光学三维表面成像技术的临床应用进展

钟业宏 杨斌

【提要】 精确且高效的人体学测量方法是整形外科不可或缺的重要手段。既往常用的直接测量法及二维摄像测量法精确度低、可重复性差，已不能满足目前精准医学的需求。近年来，随着光学技术高速发展，光学三维表面成像技术逐渐应用于临床，并已成为面部软组织量化分析的重要手段。本文就光学三维表面成像技术的发展历程、技术原理、成像精度、临床应用及未来的发展方向进行综述，为进一步拓宽其应用领域提供新思路及参考依据。

对于同时兼顾形态美学及功能的整形外科，精确且高效的人体学测量手段是不可或缺的重要手段。既往常用的测量方法单一，主要采用直接测量法及二维摄像测量法进行量化分析，但对于面部软组织等可让性较大的目标部位，直接测量法易致其发生形变，造成较大的测量误差且测量可重复性差；二维摄像测量法虽为非接触性手段，但易受光线、焦距、焦点范围、物距等摄像客观条件影响，产生点位深度差，测量准确性难以保证[1]。近年来，随着光学技术的高速发展，非接触性的光学三维表面成像技术有望解决上述问题并被广泛应用于临床，如群体美学量化分析[2]、特殊解剖部位的动态分析[3]、面部表型及基因型联系研究等[4]。目前，光学三维表面成像技术在面部软组织分析领域的应用日趋广泛，本文就光学三维表面成像技术发展历程、技术原理、成像精度、临床应用及其未来发展方向进行综述，为进一步拓宽其应用领域提供新思路及参考依据。

1 三维表面成像发展历程与光学三维表面成像技术

三维表面成像是指通过各种不同介质对被观察物体表面进行扫描成像，从而得出其在三维空间坐标并进行分析的过程；光学三维表面成像则是利用结构光、激光等光源介质，对物体表面进行投射扫描，从而生成包含空间位置、深度、颜色等信息的三维图像的一种技术。

光学三维表面成像技术是由三维表面成像技术发展而来。1944 年，三维表面成像技术应用于婴儿Pierre-Robin 综合征[5]，标志着该技术首次应用于临床。随后，图像融合技术、摩尔条纹法、液晶扫描、视屏系统[6]等技术也被尝试性应用于患者三维成像。上述技术虽然均可获得三维图像并进行分析，但因耗时长，成像质量不一，成本难控等不足，无法广泛应用于临床。1967 年，立体摄像技术的出现为光学三维表面成像技术提供了初步的理论及技术基础[7]。21 世纪初，随着激光、结构光等光学技术的高速发展，3dMD、Canfield、Crisalix、Dimensional Imaging（Di3D）和Axisthree 等光学三维表面成像系统开始广泛应用于医学领域。

2 光学三维表面成像技术原理

光学表面成像技术由结构光技术及立体摄影技术组成[8]。结构光技术利用结构光投射器向被观察物体表面投射光点、光栅、光面结构，由图像传感器获取图案，经计算机处理生成形状数据，并填充相关的颜色和纹理信息，从而得到三维图像[9]；立体摄影技术则是通过两个或两个以上摄像机对被观察物体进行特定角度拍摄，创建一个立体对，并在同一时间记录深度，通过计算机建立精确的三维几何模型，填充颜色和纹理信息后得到三维成像。其中，立体摄影技术可分为主动法、被动法和混合法三种[10]。主动法基于结构光技术，将特定光波图像投射于被观察对象表面，用两个以上镜头捕捉光波在物体表面的变形，通过计算捕捉每个二维点的三维坐标后运用三角测量法得到三维成像；被动法则是通过在不同方向地点设定多个摄像机对被观察对象进行多角度同步拍摄，然后直接进行数字合并从而获得三维成像；混合法则是同时运用主动法及被动法技术，以获得更为精准的三维成像[10]。

3 光学三维表面成像技术精度及优势

目前光学三维表面成像技术的精确性已经得到多方验证[11]。不同三维扫描系统因自身光学成像方式不同，成像精度略有差别（如3dMD Face 系统扫描误差<0.2 mm，Axisthree 扫描系统误差<0.5 mm，Di3D 扫描系统误差≤0.2 mm），但光学三维表面成像系统精度均显著高于直接测量法等传统方法。与此同时，光学三维表面成像技术扫描速度快，单次成像速度可达1.5 ms。基于其高速成像特性，光学三维表面成像技术还可进行三维动态扫描，并对特殊部位进行动态追踪分析[12]，填补了动态人体学测量的空白。3dMD dynamic 和Di4DTM为目前常用的光学三维表面动态扫描系统，其中3dMD dynamic 动态捕捉速度可达60 帧/秒，最高可持续录制10 min 动态视频；专业级别Di4DTM动态捕捉速度可高达500帧/秒。动态扫描结束后，可将目标动作逐帧分解并根据其世界空间坐标系进行进一步量化分析。此外，光学三维表面成像技术是投射结构光等光学介质于物体表面，接受反射信息后直接于计算机上生成三维图像，从而可有效避免因焦距、物距等摄像条件造成的成像质量不佳，并可多方向、多维度查看被扫描对象。

4 光学三维表面成像技术的临床应用

光学三维表面成像技术的应用不仅局限于扫描成像，其更多起到的是临床科研工作的基础基石作用，目前主要通过其延伸配套的测量技术、术前设计三维编辑等给临床及科研工作提供强大的客观支持。以下介绍光学三维表面成像技术的具有启发性的临床应用。

