三维立体摄影测量技术与正畸

胡洁琼,李青奕

面部软组织、面部骨骼以及牙列是正畸中的三要素[1],而覆盖于硬组织之上的软组织往往比硬组织本身更有意义[2]。如今正畸医生遇到越来越多基于美学要求前来就诊的患者,治疗需求的转变意味着正畸医生需将诊断治疗重点放在面部软组织上,这要求医生对于面部软组织特征有更深层次的理解[3]。颌面软组织分析与正畸治疗的美学效果和治疗稳定性关系密切[4]。正畸医生通常通过摄影图片来辅助进行美学诊断以及评估患者矫正前后的美学情况。以前正畸医生通常使用二维成像图片来进行诊断,但二维图像无法获得面部结构的深度信息。三维立体摄影测量技术从旧的摄影测量技术演变而来,可以对患者进行更全面和准确地评估。该技术成像可从任何角度观看并测量,并且随着计算机技术的飞速发展,出现了新一代的计算机立体摄影测量技术,可以使捕获和成像过程更快、更简单、更准确[5]。综上,立体摄影测量技术是正畸医生进行诊断与分析的重要工具,因此了解其原理、应用、精确程度、优缺点以及未来发展方向对于正畸医生来说很有必要。

1 发展史

三维摄影技术是将不同角度拍摄的一个物体的多个图像组合成一个三维形貌,自1922年开始应用于口腔领域[5]。Thalmann于1944年首次报道其在临床中用作正畸诊断辅助工具,它记录了正畸治疗后的面部变化。但在当时,由于拍摄过程耗时、图像质量不佳以及难以预估的损耗,口腔科未将其作为普遍使用的工具。20世纪60年代,Burke等[6]受等高线的启发,提出从二维照片中提取面部深度来对面部进行三维分析,后Cutting等[7]对通过表面成像获得的三维模型进行了首次测量。1988年,数字工具的发展逐渐使获得高清图像成为可能。具有虚拟手术室(virtual operating room,VOR)的三维虚拟规划软件程序于20世纪80年代末被引入信息技术革命,使这些软件模块得到了重大改进。三维成像技术在20世纪90年代迅速发展并且在口腔科中,特别是在正畸科中占据了非常重要的地位(图1)[8]。2001年,白玉兴等研发了可应用于正畸临床诊断的数字化三维重建和测量系统,进行颌面部软组织结构的三维测量研究[9]。Hajeer等[10-11]在2002年开始运用立体摄影技术,对正颌术后的患者组织进行扫描评估。2013年Skvara等[12]介绍了一种由法国Valbonne公司开发的新三维摄像机技术(LifeVizTM),该软件基于绝对标定的立体视觉技术,用了一种独特的双闪光系统(专利申请中),采用了所谓的“反交叉偏振”,在很大程度上避免其他立体摄影测量系统中常见的镜面反射引起的问题。在过去的20年里,包括结构化照明和立体摄影测量在内的光学系统的进步,使得三维表面成像耗时更少,能够生成精确的三维表面图像,有效地处理大量数据格式,并且更容易获取患者信息。近年来,四维技术得到发展,用以研究面部表情的动力学。这些最新技术为通过叠加软组织、面部骨骼以及牙列来构建虚拟患者的新尝试铺平了道路[13]。三维成像技术经过一百年的发展,如今得以在正畸领域中广泛且日常应用。

由两个同步的Rolleiflex 6006 SLX组成,相距50 cm固定在支架上,并以15°的角度相向放置[14]

2 原 理

三维摄影基本技术分为结构光和立体摄影两类,因结构光技术不是本文阐述重点,故不作具体介绍。立体摄影又分为三种不同的模式:主动式、被动式以及混合式[12]。在现代三维立体摄影中,光学传感器从不同角度捕获二维图像,然后将之重建为数字模型。一个物体表面的三维重建最少需要两张二维图像。当两个传感器(S1,S2)的相对位置和方向确定时,图像表面特定点的位置,便被定义为与连接两个焦点(F)的基线的距离(H)。该距离由两幅图像(D1,D2)之间的视差得出,通过扩展运用该原理便可以得到图像表面特定点的3D(x,y,z)坐标。在由以点为单位构成的图像中,物体表面由单个空间位置的非结构化数据集描述,也称为点云。而在基于多边形网格的图像表示中,三维曲面被划分为网格单元,那么曲面便可以被描述为由直线段包围的空间点和面的集合。由此产生的数字模型称为网格。在这种数字模型中,空间点被称为顶点,连接相邻顶点的线段被称为边。三维模型的质量高低取决于构成表面的网格单元的数量和大小。为了能够客观分析图像,数据的标准化非常重要,所以需要进行图像的预处理。预处理方法通常包括分析前网格的一致性识别、修复、清除、重采样和配准。在需要使用的区域中网格应没有伪影。因此,三维网格的评估最好在采集之后立即进行,以便能够及时重新拍摄图像。之后就可以对获得的模型进行优化。根据对象的大小和系统的分辨率,网格由不同数量的顶点组成。通过重新设定网格,每个图像可以用相同数量的顶点表示。对于大多数分析方法,输入的数据需要具有一致的格式[15]。

