三维摄影测量技术在面部软组织测量中的稳定性研究

李兴驰 高辉 肖丹娜

随着先进的检查设备在正畸治疗中的应用以及患者对正畸后软组织美观要求的提高，颌面部软组织的测量与评估已成为正畸大夫考察的重要项目[1-2]。目前较常用的立体测量软组织的方法是三维摄影测量技术，其成像速度快，测量精度高，能三维重建影像，在临床的应用越来越广泛，将软组织的研究引入了新的层面。

已经有大量研究证实了三维摄影的精确度、准确性高，接近于直接的人体学测量，结果可靠，可以满足临床的应用，对软组织进行评估[3-5]。自然头位[6-7]是目前公认的拍摄与测量三维影像的最佳基准，但目前尚未找到简便易行的能够确保自然头位的拍摄方法，目前已有的保证自然头位的方法会给三维成像带来很多不便[8]。在无法保证自然头位的情况下，三维摄影技术的应用受到限制。然而面部软组织在拍摄时受头部姿势及面部肌肉的影响有多大，既非自然头位下拍摄影像与自然头位下拍摄影像有多大差异，国内外未见相关研究。本研究旨在通过将同一对象的多次拍摄影像与自然头位下的拍摄影像重叠，比较它们之间的差异，以探究姿势对三维摄影的稳定性的影响。

1 资料与方法

1.1 样本的采集

5 名未接受正畸治疗的在校大学生，分别拍摄3 次其面部软组织的三维立体影像，每次间隔7天，每次拍摄9套影像。

排除标准：唇腭裂，有神经疾病。

1.2 仪器与软件

三维摄影装置:3dMD立体摄影系统(3dMDface公司，USA)；台式电脑(Dell公司，USA);图像处理软件：Geomagic Design X(3D Systems公司，USA);数据处理软件：SPSS 19.0(IBM公司，USA)。

1.3 拍摄方法

受试者坐于3dMD相机前1 m处，自然放松背靠椅背，调整座椅高度至受试者面部位于镜头视野内中间部位。相机后的墙面上有边长1 m的正方形纸板(图1)，在其顶点，四边中点及中心有9个标记点，依次按1～9标记(标记点5为该受试者自然头位下直视的点)。

图1 3dMD相机及带有标记点的纸板Fig 1 The 3dMD system and paperboard with mark points

拍摄前操作员引导受试者情绪，消除紧张，使其尽量平静，并嘱受试者轻轻按摩面部，放松肌肉。每次拍摄，受试者分别转动头部直视9 个标记点(视角改变最大约30°)，拍摄9 套三维影像(图2)，影像编号为A1-A9。并在间隔7 d和14 d时拍摄第二次(B1-B9)第3 次(C1-C9)。

图2 受试者拍摄3dMD影像示意图Fig 2 The diagram of examinees photographed with 3dMD system

1.4 图像处理

将样本影像导入至Geomagic Design X软件，同一受试者三次共27套影像手动进行重合[9]。本研究中以受试者前额及鼻梁处为重叠参考区域[10]。

以各受试者的A5影像为基础建立坐标系。坐标原点为眉间点G，X、Y轴为经过G点，分别垂直于正中矢状面和眶耳平面的直线。取额部、颊部、鼻唇部等部位的共22 个点作为标志点[11](图3，表1)。分别在重叠后的面部影像上标记标志点(图4)，利用Geomagic Design X 软件中的面片偏差功能，分别测量各受试者影像标志点间的偏差，参考影像为A5，并收集所有标志点的坐标值。

图3 面部的22 个标志点Fig 3 22 landmarks on the face

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

1.5 数据统计与分析

将标志点间的偏差值录入SPSS 19.0软件，计算偏差的均值。将坐标值录入SPSS 19.0软件进行单变量方差分析，检验水准α=0.05，P<0.05视为差异有统计学意义。对有统计学意义的结果行q检验(SNK法)。

2 结 果

2.1 不同影像各标志点间的偏差

由表2可见，不同影像重合后标志点间偏差的标准差都在1 mm内。Ls、Pog、Me、Mnl偏差的标准差大于0.5 mm，其余部位小于0.5 mm。箱型图如图5所示。

表1 22个标志点的定义Tab 1 Definition of the 22 landmarks

2.2 拍摄姿势和拍摄时间对标志点坐标值的影响

由表3可见，不同姿势下，颏部(Pog、Me)及下颌下缘(Mnr、Mnl)的差异有统计学意义，不同拍摄时间下，鼻底(Sn)及唇周(Ls、Li)的差异有统计学意义。其余部位在不同拍照姿势和不同时间下，差异无统计学意义。进一步对具有统计学意义的点进行q检验(SNK法)，可以得到差异分布于：PogX(姿势1与9、1与7、2与6存在差异)、PogY(姿势1与7、2与7存在差异)、MeX(姿势1与3、2与3、2与4、3与7、3与9存在差异)、MeY(姿势1与3、1与6、1与7、1与9、3与7、4与8存在差异)、MnrX(姿势3与7、4与7存在差异)、MnrY(姿势3与8、3与9、6与7存在差异)、MnlY(姿势1与9、2与4、2与7、6与9存在差异)；SnY(第1 次拍照和第2 次拍照存在差异)、LsY(第1 次和第2 次、第1 次和第3 次存在差异)、LsZ(第1 次和第3 次、第2 次和第3 次存在差异)、LiZ(三次全有差异)。