4.1 在口腔正畸的应用

目前，3dMD 系统主要用于评估及模拟正畸系列治疗的软组织变化情况，制定最佳的治疗方案，便于在矫治过程中对方案进行调整。Akan 等[13]通过使用头颅射线照片及三维扫描图像，对20 例应用新型矫治器的患者进行面部软组织分析，得出的面部三维扫描结果具有传统头颅测量相似的准确度和精确度。张晨等[14]通过使用三维扫描技术对正畸患者拆除矫治托槽前后的软组织容量变化进行对比分析，发现唇侧托槽拆除后患者双侧口角上下唇中点均存在一定程度的内收。通过三维扫描技术对正畸患者面部软组织变化全程监控，能最大限度保证术后效果及治疗后满意度，减少术后并发症。

4.2 在整形美容的应用

3dMD 三维扫描系统目前主要应用于整形外科中面部不对称容量分析、颌骨术后鼻唇沟软组织容量分析、面瘫术前术后评估、葡萄酒色斑型血管瘤术后疗效评估[15]、特定人群人体学测量制定客观标准等。Sander 等[4]对165 例受试患儿（6岁儿童）分别采用直接测量法、二维摄影、三维扫描的方法进行软组织测量，结果表明三维扫描法是目前应用于儿童面部软组织定量分析最稳定可靠的手段。Zhong 等[12]通过对150例汉族女性鼻翼进行动态量化分析，总结出汉族女性人群鼻翼动度参考值范围，首次阐述了鼻翼动态美学的标准。通过获取三维图片可与整形美容患者进行术前可视化沟通及方案设计，制作个性化术中导板应用于整形美容手术[16]，极大提高医患沟通效率及术后满意度。

4.3 在精神病学及心理学方面的应用

Aldridge 等[17]通过对青春期自闭症患者与正常青春期受试者面部形态进行三维扫描及差异分析，发现自闭症患者表现出与正常发育受试者不同的面部表型，提示通过面部结构的研究可能揭示导致自闭症的生物学途径。同时，这也提示面部表型可广泛应用于多种神经发育和其他疾病的临床诊断，为鉴别罕见病以及基因型与表型之间的联系提供重要的研究工具。

4.4 在耳鼻喉疾病方面的应用

三维扫描系统目前主要应用于阻塞性睡眠呼吸暂停综合征（OSAHS）的评估与预测。Lin 等[18]通过对38 例确诊OSAHS 患者进行三维CT 扫描及面部三维扫描，并测量OSAHS严重性相关指标，结果显示二者结果高度一致，提示可通过使用无放射性的三维扫描系统辅助诊断OSAHS。Eastwood等[19]对确诊为无、轻、中、重度OSAHS 患者各100 例进行三维扫描并测量严重性相关指标，测量后对数据进行客观分度及配对，结果表明三维扫描测量后诊断与原诊断配对结果准确率高达91%。以上研究结果均提示三维扫描应用于OSAHS的诊断，具有高准确性、可重复性及可推广性，提示光学三维表面成像技术可在某些特定领域（如颅颌面畸形患儿的气道评估等）替代传统的放射性检查，从而避免放射性辐射。

综上所述，光学三维表面成像技术可应用于人体学测量的动静态量化研究，术后疗效分析、术前数字化设计、特殊病种表型与基因型之间的相关性研究，以及放射性影像替代研究等领域，具有较强的临床推广及应用价值。但是，光学三维表面成像技术设备费用昂贵、人力资源需求量大、操作相对复杂，这些问题限制了其进一步纵向普及。目前，国产光学三维表面扫描系统（如FC BodyScan 等）的研发取得了极大进展，设备费用有望大幅降低，积极地推进了光学三维表面成像技术的应用。

5 展望

与传统的直接测量法及二维照相测量法不同，光学三维表面成像技术具有可动态扫描、扫描速度快、非接触、无形变、成像精确、成像质量高、可重复性强、数据处理简捷等优势。已逐渐应用于整形外科、口腔科等的术前术后检查，除了可对患者术后疗效进行精准客观分析外，也相当于建立了高质量面部特征动静态数据库，基于各扫描系统可随时对存档三维资料进行测量、处理及分析，并开展相关研究；并且，高质量的三维图像数据库可作为训练集进行有监督性的机器学习[20-21]，从而构建目标人工智能模型，实现智慧精准医疗。循证医学已成为医学发展的核心方向，客观、全面、精确的量化数据分析是必须的客观前提。对于整形外科而言，既往单一的术前术后二维图像已不能满足发展的需要，精准的光学三维表面成像技术既能提供直观的多维度图像，又能通过其内在空间位置数据进行数据提取量化分析，可为个性化极强的整形外科的循证医学构建提供积极帮助。

数字化精准医疗是整形外科未来发展的必要手段，目前在骨组织整形领域已应用广泛，如计算机导航辅助治疗骨纤维异常增生症[22]、面部轮廓整形术中导板设计、植入物的个性化定制等临床应用，进一步降低手术风险、提高手术精确性及术后满意度。光学三维表面成像技术主要获取软组织数据，利用该技术可视化、高还原性特点，与患者进行术前沟通设计，极大地提高了患者地参与性与互动性。根据最终手术方案制作术中软组织导板辅助手术，实现个性化精准整形。综上所述，光学三维表面成像技术是数字化精准医疗于软组织领域应用的先决条件，进一步了解及拓展其应用领域，可为软组织数字化设计发展提供更全面、更有力的支持。