三維攝影測量技術在面部軟組織測量中的穩定性研究

李興馳 高輝 肖丹娜

隨著先進的檢查設備在正畸治療中的應用以及患者對正畸后軟組織美觀要求的提高，頜面部軟組織的測量與評估已成為正畸大夫考察的重要項目[1-2]。目前較常用的立體測量軟組織的方法是三維攝影測量技術，其成像速度快，測量精度高，能三維重建影像，在臨床的應用越來越廣泛，將軟組織的研究引入了新的層面。

已經有大量研究證實了三維攝影的精確度、準確性高，接近于直接的人體學測量，結果可靠，可以滿足臨床的應用，對軟組織進行評估[3-5]。自然頭位[6-7]是目前公認的拍攝與測量三維影像的最佳基準，但目前尚未找到簡便易行的能夠確保自然頭位的拍攝方法，目前已有的保證自然頭位的方法會給三維成像帶來很多不便[8]。在無法保證自然頭位的情況下，三維攝影技術的應用受到限制。然而面部軟組織在拍攝時受頭部姿勢及面部肌肉的影響有多大，既非自然頭位下拍攝影像與自然頭位下拍攝影像有多大差異，國內外未見相關研究。本研究旨在通過將同一對象的多次拍攝影像與自然頭位下的拍攝影像重疊，比較它們之間的差異，以探究姿勢對三維攝影的穩定性的影響。

1 資料與方法

1.1 樣本的采集

5 名未接受正畸治療的在校大學生，分別拍攝3 次其面部軟組織的三維立體影像，每次間隔7天，每次拍攝9套影像。

排除標準：唇腭裂，有神經疾病。

1.2 儀器與軟件

三維攝影裝置:3dMD立體攝影系統(3dMDface公司，USA)；臺式電腦(Dell公司，USA);圖像處理軟件：Geomagic Design X(3D Systems公司，USA);數據處理軟件：SPSS 19.0(IBM公司，USA)。

1.3 拍攝方法

受試者坐于3dMD相機前1 m處，自然放松背靠椅背，調整座椅高度至受試者面部位于鏡頭視野內中間部位。相機后的墻面上有邊長1 m的正方形紙板(圖1)，在其頂點，四邊中點及中心有9個標記點，依次按1～9標記(標記點5為該受試者自然頭位下直視的點)。

圖1 3dMD相機及帶有標記點的紙板Fig 1 The 3dMD system and paperboard with mark points

拍攝前操作員引導受試者情緒，消除緊張，使其盡量平靜，并囑受試者輕輕按摩面部，放松肌肉。每次拍攝，受試者分別轉動頭部直視9 個標記點(視角改變最大約30°)，拍攝9 套三維影像(圖2)，影像編號為A1-A9。并在間隔7 d和14 d時拍攝第二次(B1-B9)第3 次(C1-C9)。

圖2 受試者拍攝3dMD影像示意圖Fig 2 The diagram of examinees photographed with 3dMD system

1.4 圖像處理

將樣本影像導入至Geomagic Design X軟件，同一受試者三次共27套影像手動進行重合[9]。本研究中以受試者前額及鼻梁處為重疊參考區域[10]。

以各受試者的A5影像為基礎建立坐標系。坐標原點為眉間點G，X、Y軸為經過G點，分別垂直于正中矢狀面和眶耳平面的直線。取額部、頰部、鼻唇部等部位的共22 個點作為標志點[11](圖3，表1)。分別在重疊后的面部影像上標記標志點(圖4)，利用Geomagic Design X 軟件中的面片偏差功能，分別測量各受試者影像標志點間的偏差，參考影像為A5，并收集所有標志點的坐標值。

圖3 面部的22 個標志點Fig 3 22 landmarks on the face

圖4 Geomagic Design X軟件中重合后的影像Fig 4 The superimposed image in the Geomagic Design X

1.5 數據統計與分析

將標志點間的偏差值錄入SPSS 19.0軟件，計算偏差的均值。將坐標值錄入SPSS 19.0軟件進行單變量方差分析，檢驗水準α=0.05，P<0.05視為差異有統計學意義。對有統計學意義的結果行q檢驗(SNK法)。

2 結 果

2.1 不同影像各標志點間的偏差

由表2可見，不同影像重合后標志點間偏差的標準差都在1 mm內。Ls、Pog、Me、Mnl偏差的標準差大于0.5 mm，其余部位小于0.5 mm。箱型圖如圖5所示。