3 讨 论

目前软组织的测量评估仍处于摸索阶段，没有一个统一系统的标准[7]。测量的工具已经足够先进，不管是三维摄影、结构光、莫尔云纹，测量精度都得到了认可；软组织定点的稳定性也得到了验证[11-13]。制约该领域发展的主要问题在于软组织不像硬组织那样稳定，其形态受主体的身体状况、精神情绪、拍摄姿势等影响，变化很大。个体多次拍摄能否保持自然头位，各次拍摄影像之间是否存在误差，是否具有可比性一直存在疑问。有学者提出了提高稳定性的方式，如面部的固定装置或在软组织做记号[8]。但这些方法十分繁琐，操作时间长，临床上很难大范围应用；同时，一些装置作用于头部，对软组织有压迫，受试者戴上后也会不自在，难以放松；装置对面部有遮挡，无法取得面部完整的影像[14]。这些缺点与设计装置的目的背道而驰，因此不能实施。这样一来，三维摄影技术的应用就被局限了吗？人们往往先入为主的认为不同的姿势肯定会影响软组织，但到底会不会有影响，有多大的影响，国内外未见相关研究。

表2 重合后各标志点的偏差Tab 2 The deviation of landmarks after superimposing

图5 重合后各标志点偏差的箱型图Fig 5 Box plot of the deviation of landmarks after superimposing

表3 标志点坐标值的方差分析Tab 3 Variance analysis of the coordination of the landmarks

注：①P<0.05;②P<0.01

本实验通过对受试者分次在不同姿势下拍摄的三维影像进行测量比较，发现不同的影像之间，重叠效果较好，鼻底以上的部位，重合偏差较小，额部、鼻根部、颧颊区域偏差均在0.3 mm内，而口角、颏部以及下颌下缘处偏差较大，但也小于1 mm。这说明即使在不同的姿势不同的时间进行拍摄，影像之间的偏差也很小，0.3 mm的偏差是临床上可以接受的。而口角、颏部和下颌下缘的偏差较大，可能是因为不同的姿势下颈部皮肤变形，牵动下颌部分的皮肤，以及降颌肌群变化导致下颌骨位置也产生一定的变化。但这样的变化程度很小，本实验中，受试者的视角改变在30°，而临床上一般会让患者在自然头位下进行三维成像，不会产生这么大的偏差。进一步的研究发现，不同的姿势对颏部及下颌下缘标志点的坐标有影响，这说明不同姿势面下部软组织的变化是有一定规律的[15]。如果能够做到姿势的稳定，那么三维影像的稳定性也能有好的保障。同时我们发现，受试者鼻底及唇部的位置受拍摄时间的影响，这可能是由于患者的唇部肌肉在拍照前未得到充分的放松，需要进一步的实验来验证，如果不能排除这个因素，则提示我们唇部的影像可重复性较差，尚不能对多次拍摄的结果进行高精度的比较。

拍照姿势不同，变化最大的部位应该是颈部，本实验原本计划纳入颈部的标志点，但在实际操作过程中，由于相机经常不能完全采集到颈部皮肤的图像，同时颈部缺少明显的参照，标志点难以确认，最终将颈部标志点从实验中去掉。其他标志点在确定的过程中也有一定的误差，如果能够提高定点的精度，会对实验有很大帮助；如果能够用标志面取代标志点，分析曲面之间的偏差，误差将会更小，这也符合从平面向立体的研究方向。

本实验尚需更多的数据、更高的精度、更可信的结果来比较不同姿势下软组织的变化，如果能确认姿势对软组织的影响很小，那么临床上就可以广泛进行软组织对比；如果影响很大，一方面我们可以探索更好的维持姿势稳定的方法，另一方面，找到不同姿势对软组织影响的规律，对采集的图像进行修正，消除姿势的影响，也是一条可以尝试的道路。

综上所述，在一定范围内，拍摄姿势对三维图像的影响较小，非自然头位与自然头位下拍摄图像的偏差在面中上2/3较小，面下1/3较大，但都能满足目前临床的需要，如比较手术或正畸前后面部软组织的变化[16-17]。但要建立完善的三维软组织评价体系，三维摄影目前的稳定性还不能达到要求，需要继续探索提高稳定性的拍摄方法。