面部三维立体摄影及其在正颌外科中的应用

王姗姗，石 珏，孙逸嘉，谢志坚

（浙江大学医学院附属口腔医院 颌面外科，浙江 杭州，310000）

随着三维成像技术的发展，面部三维立体摄影技术在临床医学和研究室研究中越来越普及，常见的面部三维立体摄影系统是基于数字立体摄影测量技术构建的，该技术能够精确的再现面部的立体轮廓，逼真地反映皮肤的颜色和纹理，采集速度快，覆盖面广，安全无辐射。在正颌外科治疗中，面部软组织是非常重要的一个因素。传统摄影中，二维照片往往不能反映患者三维立体结构上的特点，而其应用于面型模拟预测时，往往只能反映面部侧貌的变化，而忽视整体与正面的改变。面部三维立体摄影系统提供的面部三维立体照片可以真实反映研究对象面部软组织的特点，可用于间接面部测量，还能将其应用于三维模型的建立与三维模型的分析中。

1 面部三维立体摄影系统

面部三维立体摄影系统是一种将摄影系统与计算机软件相结合的技术。根据光线来源可以分为主动、被动、混合三种[1-5]。主动式设备中的投影仪将具有一定图案的光（比如圆形，椭圆形，方形等）投射到研究对象表面后，通过一定距离外的摄像机捕捉反射回来的光线，这些光线在表面进行反射后，原有的形态会发生扭转和弯曲，通过计算机软件算法的分析处理，与三维空间坐标相匹配进行成像。这种系统在图像采集过程中控制对象的照明，不需要额外增加光照，也能消除外界环境光线的干扰，成熟的主动三维立体摄影系统还可以轻松捕捉颜色较暗的皮肤和衣服，但是这类系统的成像时间相对较长。Genex系统是一种常用的主动三维立体摄影系统，该系统在内部校准，不需额外校准。M4D系统是一种便携的三维立体摄影系统，体积小方便携带，能够在短时间内安装使用，能够容忍对象轻微的移动，而且可以用来身体任何部位的摄影。被动式是通过采集环境中光线在对象表面的反射进行摄影，其将三角测量技术建立在对象实际表面的特点上，该系统依赖于表面皮肤毛发、疤痕、雀斑等细节特点，因此很大程度上依赖于像素的完整性，因此在相机像素要求上较高。另外，摄影时应严格控制环境中照明条件，以最大限度减少环境光谱反射对成像的影响。常用的被动式三维立体摄影系统有Di3D系统，该系统采用高分辨率摄像机，不需要进行图像投影或激光扫描，能够快速轻松捕获图像。混合式则结合了前两种技术，常用的主要有3DMD系统。3DMD系统由6个医疗级相机组成，可在1.5毫秒内与主体同步，这些相机将多角度采集到的图像重建在同一个三维坐标中的模型上，捕获时间短，而且3DMD系统能够容纳额外的摄像机，而不影响图像采集时间，但是该系统要求每次使用时用户对其进行校准。

三维立体摄像系统的精确度主要体现在重现性和绝对精度上。有学者[6]在用标准人体测量法和3DMD系统对20个正常成年人18个标记点测量比较中发现，3DMD的总体精度误差小于1mm，可靠性及重现性高。大量学者[7-9]在对不同成像系统精确度的研究中发现，市面上使用的三维立体摄像系统具有高度可重复性和精确性，不同系统之间虽然存在差距，但这些差距较小（在几百微米以内），在实际测量研究中没有太大意义。

2 面部三维立体摄影在正颌外科中的应用

正颌外科是通过将颌骨的切开、移动和重新固定来恢复正常的牙-颌骨位置关系。过去，利用侧位头影测量描记图预测术后面型改变，其主要目的包括：1.确定术前正畸治疗的目标；2.筛选能取得最佳功能和美学效果的手术方案；3.获取术后面貌侧貌的变化可视图用于会诊和医患交流[10]。随着科技的发展，计算机辅助的设计方法已非常普及。三维成像技术的出现和发展更是提供了三维模型测量、设计和模拟的可能性。