3 使用方法

三维成像系统是一个模块化的三维图像捕获系统,旨在捕获和处理立体图像。一般来说,系统由两个舱组成,每个舱内包含数台摄像机和闪光灯或者是投影仪[2,16]。

拍摄照片时,要求患者摘取可能干扰拍摄过程的珠宝首饰,将头发别于耳后或佩戴尼龙防护帽,以防遮住耳朵和额头,同时患者处于自然头位,睁开眼睛,轻闭嘴唇,面部表情自然放松[17]。为了使患者处于自然头位和并保持习惯性咬合,可以让患者进行吞咽并使下颌保持在吞咽时的位置,同时用日常的表情看着镜子中的自己。

拍摄完毕后,使用相应的软件程序打开图像,确定拍摄图像达到要求后,导出为“Wavefront Object”文件(.obj文件),以便在相应的图像处理软件上进行进一步测量分析[2]。

数据处理取决于系统的类型、设置和主题,为了客观分析,数据的标准化是至关重要的。因此某些主动测量系统比如Vectra-3D系统需要校准,通常每天进行1次,每次需要2～3 min[18]。

如今随着三维立体摄影测量技术的临床应用增加,市面上三维摄影测量设备多种多样,目前使用的主流设备包括CAM3D、C3D、Axis Three、Canfield Scientifield、CRISALⅨ、DI3D和3dMDFace(表1)。由于三维表面成像系统在技术和工艺上差异很大,因此需要医生根据应用来选择合适的机器[16]。

表1 三维表面成像系统的比较[12]

4 精确度分析

在将三维立体摄影测量技术运用于临床之前,有必要对其系统的准确性及可重复性进行评估。准确性是指测量值与参数的真实值之间的一致性,可重复性是指使用同一技术对同一对象进行多次测量的相似程度[11]。

不同三维立体摄影测量设备系统精确度均在临床可接受范围内。高鹏程等[19]发现,正畸正颌联合治疗可接受1.0 mm左右的面部测量精度误差,基于立体摄影技术的三维照相系统的测量误差在临床可接受范围内,他们基于最短曲面距离对3dMD的测量精度和稳定性进行分析,表明该系统精度较高、稳定性较好,可以较好地满足临床需求。在临床应用中,认为偏差<1.5 mm的面部模型是可接受的[14]。Metzger等[3]证明3dMD对人体模型头部测量的平均整体误差为0.2 mm,头部和相机的位置都不会影响这些参数,且系统的新参考平面也不会影响精度和准确性。Liu等[20]研究认为,Bellus3d的真实性稍差于3dMD,均为临床可接受;3dMD与直接人体测量对比,具有极好的真实性,被认为是立体测量领域的金标准。Zhao等[21]针对面部畸形获得的立体摄影和结构光面部扫描仪的相应3D精度分别为(0.58±0.11)mm和(0.57±0.07)mm,两者之间的精确性差异无统计学意义,两台面部扫描仪的实际精度低于其标称精度,但均满足口腔诊所使用要求。Quinzi等[22]发现固定式立体摄影测量设备的平均精度为0.087～0.860 mm,便携式立体摄影测量扫描仪为0.150～0.849 mm,智能手机为0.460～1.400 mm。立体摄影测量与智能手机扫描技术都能复制准确的数字人脸模型,但是智能手机准确率较低,特别是在测量深度方面,iPadpro2020系统是最不准确的。

不同面部区域的三维照相系统测量误差有统计学意义(P=0.05)[19]。精确性受畸形形态及面部区域的影响,面部畸形越复杂,精确性越低[21],多数情况下测量值偏大。Zhao等研究发现面中部的精度最高[21,23]。高鹏程等[19]推测面部两侧区域测量误差偏大的比例增大,可能与采集光线角度与系统内算法联合作用有关,越靠近面部中间区域的特征线距,其测量值越接近标准值,测量偏差百分比也越小,其原因可能与三维照相系统构架有关。而Plooij等[2]发现识别成对的标志点,如耳(成对的外耳道上缘中点、孔和成对的耳屏)和鼻(成对的鼻翼和成对的鼻翼弯曲)等不太准确。

