。梁久龍等[14]術前采用3D打印技術打印出患兒個體化的同側肋軟骨、對側耳軟骨及健側鏡像耳模型[14]。術前肋軟骨和耳軟骨支架的重建對于手術中肋軟骨的截取和耳支架的雕刻都有非常重要的指導作用，這樣可以避免肋軟骨截取的不足阻礙耳支架的雕刻，或截取過多肋軟骨影響胸廓的穩定性。有了3D耳模作為對照，耳郭再造中術者在雕刻肋軟骨、塑造耳支架時會有具體的參照，避免了傳統術式的盲目性和隨意性[15]，術后隨訪3個月，本組應用3D打印技術輔助耳郭塑型再造術可準確雕刻出耳支架，使再造耳形態與健側耳更為相似，患者滿意度平均為4.5分[14]。

3三維掃描技術在隆乳術中的應用

隨著計算機和數字化技術的發展，越來越多的整形外科醫生將三維掃描技術運用到臨床工作中，以提高操作的精確性和患者的滿意度。來自中國科學院整形外科醫院的研究人員，將三維掃描技術應用于雙平面隆胸手術(dual- plane breast augmentation,DPBA)，DPBA對于輕度乳房下垂的患者是最理想的一種手術方式[16]。實驗選取13位患者進行DPBA，分別用三維掃描儀收集術前，術后1、3、6、12個月的三維圖像，通過分析乳房形狀、乳頭位置、乳房體積等數據來評估術后效果。結果DPBA后乳頭位置基本恒定，乳房形狀和體積于術后6個月基本穩定，因此術后6個月可以作為DPBA效果相對穩定的隨訪時間[17]。

4三維掃描技術在整形美容外科中的應用前景

整形美容工作主要關注人體外形的改變，平面照片只能提供二維圖像，缺少對于人體多角度、整體性的評估。因此，一個簡便、精確的三維測量系統顯得尤為重要。三維掃描的出現突破了空間的限制，因其無放射性、簡單、高效、價格低廉、可重復性好等明顯優勢，已有趨勢取代CT、MRI、造模法等傳統三維測量方法。三維掃描技術對于整形美容外科的作用潛能是巨大的，除了現有的臨床實例以外，三維掃描技術還可以應用于以下方面：(1) 巨乳縮小術，面部、身體等各部位輪廓修飾操作的術前設計和術后隨訪，評估手術操作效果；(2) 根據大量臨床數據模擬術后效果圖像，針對不同患者制定個性化治療方案；(3) 收集大樣本數據組成數據庫，建立特定人群外在形態的測量參考系，對于疾病的分級、手術方式的選擇、不同手術方式效果的比較等提供可靠的參考值。目前，越來越多整形外科醫生意識到三維掃描方法的諸多優勢，也有更多醫生將其運用于臨床，這使得醫患之間的溝通更加和諧，患者對于術后效果有更直觀的認識，術后的滿意率也會提升。我們有理由相信，三維掃描方法在整形美容外科領域的應用前景非常廣闊。

[參考文獻]

[1] 陳堅偉，張迪.3D打印技術醫學應用綜述與展望[J].電腦知識與技術，2013，9(15)：3632- 3633.

[2] 方方,張渭源.一種新興的測量技術——3D人體掃描系統[J].紡織導報，2003,2:34- 37.

[3] 袁玲君,房兵.面部軟組織變化規律的激光三維掃描研究[J].中國美容醫學，2011，20(2)：330- 332.

[4] 王國民，楊育生，張勇，等.唇腭裂治療現狀與展望[J].上海口腔醫學，2006，15(2)：113- 115.

[5] 屈文靜.單側唇裂患者面部軟組織的三維激光測量研究[D].北京：北京協和醫學院，2013.

[6] 朱昌.唇腭裂的應用解剖及病理解剖[M]//王煒.整形外科學.杭州：浙江科學技術出版社，2007：646- 647.

[7] 韓超,劉麗忠,廖懷偉，等.體顆粒脂肪移植技術在面部臨床應用的進展[J].中國修復重建外科雜志，2012，26(1)：117- 118.

[8] 楊文華，胡文文，張衛萍.自體顆粒脂肪移植在豐唇中的應用研究[J].中國美容醫學，2012，21(6):907- 908．

[9] YANG X,WR R,BI H,et al.Autologous fat grafting with combined 3- Dimensional and mirror- image analyses for progressive hemifacial atrophy[J].Ann Plast Surg,2015,122:275- 283.

[10] 張超，滕利，靳小雷，等.A型肉毒素咬肌注射聯合玻尿酸頦部注射重塑面下部1/3輪廓的臨床研究[J].現代醫學，2014，42(5)：477- 481.

[11] KIM N H，CHUNG J H，PARK R H，et al.The use of botulinum toxin A in aesthetic mandibular contouring[J].Plast Reconstr Surg，2005，115:919- 930.

[12] PARK M Y，AHN K Y，JUNG D S.Botulinum toxin type A treatment for contouring of the lower face[J].Dermatol Surg，2003，29:477- 483.

[13] HONG H L,SEONG T K,KEE J L,et al.Effect of a second injection of botulinum toxinon lower facial contouring， as evaluated using 3- Dimensional laser scanning[M].New York:Wolters Kluwer Health,Inc,2015:439- 444.

[14] 梁久龍，陶凱，才華,等.數字建模聯合3D打印在耳郭再造整形中的應用[J].解放軍醫藥雜志,2015,27(11):24- 26.

[15] LEVINE J P，PATELl A，SAADEH P B，et al.Computer- aided design and manufacturing in craniomaxillofacial surgery: the new state of the art[J].Craniofac Surg，2012，23(1):288- 293.

[16] GRYSKIEWICZ J.Dual- plane breast augmentation for minimal ptosis pseudoptosis (the "in- between" patient)[J].Aesthet Surg,2013,33(1):43- 65．

[17] JI K，LUAN J，LIU C J,et al.A prospective study of breast dynamic morphological changes after dual- plane augmentation mammaplasty with 3D scanning technique[EB/OL].Public Library of Science.[2014- 03]. http:// www.plosone.org

[收稿日期]2015- 12- 16[修回日期] 2016- 01- 29

[作者簡介]朱梓瑜(1989-)，女，陜西寶雞人，在讀碩士研究生。E- mail:zhuziyuazhu@sina.com

[通信作者]熊猛E- mail:bearbrave@sina.com

[中圖分類號]R625

[文獻標識碼]A

[文章編號]1671- 6264(2016)03- 0453- 04

doi:10.3969/j.issn.1671- 6264.2016.03.036

[引文格式] 朱梓瑜,熊猛.人體三維掃描技術在整形美容外科中的應用[J].東南大學學報:醫學版,2016,35(3):453- 456.

·綜述·