應用于無牙頜種植修復設計的三維面部掃描配準方法的對比

國丹妮，潘韶霞△，衡墨笛，屈 健，魏秀霞，周永勝

(北京大學口腔醫學院·口腔醫院，1. 修復科，2.義齒加工中心 國家口腔疾病臨床醫學研究中心 口腔數字化醫療技術和材料國家工程實驗室 口腔數字醫學北京市重點實驗室，北京 100081)

三維面部掃描技術的應用為實現三維美學預測及治療設計奠定了技術基礎[1-5], 日漸廣泛應用于多個醫學領域。面部掃描作為一種非接觸、非侵入式技術手段，具有掃描時間短、節省臨床時間、可簡化治療流程、增加美學和功能預期性的優點，同時與計算機斷層掃描影像(cone beam computed tomography，CBCT)重建軟組織技術相比，無放射暴露風險，軟組織成像精確度高，可重建出高質量真實彩色三維圖像[6]。因此，整形美容外科、口腔正畸科、口腔正頜外科等已應用此技術輔助用于美學預測、診斷治療方案制定及療效評價[7]。而口腔修復治療與面部形態全面識別及綜合分析息息相關，因此結合面部掃描技術構建“虛擬患者”將成為修復治療領域的研究熱點之一。無牙頜種植修復面臨兼具美觀及口腔功能重建的治療難點，需綜合評估牙槽嵴、頜骨和頭面部軟組織信息。目前，面部掃描數據可與多種數據配準，完成前牙美學修復設計[8]，虛擬排牙[9]，部分實現修復體臨床試戴功能[10]，制作即刻全口義齒[11]，便于醫生、技工、患者有效溝通[12]。與既往應用不同的是無牙頜種植修復需重點考慮頜位關系、豐滿度等口頜重建關鍵要素的數字化重建以及修復設計，因此需建立三維“虛擬患者”貫通術前設計與最終修復。面部掃描數據是建立無牙頜修復三維“虛擬患者”的關鍵，其與頜骨、口腔掃描，虛擬牙列的精確匹配決定了預期修復效果的準確性。面部掃描數據精確配準主要受面部掃描儀精度和數據配準方法這兩個關鍵因素影響。常用面部掃描儀誤差值為140～1 330 μm[13]，對正常面型人群面部掃描儀測量精度為0.3～0.4 mm，可滿足口腔修復所需精度要求 (0.5 mm)[14]。三維數據配準需依賴相應的標志點或固定的同一表面，既往研究有采用面部解剖標志點對齊[15]、面部不動區域對齊[16]、增加面部特征點對齊[17]、增加口內特征標記對齊[18]或多種方法結合[19]完成配準。但是既往研究多針對同一狀態下患者面部掃描數據，而無牙頜種植修復需要將體現咬合記錄關系的面部掃描(開口器牽拉)與反映美學參考信息的面部掃描(大笑)精確配準，兩種面部掃描數據的面部軟組織形態差異較大，因此需要適宜的配準方法。本研究旨在比較不同配準方法完成大笑和開口器牽拉兩種狀態下獲取的三維面部掃描數據配準的誤差，探究適宜的配準方法，為完善無牙頜種植修復患者面部掃描流程提供參考建議。

1 資料與方法

1.1 研究對象

招募15例2019年1月到2020年1月在北京大學口腔醫院修復科就診的上頜無牙頜或終末期牙列要求種植修復的患者作為研究對象，依據標準共納入10例受試者。

納入標準：(1)上頜要求種植固定修復；(2)頜位關系基本正常；(3)可獲得大笑和開口器牽拉兩種狀態下的三維面部掃描數據；(4)自愿參與研究，簽署知情同意書。

排除標準：(1)急、慢性顳下頜關節紊亂綜合征患者，有口頜面化療史，黏膜慢性炎癥、增生等或其他可能將實驗過程復雜化的口腔病理狀態者；(2)局部或全身情況不適宜種植修復者。

本研究開始前已在中國臨床試驗注冊中心(Chinese Clinical Trial Registry, ChiCTR)注冊(注冊號：ChiCTR-2000038501), 并且已經北京大學口腔醫學院生物醫學倫理委員會審查批準(PKUSSIRB-202057115)， 本研究嚴格遵守赫爾辛基宣言(World Medical Association Declaration of Helsinki, version 2013)， 所有受試者均已簽署知情同意書。

1.2 設備和軟件

FaceScan三維顏面部掃描儀購自德國3D System公司，結構光原理，掃描速度0.2～0.8 s，精度0.2 mm，掃描范圍270°～320°；三維逆向工程軟件Geomagic Qualify 2012購自美國Raindrop公司。