综上所述,大部分三维立体摄影测量设备具有临床可接受的精确度及可重复性,但二维摄影与三维摄影体系均存在夸大或缩小畸形程度的误差偏倚,因此,在应用二维摄影和三维摄影分析面部畸形时需考虑这些偏倚,以期更客观地进行面容评价[24]。

5 应 用

三维摄影测量技术能精确显示面部三维解剖结构,在正畸治疗的各个过程都有应用。

5.1 生长发育过程中的日常监测

首先,三维立体摄影是最稳定的定量测量儿童颅面形态的方法[4],不仅可以用来发现异于正常的结构,还可以分析随着时间进展而发生的面部变化[25],量化面部结构并检测生长发育过程中面部形态的变化及一些综合征患者面部异常的特征[14,26],从而评估正常或异常生长,来进行矫治适应证的筛选。

5.2 正畸前准备

三维立体摄影可以评估治疗前的软组织状况[4],作为正畸前检查以协助进行病史记录[3]、面部形态评估[27]、正畸的诊断、确定及完善设计方案[28]。对于患者而言,直观的摄影分析也可以让其更容易进行审美维度的需求衡量,同时医生也可以通过三维照片为患者提供干预治疗后的效果模拟演示[29],并且三维立体摄影测量系统还可以作为客观系统来评估不同的面部重塑程序的有效性[30]。谢柳萍等[9]通过定义一个可供计算机参考的面中部参考平面,可以测量唇腭裂患者的面部对称性,从而使得三维立体摄影成为首选的唇腭裂软组织测量方法[17],在唇腭裂序列治疗中发挥着重要作用[31]。

5.3 正畸治疗中和治疗后

在正畸治疗过程中,三维立体摄影测量技术可以监控治疗过程中产生的软组织变化,便于在矫治过程中对方案进行调整[4]。而在阶段性或者全部正畸治疗完成后,可以评估软组织变化,从而进行治疗效果的比较与评价,便于日后总结与改进治疗方案与过程[32]。它可以提供变化的局部分析,突出显示有差异性的结构。如徐陆等[33]通过三维立体摄影比较骨性Ⅲ类错牙合畸形患者双颌手术前后面部各区域软组织的变化特点;蒋健羽等[4]则用3dMD拍摄照片,对正畸患者拆除托槽前后的软组织进行对比,发现唇侧托槽拆除后患者的双侧口角上下唇中点均有统计学意义的内收量;Staderini等[34]开辟了立体摄影测量法的新用途,量化和评估上颌快速扩张后面中部下1/3的即时变化。此外,立体摄影测量也可进行治疗结果的长期评估。

5.4 其他

此外,通过立体摄影还可以求得不同种族人群的平均面容,从而作为研究不同人群间和面部软组织差异的手段之一[35]。同时,随着立体摄影技术的发展,能够简化大数据研究并且更新对之有帮助的深度学习方法[15]。

如前所述,面部软组织、面部骨骼以及牙列是正畸中的三要素,那么将三维立体摄影测量技术与其他技术结合起来就可以将这三要素同时展现以进行全面的诊断和治疗计划。Alshammery等[13]将CBCT和三维面部图像采集相结合,可以形成一个虚拟的三维患者,可以帮助正畸医生评估患者的颅面部骨骼和软组织。Ayoub等[36]为了使不同的数据能够叠加,使用AMIRA软件程序(TGS Europe,Merignac Cedex,France)将CT扫描生成的三维骨组织数据和立体摄影测量处理软件生成的颌面部软组织数据转换为通用的三维文件格式,如.obj、.stl等。Joda等[37]总结了三要素相关系统的不同组合方法,发现只有两个病例报告是将面部软组织、面部骨骼以及牙列这三要素全部合并。由此可以得出结论,这种最复杂的叠加技术仍处于起步阶段。此外,还必须开发有效的精度测试,以便对不同的叠加技术进行比较。从经济的角度来看,还必须考虑到实施这些新的应用程序和设备需要额外的成本。

随着大数据时代的到来,口腔颌面部定点测量数据库化逐渐发展,这可供正畸医生对面部畸形患者的诊断、治疗计划、矫正后的结果评估参考[9]。樊永杰等[28]通过一种使用三维立体摄影测量技术测量面部软组织的新方法,建立了正常蒙古族成人面部软组织的数据库。Delft University of Technology开发了一个三维表面人体测量的开放数据,命名为DINED人体模型。大型开源软件平台,如3DSlicer和ParaView,为研究人员提供了一个共享数据处理、分析和可视化方法的平台[15]。

