面部三維立體攝影及其在正頜外科中的應用

王姍姍，石 玨，孫逸嘉，謝志堅

（浙江大學醫學院附屬口腔醫院 頜面外科，浙江 杭州，310000）

隨著三維成像技術的發展，面部三維立體攝影技術在臨床醫學和研究室研究中越來越普及，常見的面部三維立體攝影系統是基于數字立體攝影測量技術構建的，該技術能夠精確的再現面部的立體輪廓，逼真地反映皮膚的顏色和紋理，采集速度快，覆蓋面廣，安全無輻射。在正頜外科治療中，面部軟組織是非常重要的一個因素。傳統攝影中，二維照片往往不能反映患者三維立體結構上的特點，而其應用于面型模擬預測時，往往只能反映面部側貌的變化，而忽視整體與正面的改變。面部三維立體攝影系統提供的面部三維立體照片可以真實反映研究對象面部軟組織的特點，可用于間接面部測量，還能將其應用于三維模型的建立與三維模型的分析中。

1 面部三維立體攝影系統

面部三維立體攝影系統是一種將攝影系統與計算機軟件相結合的技術。根據光線來源可以分為主動、被動、混合三種[1-5]。主動式設備中的投影儀將具有一定圖案的光（比如圓形，橢圓形，方形等）投射到研究對象表面后，通過一定距離外的攝像機捕捉反射回來的光線，這些光線在表面進行反射后，原有的形態會發生扭轉和彎曲，通過計算機軟件算法的分析處理，與三維空間坐標相匹配進行成像。這種系統在圖像采集過程中控制對象的照明，不需要額外增加光照，也能消除外界環境光線的干擾，成熟的主動三維立體攝影系統還可以輕松捕捉顏色較暗的皮膚和衣服，但是這類系統的成像時間相對較長。Genex系統是一種常用的主動三維立體攝影系統，該系統在內部校準，不需額外校準。M4D系統是一種便攜的三維立體攝影系統，體積小方便攜帶，能夠在短時間內安裝使用，能夠容忍對象輕微的移動，而且可以用來身體任何部位的攝影。被動式是通過采集環境中光線在對象表面的反射進行攝影，其將三角測量技術建立在對象實際表面的特點上，該系統依賴于表面皮膚毛發、疤痕、雀斑等細節特點，因此很大程度上依賴于像素的完整性，因此在相機像素要求上較高。另外，攝影時應嚴格控制環境中照明條件，以最大限度減少環境光譜反射對成像的影響。常用的被動式三維立體攝影系統有Di3D系統，該系統采用高分辨率攝像機，不需要進行圖像投影或激光掃描，能夠快速輕松捕獲圖像。混合式則結合了前兩種技術，常用的主要有3DMD系統。3DMD系統由6個醫療級相機組成，可在1.5毫秒內與主體同步，這些相機將多角度采集到的圖像重建在同一個三維坐標中的模型上，捕獲時間短，而且3DMD系統能夠容納額外的攝像機，而不影響圖像采集時間，但是該系統要求每次使用時用戶對其進行校準。

三維立體攝像系統的精確度主要體現在重現性和絕對精度上。有學者[6]在用標準人體測量法和3DMD系統對20個正常成年人18個標記點測量比較中發現，3DMD的總體精度誤差小于1mm，可靠性及重現性高。大量學者[7-9]在對不同成像系統精確度的研究中發現，市面上使用的三維立體攝像系統具有高度可重復性和精確性，不同系統之間雖然存在差距，但這些差距較小（在幾百微米以內），在實際測量研究中沒有太大意義。

2 面部三維立體攝影在正頜外科中的應用

正頜外科是通過將頜骨的切開、移動和重新固定來恢復正常的牙-頜骨位置關系。過去，利用側位頭影測量描記圖預測術后面型改變，其主要目的包括：1.確定術前正畸治療的目標；2.篩選能取得最佳功能和美學效果的手術方案；3.獲取術后面貌側貌的變化可視圖用于會診和醫患交流[10]。隨著科技的發展，計算機輔助的設計方法已非常普及。三維成像技術的出現和發展更是提供了三維模型測量、設計和模擬的可能性。