表1 22個標志點的定義Tab 1 Definition of the 22 landmarks

2.2 拍攝姿勢和拍攝時間對標志點坐標值的影響

由表3可見，不同姿勢下，頦部(Pog、Me)及下頜下緣(Mnr、Mnl)的差異有統計學意義，不同拍攝時間下，鼻底(Sn)及唇周(Ls、Li)的差異有統計學意義。其余部位在不同拍照姿勢和不同時間下，差異無統計學意義。進一步對具有統計學意義的點進行q檢驗(SNK法)，可以得到差異分布于：PogX(姿勢1與9、1與7、2與6存在差異)、PogY(姿勢1與7、2與7存在差異)、MeX(姿勢1與3、2與3、2與4、3與7、3與9存在差異)、MeY(姿勢1與3、1與6、1與7、1與9、3與7、4與8存在差異)、MnrX(姿勢3與7、4與7存在差異)、MnrY(姿勢3與8、3與9、6與7存在差異)、MnlY(姿勢1與9、2與4、2與7、6與9存在差異)；SnY(第1 次拍照和第2 次拍照存在差異)、LsY(第1 次和第2 次、第1 次和第3 次存在差異)、LsZ(第1 次和第3 次、第2 次和第3 次存在差異)、LiZ(三次全有差異)。

3 討 論

目前軟組織的測量評估仍處于摸索階段，沒有一個統一系統的標準[7]。測量的工具已經足夠先進，不管是三維攝影、結構光、莫爾云紋，測量精度都得到了認可；軟組織定點的穩定性也得到了驗證[11-13]。制約該領域發展的主要問題在于軟組織不像硬組織那樣穩定，其形態受主體的身體狀況、精神情緒、拍攝姿勢等影響，變化很大。個體多次拍攝能否保持自然頭位，各次拍攝影像之間是否存在誤差，是否具有可比性一直存在疑問。有學者提出了提高穩定性的方式，如面部的固定裝置或在軟組織做記號[8]。但這些方法十分繁瑣，操作時間長，臨床上很難大范圍應用；同時，一些裝置作用于頭部，對軟組織有壓迫，受試者戴上后也會不自在，難以放松；裝置對面部有遮擋，無法取得面部完整的影像[14]。這些缺點與設計裝置的目的背道而馳，因此不能實施。這樣一來，三維攝影技術的應用就被局限了嗎？人們往往先入為主的認為不同的姿勢肯定會影響軟組織，但到底會不會有影響，有多大的影響，國內外未見相關研究。

表2 重合后各標志點的偏差Tab 2 The deviation of landmarks after superimposing

圖5 重合后各標志點偏差的箱型圖Fig 5 Box plot of the deviation of landmarks after superimposing

表3 標志點坐標值的方差分析Tab 3 Variance analysis of the coordination of the landmarks

注：①P<0.05;②P<0.01

本實驗通過對受試者分次在不同姿勢下拍攝的三維影像進行測量比較，發現不同的影像之間，重疊效果較好，鼻底以上的部位，重合偏差較小，額部、鼻根部、顴頰區域偏差均在0.3 mm內，而口角、頦部以及下頜下緣處偏差較大，但也小于1 mm。這說明即使在不同的姿勢不同的時間進行拍攝，影像之間的偏差也很小，0.3 mm的偏差是臨床上可以接受的。而口角、頦部和下頜下緣的偏差較大，可能是因為不同的姿勢下頸部皮膚變形，牽動下頜部分的皮膚，以及降頜肌群變化導致下頜骨位置也產生一定的變化。但這樣的變化程度很小，本實驗中，受試者的視角改變在30°，而臨床上一般會讓患者在自然頭位下進行三維成像，不會產生這么大的偏差。進一步的研究發現，不同的姿勢對頦部及下頜下緣標志點的坐標有影響，這說明不同姿勢面下部軟組織的變化是有一定規律的[15]。如果能夠做到姿勢的穩定，那么三維影像的穩定性也能有好的保障。同時我們發現，受試者鼻底及唇部的位置受拍攝時間的影響，這可能是由于患者的唇部肌肉在拍照前未得到充分的放松，需要進一步的實驗來驗證，如果不能排除這個因素，則提示我們唇部的影像可重復性較差，尚不能對多次拍攝的結果進行高精度的比較。

拍照姿勢不同，變化最大的部位應該是頸部，本實驗原本計劃納入頸部的標志點，但在實際操作過程中，由于相機經常不能完全采集到頸部皮膚的圖像，同時頸部缺少明顯的參照，標志點難以確認，最終將頸部標志點從實驗中去掉。其他標志點在確定的過程中也有一定的誤差，如果能夠提高定點的精度，會對實驗有很大幫助；如果能夠用標志面取代標志點，分析曲面之間的偏差，誤差將會更小，這也符合從平面向立體的研究方向。

本實驗尚需更多的數據、更高的精度、更可信的結果來比較不同姿勢下軟組織的變化，如果能確認姿勢對軟組織的影響很小，那么臨床上就可以廣泛進行軟組織對比；如果影響很大，一方面我們可以探索更好的維持姿勢穩定的方法，另一方面，找到不同姿勢對軟組織影響的規律，對采集的圖像進行修正，消除姿勢的影響，也是一條可以嘗試的道路。

綜上所述，在一定范圍內，拍攝姿勢對三維圖像的影響較小，非自然頭位與自然頭位下拍攝圖像的偏差在面中上2/3較小，面下1/3較大，但都能滿足目前臨床的需要，如比較手術或正畸前后面部軟組織的變化[16-17]。但要建立完善的三維軟組織評價體系，三維攝影目前的穩定性還不能達到要求，需要繼續探索提高穩定性的拍攝方法。