6 评 价

6.1 优点

三维立体摄影之所以能得到广泛使用,是因为它有优于其他仪器以及系统之处。总的来说,三维立体摄影测量具有以下优点:(1)可以实时评估手术前后骨骼及相关软组织变化的情况[32];(2)减少数据丢失的可能性以及口腔情况记录的椅旁时间,提高建立跨学科交流知识库的可能性[13];(3)提高临床医生的诊断能力[3];(4)避免患者暴露于辐射之中[3];(5)捕获时间快;(6)应用程序简单;(7)数据存储及存档可靠[38];(8)采集速度快,并且在1次拍摄中具有高表面覆盖率,减少了采集对象运动的影响,对于婴幼儿患者友好[38];(9)不需要与采集对象面部直接接触,从而避免了软组织变形的影响;(10)有更好的再现性及精确性[34];(11)生成数字面部模型,可以旋转、平移或放大图像,并可以同时查看多个图像以方便分析[39];(12)开发规范数据集可以大大减少耗时和人力[23];(13)一些软件,如Bellus3d允许患者自己操作某一单元,图像可以存储并发送给医生,无需患者前来就诊,解决了在疫情期间无法面诊的问题[20];(14)三维图像提供简略信息,使得医患沟通变得高效[13]。

6.2 缺点

但三维立体摄影技术也存在一定的局限性:(1)与CT相比,它无法显示扫描物的内部结构,无法分离软硬组织层次[10];(2)大多数专业的立体摄影测量扫描仪比较昂贵,对于私人牙科诊所来说太占用空间,对于家庭操作来说又不够便携[17];(3)由于组织反射,头发和眉毛的干扰,在成像过程中的姿势变化降低了图像的精确性。此外,由于光无法穿透到曲度较大和反射强的表面,因此某些结构(例如眼睛和耳朵)和眼镜等反光的部分无法给出良好的图像[8];(4)某些立体摄影测量相机需要日常校准[27];(5)熟练掌握三维立体摄影测量软件需要一定的时间[29]且对这些图像的处理和定量评估通常会受到操作者主观认知的影响[5];(6)便携式面部扫描系统会产生运动伪影[22];(7)面下部异常因素在拍摄过程中极易受角度偏斜、光影对比、色差变化、光学畸变等因素干扰,精确性受到影响[40];不同数据库内数据存在显著性差异,因此在使用不同测量方法收集数据时,应谨慎。这提示我们在临床使用时,需要根据数据需求,合理选用[17]。

7 展 望

针对现存的问题,三维立体摄影测量技术仍有发展的空间。对于面部成像方面,减少在裂隙以及鼻部区域的相机视野受损,解决常见的因镜面反射造成的问题以及识别不受面部表情影响的可靠标志点都应作为未来技术进步的重点。如前所述,三维图像数据库逐渐发展,但需要代表所有患者人口统计的数据,以建立准确的数据集。未来针对幼儿和多族裔群体的数据资源还需进行多方收集并拓宽获得和使用途径[17]。另外,对于叠加软组织、面部骨骼和牙列来构建虚拟患者方面,未来应注重于完整结合三要素以进行虚拟建模,以提高精度[37]。同时加入三维模型的时间序列,可以建立四维面部成像,不仅对静止图像进行三维捕捉,还要对运动物体进行三维捕捉[22]。这有利于定量测量治疗前后面下部软组织的运动轨迹和运动幅度变化[31]。如今3dMD和DI3D都提供了4D捕获系统[12]。将以上两者结合,便可以通过精心设计的研究来创建实时的4D虚拟患者。

随着计算机技术的发展,三维立体摄影测量系统也可以逐渐朝着自动化方向发展。有希望在未来开发新的机器学习方法,针对具体患者,预测不同治疗的短期和长期效果,并建立颅面部模型和进行比较,同时无偏倚的三维形态分析和自动化映射方法在这一领域中也有其应用前景[38]。因为系统和软件分析很大程度上依赖于操作者,所以必须对成像软件进行功能提升,从临床医生的角度来看,需要一个用户友好、高效和准确的软件,使用户能够在输入图像后,提供自动处理和分析[15],还应完善诊断思维效能(测试三维头影测量是否有助于诊断)和治疗效能(测试三维头影测量是否有助于治疗计划和患者管理)的研究,从而更加有力地证明三维头影测量对正畸治疗计划和患者的益处[41]。最后,在医患沟通交流方面,未来应利用智能手机,将近景摄影测量和面部标志机器学习检测相结合,同时发展便携式摄影设备以及使用个体化定制设备对患者进行治疗[25]。三维立体摄影测量技术与正畸联系紧密,它的发展也将推动着口腔正畸学的新进展。