2.1 面部三維立體攝影在面部測量中的作用

傳統的人體測量學是在臨床接診環境中進行的，用卡尺等測量對象各標記點之間的距離或者弧度，測量時需要對對象的單獨測量，并需要幾分鐘的直接身體接觸，在收集幼兒或存在某些發育缺陷兒童的數據時，往往難度較大，耗時較長。三維立體攝影系統用于間接測量時，則具有較大的優勢[11]：首先，攝影速度快，完成攝影后對象可自由移動；其次，這種攝影系統是非侵入性的，安全性高，無輻射；第三，完成攝影后可快速查看圖像，以確定攝影細節，若發現圖像中存在缺損或變形可及時追加圖像；第四，圖像數據存檔后可反復使用，用于研究和測量；最后，數據可在計算機軟件中測量標記點之間的距離和弧度，同一個數據可同時被多個人進行測量分析。面部三維立體攝影主要用于測量和分析面部軟組織標記點之間的關系，并不能表現硬組織相關標記點之間的關系；作為一種間接測量方式，無法通過直接觸摸研究對象確定標記點的位置，只能通過面部輪廓進行判斷；另外，計算機軟件具有局部放大功能，放置標記點時可能存在個體差異，因此在標記時需要醫師反復核對位置。不管是傳統的直接面部測量還是面部三維立體攝影測量，大多關注標記點之間的距離和側面相關線性角度關系，對于面部輪廓的弧度關注較少，缺乏面部三維立體攝影測量方面特點的測量指標。

面部三維立體攝影在對稱性比較中也具有非常大的優勢。在人類學研究中發現，面部對稱性在人類面部吸引力中非常重要。在面部的不同區域中局部的對稱性具有不同的重要性，中線附近的對稱性相對影響較大。對稱性的比較中，二維照片因為缺乏一個維度的坐標，有時在高度和寬度上產生的差距不大，但是在深度上可能存在較大的差異。另外，單張二維照片在對稱性比較中可用的測量指標點相對三維模型較少，給出的信息相對片面。Philipp[12]等人在利用二維及三維的圖像對面部對稱性分析的三種方法比較中，指出二維照片比較在準確性中尚有欠缺，但三維照片比較因可利用的標記點較多，加大了測量的難度，建議參考二維照片中相關的對稱性指標對三維照片進行分析，從而快速得到準確的結果。對稱性分析的結果對于治療方案及手術方案具有一定的指導作用，完整而準確的結果能夠提供更好的治療。

Ogawa[13]等人使用面部三維立體攝影系統獲取了1126名日本人（865名男性和261名日本女性，年齡為19-60歲）的面部三維立體圖像作為樣本，在規范的人體測量分析下，記錄該人群中眉弓、眼眶、鼻部和唇部輪廓的特征，比較不同年齡段及性別之間的差異，以此建立面部三維照片的數據庫。面部三維照片數據庫的建立不僅可以用來分析某一個群體面部輪廓及軟組織特征上的差異，還可以通過橫向比較其變化情況，分析隨年齡增長面部的發展趨勢。Kim[13]通過對43位選美選手和48位普通女性的面部三維立體模型分析中，發現了兩者間存在的差別：選美選手面中部更立體，鼻部更挺且雙側鼻翼的距離更短，兩者唇部與下部的垂直比例無明顯差異，但是選美選手的鼻唇角較普通女性稍大。不同種族之間面部特征也存在一定的差異，Wirthlin[14]在對100個休斯頓白人和71個中國人的面部三維立體模型進行比較時發現，休斯頓人在面中部包括眉弓、鼻部、唇部及頦部更突，然而中國人的顴弓寬度更大，中國人中女性臉頰較男性豐滿。這些差異在正頜模擬中具有一定參考意義，有利于制定更合理的治療方案。