1.3 研究方法

1.3.1獲取數據

受試者坐位，距離FaceScan攝像頭150 cm，自然頭位，雙眼平視前方，分別在自然大笑位和開口器牽拉暴露上、下頜牙列或蠟堤位完成面部掃描(圖1)， 獲取大笑位和開口器牽拉時面部掃描數據，以OBJ格式存儲。將面部掃描數據導入Geomagic Qualify 2012分析軟件，其中自然大笑位面部掃描數據為基準面部掃描(Ref面部掃描)，開口器牽拉暴露口內面部掃描數據為測量面部掃描(Test面部掃描)。Ref面部掃描與Test面部掃描統一局部坐標系，定義瞳孔連線方向為x軸，患者左方為正；鼻翼耳屏線方向為z軸，朝向患者面部后方為正(圖2)。

A，facial scan data of natural laughter；B，facial scan data with opener traction.

1.3.2數據配準

分別采用5種方法對Ref面部掃描和Test面部掃描進行配準。

1.3.2.1面部解剖標志點對齊(anatomical landmarks-N, AN) 選擇左、右內眥，外眥，耳屏和鼻根共7個面部軟組織解剖標志點，通過N點對齊完成兩個面部掃描數據的重疊。

1.3.2.2面部不動區域對齊(partial region-ICP, R-ICP) 選擇受試者額部和鼻根，進行選中區域迭代最近點算法(interactive closest point, ICP)配準，最佳擬合對齊完成兩個面部掃描數據的重疊。

1.3.2.3面部點對齊與區域對齊結合(N-ICP) 先選擇左、右內眥，外眥，耳屏和鼻根共7個面部軟組織解剖標志點進行粗配準，再選擇受試者額部和鼻根進行ICP配準。

1.3.2.4增加面部特征點對齊(face-specific markers-N, FN) 選擇受試者面部軟組織不變區域特征標記點7個，通過N點對齊完成兩個面部掃描數據的重疊。

1.3.2.5增加面部和口內特征標記對齊(face and oral specific markers-N, FON) 在1.3.2.4小節的基礎上，增加2個蠟堤特征標記點，通過N點對齊完成兩個面部掃描數據的重疊。

1.3.3測量分析

1.3.3.1配準誤差 平行于z軸過受試者眉心點建立分隔面上1/3部位的平面，選定面上1/3暴露面部皮膚為測量區域(圖3)。計算Ref面部掃描和Test面部掃描選中區域以相應方法配準后的三維偏差，記錄RMS (root mean square)值。

圖2 建立局部坐標系 圖3 選定統一測量區域

1.3.3.2分組分析 (1)第1組，面部點對齊與區域對齊配準效果：比較配準方法AN、R-ICP、N-ICP 選中區域的三維偏差；(2)第2組，增加面部特征點對齊與面部解剖標志點對齊配準效果：比較配準方法AN、FN 選中區域的三維偏差；(3)第3組，增加口內特征標記對齊的配準效果：比較配準方法FN、FON選中區域的三維偏差(圖4)。

1.4 統計學分析

使用SPSS 22.0軟件，計量數據以均數±標準差表示，經Shapiro-Wilk檢驗，各組數據符合正態分布(P>0.05)， 經箱型圖判斷數據有異常值，因此面部解剖標志點對齊、面部不動區域對齊、面部點對齊與區域對齊結合3種方法組間差異比較采用單因素重復測量方差分析中的Frideman檢驗，雙側檢驗，檢驗水準α= 0.05。是否增加面部特征點對齊和是否增加口內特征標記對齊的兩組間數據比較進行配對t檢驗，P<0.05認為差異有統計學意義。

2 結果

選擇面部解剖標志點對齊、面部不動區域對齊及面部點對齊與區域對齊結合的3種配準方法，面上1/3選中區域三維偏差組間差異有統計學意義 (χ2=16.800，df=2，P<0.001)。采用AN法[(1.501 2±0.406 1) mm]，三維偏差平均值顯著大于R-ICP法[(0.629 1±0.150 6) mm] (P=0.022) 及N-ICP法[(0.603 5±0.493 4) mm] (P<0.001)。面部點對齊與區域對齊結合的三維偏差略小于面部不動區域對齊配準后的三維偏差，兩者間差異無統計學意義(P=0.539)。

選擇增加面部特征點進行N點對齊(face-speci-fic markers-N，FN)， 選中區域三維偏差為(0.793 5±0.223 4) mm，顯著小于僅選擇面部解剖標志點對齊后的偏差(P<0.001)。

增加面部和口內特征標記進行N點對齊，選中區域三維偏差[(0.778 1±0.258 6) mm]略小于僅增加面部特征點對齊后的三維偏差[(0.793 5±0.223 4) mm]，兩者間差異無統計學意義(P=0.867，t=0.172, df=9)。

A, B, the 3D deviations of anatomical landmarks-N (AN); C, D, the 3D deviations of partial region-interactive closest point (ICP); E, F, the 3D deviations of N-ICP; G, H, the 3D deviations of face-specific markers-N (FN); I, J, the 3D deviations of face and oral specific markers-N (FON).