2.1 面部三维立体摄影在面部测量中的作用

传统的人体测量学是在临床接诊环境中进行的，用卡尺等测量对象各标记点之间的距离或者弧度，测量时需要对对象的单独测量，并需要几分钟的直接身体接触，在收集幼儿或存在某些发育缺陷儿童的数据时，往往难度较大，耗时较长。三维立体摄影系统用于间接测量时，则具有较大的优势[11]：首先，摄影速度快，完成摄影后对象可自由移动；其次，这种摄影系统是非侵入性的，安全性高，无辐射；第三，完成摄影后可快速查看图像，以确定摄影细节，若发现图像中存在缺损或变形可及时追加图像；第四，图像数据存档后可反复使用，用于研究和测量；最后，数据可在计算机软件中测量标记点之间的距离和弧度，同一个数据可同时被多个人进行测量分析。面部三维立体摄影主要用于测量和分析面部软组织标记点之间的关系，并不能表现硬组织相关标记点之间的关系；作为一种间接测量方式，无法通过直接触摸研究对象确定标记点的位置，只能通过面部轮廓进行判断；另外，计算机软件具有局部放大功能，放置标记点时可能存在个体差异，因此在标记时需要医师反复核对位置。不管是传统的直接面部测量还是面部三维立体摄影测量，大多关注标记点之间的距离和侧面相关线性角度关系，对于面部轮廓的弧度关注较少，缺乏面部三维立体摄影测量方面特点的测量指标。

面部三维立体摄影在对称性比较中也具有非常大的优势。在人类学研究中发现，面部对称性在人类面部吸引力中非常重要。在面部的不同区域中局部的对称性具有不同的重要性，中线附近的对称性相对影响较大。对称性的比较中，二维照片因为缺乏一个维度的坐标，有时在高度和宽度上产生的差距不大，但是在深度上可能存在较大的差异。另外，单张二维照片在对称性比较中可用的测量指标点相对三维模型较少，给出的信息相对片面。Philipp[12]等人在利用二维及三维的图像对面部对称性分析的三种方法比较中，指出二维照片比较在准确性中尚有欠缺，但三维照片比较因可利用的标记点较多，加大了测量的难度，建议参考二维照片中相关的对称性指标对三维照片进行分析，从而快速得到准确的结果。对称性分析的结果对于治疗方案及手术方案具有一定的指导作用，完整而准确的结果能够提供更好的治疗。

Ogawa[13]等人使用面部三维立体摄影系统获取了1126名日本人（865名男性和261名日本女性，年龄为19-60岁）的面部三维立体图像作为样本，在规范的人体测量分析下，记录该人群中眉弓、眼眶、鼻部和唇部轮廓的特征，比较不同年龄段及性别之间的差异，以此建立面部三维照片的数据库。面部三维照片数据库的建立不仅可以用来分析某一个群体面部轮廓及软组织特征上的差异，还可以通过横向比较其变化情况，分析随年龄增长面部的发展趋势。Kim[13]通过对43位选美选手和48位普通女性的面部三维立体模型分析中，发现了两者间存在的差别：选美选手面中部更立体，鼻部更挺且双侧鼻翼的距离更短，两者唇部与下部的垂直比例无明显差异，但是选美选手的鼻唇角较普通女性稍大。不同种族之间面部特征也存在一定的差异，Wirthlin[14]在对100个休斯顿白人和71个中国人的面部三维立体模型进行比较时发现，休斯顿人在面中部包括眉弓、鼻部、唇部及颏部更突，然而中国人的颧弓宽度更大，中国人中女性脸颊较男性丰满。这些差异在正颌模拟中具有一定参考意义，有利于制定更合理的治疗方案。