2.2 面部三維立體攝影在術前模擬中的作用

錐 形 束 CT（cone-beam computed tomography，CBCT）能夠提供醫學圖像儲備和傳輸數據，這種數據使圖像不損失原始信息，并采用計算機圖形學中的移動立方體算法，實現二維照片對應點與三維空間位置和解剖結構上的一致，重建三維可視化模型[4、15-19]。利用CBCT提供的軟硬組織數據，生成三維模型，不少學者使用這種模型進行虛擬手術，通過對頜骨的切開、移動，模擬術后的硬組織形態，這種技術還可與三維打印技術結合，打印術中合板。然而CBCT提供的數據在面部軟組織的準確性上仍有欠缺，不能顯示面部組織的顏色、紋理等，將面部三維立體攝影提供的圖片與之擬合，則能夠顯現術后的整體面貌與輪廓。這種三維模型不單能夠顯示側貌關系，還能表現正面及整體面部相對關系，可用于觀察正面對稱性情況，相對二維模擬更為直觀，在治療方案確定及醫患溝通中也更具有優勢。

大量學者在使用面部三維立體照片與CBCT相結合應用于正頜手術的手術模擬中，發現準確度較高。有學者發現三維模擬比二維模擬在軟組織的預測中準確性更高[20-27]。三維模擬中產生的誤差，一方式是數據采集本身或者處理過程中產生的誤差，另一方面是模擬本身產生的誤差。面部三維立體攝影采集與CBCT采集時產生的誤差相對較小，但是采集面部三維立體圖像時，捕獲到的是瞬間的面部圖像。而三維立體圖像采集與CBCT圖像采集并非同時進行，咽口水、抿嘴等動作都會通過肌肉的作用影響面部形態，研究對象處于息止合位和牙尖交錯位時面下三分之一在高度上也可能存在差異，因此建議建立統一的圖像采集標準，以減少數據擬合產生的誤差。在軟件模擬中，硬組織的變化導致面部肌肉拉力的改變，不同的移動量引起的改變不同，而且這種變化并不完全依照線性關系進行；另一方面，不同個體存在軟組織厚度上的差異，導致個體模擬上的差異。很多時候三維模擬的個體差異，依靠醫生的臨床經驗進行個別調整。三維模擬中仍舊缺乏一個模擬中軟硬組織相對關系的數據庫，能夠指導對不同軟組織厚度的患者及不同硬組織移動量的調整。

2.3 面部三維立體攝影在治療效果比較中的應用

在研究正頜患者治療前后的差異時，可以通過在模型上標記參考點，繪制參考線，比較標記點到參考線間距離的差異，也可以利用電腦軟件結合算法，將研究對象治療前后的面部三維立體模型重疊，觀察軟件中重疊效果的差距進行分析，計算機軟件比較還能量化這種體積變化的差異。Hajeer[28]對5名正頜手術患者的術前術后三維模型的比較，發現正頜手術對患者的面下三分之一的軟組織形態的對稱性上有較大的改善。面部三維照片能夠完整的記錄研究對象面部輪廓、色彩、皮膚紋理等特點，拍攝過程簡單、安全無輻射，可以非常方便的用來記錄正頜患者術后復診和隨訪時的面部特征。Kau[29]等人還將其用于比較正頜術后腫脹消退的速度，發現一個月內個體腫脹消退約60%，雙頜手術產生的腫脹更大，但消退速度相較單頜手術更快。與計算機軟件算法的結合，面部三維立體照片可用來量化面部的體積變化情況，在面部局部充填治療中，可用來觀察治療結果的情況，分析治療的預后情況。

3 總結與展望

面部三維立體攝影應用于顏面部軟組織的采集具有速度快，精確度高，重現性高、非侵入性等特點，可用于顏面部軟組織的分析測量，不僅能定量分析面部標記點之間的關系，還可用于定量分析面部對稱性及面部體積變化情況。將其用于建立面部三維模型時，用來正頜外科的術前模擬時，能夠模擬術后的整體面部軟組織形態，且準確度較高，在正頜治療方案的確定及醫患溝通方面具有更大的優勢。該系統能夠完整記錄對象面部軟組織特點，在術后隨訪及研究中也具有極大優勢。

然而面部三維照片應用于三維模擬時，因個體差異的存在，難以達到完全一致。在面部三維照片采集方面也缺乏標準化規定，這將影響數據采集的準確性與三維模擬結果的準確性。