3 討論

本研究對于臨床無牙頜或終末期牙列的患者修復設計前的面部掃描數據進行配準，需考慮多種因素影響。首先,待配準的自然大笑位面部掃描數據和開口器牽拉面部掃描數據，面中下2/3區域軟組織有明顯形變，無法為配準提供面中部的參考標志；第二，口內情況不相一致，包括舊修復體、蠟堤、余留天然牙3類；第三，年齡較大的無牙頜患者面部表情變化較大時，作為穩定標志的前額會因皺紋等出現變形；最后是配準后的面部掃描數據擬行修復體設計，需兼顧口內區域的配準精度。因此，本研究選擇面部解剖標志點對齊、面部不動區域對齊、面部點對齊與區域對齊結合、增加面部特征點對齊及增加面部和口內特征標記對齊共5種擬行配準方案用于比較。

本研究選擇面部掃描配準常用的7個解剖標志點行N點對齊，前額區域三維偏差平均(1.501 2±0.406 1) mm，顯著大于其他配準方法，原因可能在于解剖標志點均集中于面上1/3不動區域，而通常多選擇面中1/3區域解剖標志點進行配準，因面中1/3曲率變化明顯可有更高的配準精度[20]；僅利用7個解剖標志點不足以完成較大的面部掃描文件的精確配準；兩種不同狀態下的面部掃描數據，患者的表情可出現較明顯的變化，內、外眥及鼻根標志點在選取過程中即出現較大誤差[21]。這一結果提示，選擇面部解剖標志點可進行初步粗配準，但是應進一步結合其他配準方法完成最終圖像重疊。

本研究選擇面部不動區域對齊即利用前額局部未發生形變區域完成ICP配準，三維偏差明顯減小，此結果與既往用于分析正畸治療前后面部掃描數據的配準方法研究結果不一致[22]，既往研究結果表明點重疊、額部區域重疊和軟件自動重疊對于成人面部掃描數據配準3種方法間差異無統計學意義，但更加推薦點重疊的方法，這可能與研究中測量三維偏差方法不同有關。ICP算法需利用眾多點云數據計算最佳擬合位置，具備足夠特異性的形態特征可提高其準確性，因此利用面上1/3區域ICP配準時，應盡量選定范圍延伸至轉折處，但部分無牙頜患者因面部皺紋改變等可能無法適用于區域配準[20]。

本研究增加面部特征點顯著減小了配準誤差，因此可考慮在面部前額不動區域設計面部特征性標志，用以輔助配準，提高精度[17,23]。臨床實際應用面部掃描數據配準可知對于面部皺紋較深的老年患者，微笑時前額變形會影響配準的準確性，不適用于局部區域最佳擬合對齊。同時還需注意多種因素(如環境照明、掃描儀位置、患者姿勢及頭位、面部表情,以及是否避免頭發遮蓋面部重要區域)影響掃描的精度[24-25]。無牙頜患者修復治療需同時兼顧美學與口腔功能重建，治療前后面部中下區域形態可能出現明顯改變，因此本研究采用面上1/3不動區域進行配準，適用于所有無牙頜修復。

此外，余留有天然牙列的患者，可利用口內暴露牙列設定標志點，無牙頜患者需借助固定有特征性標記點的蠟堤等輔助完成面部掃描。但本研究增加了口內特征標記未能顯著提高配準精度，可能與面部掃描數據中口蠟堤出現拼接變形有關，因此在適用的情況下，應盡可能增加口內特征標記形態的特異性及增大特征標記分布范圍。采用口外輔助裝置配準可降低形變，提高配準可靠性，但目前多見應用于天然牙列的病例報告中[12,17-18]，且輔助裝置會部分遮擋面部區域，適用于無牙頜患者的輔助裝置尚待進一步探究。

本研究仍存在一定的局限性，確定解剖標志點的位置存在一定的選擇誤差，納入樣本量較小，配準誤差結果指標較為單一且無法分析配準后誤差值在坐標系中的方向。這些不足之處可通過選擇特征明確的解剖標志點、擴大樣本量及選擇標志點測量偏差大小及方向進行一定程度的彌補。

綜上所述，應用于無牙頜種植修復設計的三維面部掃描應注意保留盡可能多的前額區域，增加面部特征性點進行粗配準，再利用面部不動區域完成最佳擬合對齊，以期提高配準精度。利用面上1/3不動區域及增加面部特征點完成三維面部掃描配準應用于無牙頜種植修復設計是臨床可行的。