2.2 面部三维立体摄影在术前模拟中的作用

锥 形 束 CT（cone-beam computed tomography，CBCT）能够提供医学图像储备和传输数据，这种数据使图像不损失原始信息，并采用计算机图形学中的移动立方体算法，实现二维照片对应点与三维空间位置和解剖结构上的一致，重建三维可视化模型[4、15-19]。利用CBCT提供的软硬组织数据，生成三维模型，不少学者使用这种模型进行虚拟手术，通过对颌骨的切开、移动，模拟术后的硬组织形态，这种技术还可与三维打印技术结合，打印术中合板。然而CBCT提供的数据在面部软组织的准确性上仍有欠缺，不能显示面部组织的颜色、纹理等，将面部三维立体摄影提供的图片与之拟合，则能够显现术后的整体面貌与轮廓。这种三维模型不单能够显示侧貌关系，还能表现正面及整体面部相对关系，可用于观察正面对称性情况，相对二维模拟更为直观，在治疗方案确定及医患沟通中也更具有优势。

大量学者在使用面部三维立体照片与CBCT相结合应用于正颌手术的手术模拟中，发现准确度较高。有学者发现三维模拟比二维模拟在软组织的预测中准确性更高[20-27]。三维模拟中产生的误差，一方式是数据采集本身或者处理过程中产生的误差，另一方面是模拟本身产生的误差。面部三维立体摄影采集与CBCT采集时产生的误差相对较小，但是采集面部三维立体图像时，捕获到的是瞬间的面部图像。而三维立体图像采集与CBCT图像采集并非同时进行，咽口水、抿嘴等动作都会通过肌肉的作用影响面部形态，研究对象处于息止合位和牙尖交错位时面下三分之一在高度上也可能存在差异，因此建议建立统一的图像采集标准，以减少数据拟合产生的误差。在软件模拟中，硬组织的变化导致面部肌肉拉力的改变，不同的移动量引起的改变不同，而且这种变化并不完全依照线性关系进行；另一方面，不同个体存在软组织厚度上的差异，导致个体模拟上的差异。很多时候三维模拟的个体差异，依靠医生的临床经验进行个别调整。三维模拟中仍旧缺乏一个模拟中软硬组织相对关系的数据库，能够指导对不同软组织厚度的患者及不同硬组织移动量的调整。

2.3 面部三维立体摄影在治疗效果比较中的应用

在研究正颌患者治疗前后的差异时，可以通过在模型上标记参考点，绘制参考线，比较标记点到参考线间距离的差异，也可以利用电脑软件结合算法，将研究对象治疗前后的面部三维立体模型重叠，观察软件中重叠效果的差距进行分析，计算机软件比较还能量化这种体积变化的差异。Hajeer[28]对5名正颌手术患者的术前术后三维模型的比较，发现正颌手术对患者的面下三分之一的软组织形态的对称性上有较大的改善。面部三维照片能够完整的记录研究对象面部轮廓、色彩、皮肤纹理等特点，拍摄过程简单、安全无辐射，可以非常方便的用来记录正颌患者术后复诊和随访时的面部特征。Kau[29]等人还将其用于比较正颌术后肿胀消退的速度，发现一个月内个体肿胀消退约60%，双颌手术产生的肿胀更大，但消退速度相较单颌手术更快。与计算机软件算法的结合，面部三维立体照片可用来量化面部的体积变化情况，在面部局部充填治疗中，可用来观察治疗结果的情况，分析治疗的预后情况。

3 总结与展望

面部三维立体摄影应用于颜面部软组织的采集具有速度快，精确度高，重现性高、非侵入性等特点，可用于颜面部软组织的分析测量，不仅能定量分析面部标记点之间的关系，还可用于定量分析面部对称性及面部体积变化情况。将其用于建立面部三维模型时，用来正颌外科的术前模拟时，能够模拟术后的整体面部软组织形态，且准确度较高，在正颌治疗方案的确定及医患沟通方面具有更大的优势。该系统能够完整记录对象面部软组织特点，在术后随访及研究中也具有极大优势。

然而面部三维照片应用于三维模拟时，因个体差异的存在，难以达到完全一致。在面部三维照片采集方面也缺乏标准化规定，这将影响数据采集的准确性与三维模拟结果的准确性。