面部软组织变化规律的激光三维扫描研究:面部软组织挫伤

　　国内外的口腔正畸、正颌外科以及整形外科学者一直关注面部软组织形态的三维测量技术研究[1]，包括上世纪七八十年代出现的三维头影测量(3D Cephalometry)、直接测量法(Direct measurement)、莫尔云纹(Moire Techniques)和常规CT扫描(Conventional CT scans)，但因操作费时、软组织显示不佳、精确度差、有射线和伪影等阻碍了研究的发展；继而立体摄影测量(Stereo-photogrammetry)、激光扫描(Laser scanning)、形态分析法(Morphanalysis)等三维测量技术随着计算机与电子技术的进步迅速发展。其中，三维扫描激光能快速准确地数字化记录面部软组织外形，无创并且操作简单，已成为学者们对三维测量技术的研究热点 [2-6]。
　　
　　1激光三维扫描测量方法的建立
　　1.1 基本原理：激光三维扫描是一种非接触式的三维测量技术，以激光三角法为理论基础，由激光投射器将结构光投射到物体上，受其表面曲度或深度的调制产生特征性光条纹，利用电荷耦合器图像传感器(Charge-coupled Device,CCD)摄像机摄取数字图像，根据激光束的发射角度和特征性光条纹在CCD内成像位置参数、空间方向，通过三角法测量原理计算标志点的距离以及位置坐标，获得被测物体表面的三维轮廓信息。
　　1.2 扫描方法及三维图像的获取：相同环境下将激光扫描仪放置于平坦地面上，选择特定镜头角度和焦距。扫描时采用自然头位(Natural head position, NHP)并予以固定，面部软组织保持放松状态，下颌处于息止牙合位。在计算机软件的辅助下相互拼接生成三维图像，作标志点间的测量，用等高彩色分布图直观地反映重叠图像的变化（见图1）。
　　1.3 扫描的头姿势位：学者们认为同一对象在自然头位下任何时间的头影测量数据都具有可比性[3,6-14]。早在19世纪50年代，Downs[12]首先将自然头位的概念引入了正畸界。有研究证实青少年NHP重复性误差仅为2°，3～6个月后变化为2.34°，而5年后稳定性平均达到3.04°[13-14]，2008年，David [15]再次证实NHP在各个颅面参考平面中是相对稳定的。近5年文献报道中Hajeer、Kau CH、Baik和Alves等[3,5-11]多位学者同样采用自然头位，进行激光三维扫描记录和测量面部软组织的研究。
　　
　　2精确度与可重复性的研究
　　激光扫描是非接触式测量技术的一个新领域，其对面部软组织评价的精确度已接近于接触式测量。龙丽华等[17]选取28名正常牙合与直接测量法进行比较，56项点距测量中仅1项存在统计学差异。早期Budi和Carla[18]报道Minolta激光扫描仪精确度平均达（1.9±0.8）mm。1996年，Bush和Antonyshyn[19]利用石膏头模证实三维精确度达0.6mm以上，面部各个标志点可靠。2007年，俞哲元等[20]测量227例图像发现额、颞、颧、颊、眶下、下颌部位精确度最佳，鼻底、颏底、外耳等外形转折或者处于倒凹区较差。2009年，Toma等[10]研究30例图像，测量21个标志点在x-y-z轴上的63个坐标值，发现10个标志点精确度达到1mm以上，总变化范围0.39～1.49mm。2010年，Hyoung-Seon和Soo-Yeon[5]证实10例图像正中矢状面的测量与二维软组织测量没有显著性差异。
　　临床上,面部的激光扫描受到患者的头位、本身轮廓外形、面部肌张力、颌位、眼睛运动和呼吸运动等影响。2004年，Hajeer、Ayoub和Millett[7]根据镜面原理测量面部19个标志点的不对称性，发现了双颌手术鼻尖和颏部最凸点可重复性好。Toma等[10]发现上唇红缘最上点可重复性最好，睑缘最上点最差，边界线比平坦斜面上的标志点好，它强调了标志点特征性、定义的准确性与重复性密切相关。
　　
　　3临床应用范围
　　20世纪90年代，激光三维扫描技术开始应用于面部软组织的形态学研究，包括生长发育[21-22]、正常人群颅面三维数据测量[11]、颅颌面部手术和非手术治疗临床疗效评估等。正颌手术前后面部软组织的变化规律是治疗效果的直观反映，直接影响疗效评价的成败，而术者对于硬组织的评价和把握往往优于其表面所覆盖的软组织。分析原因主要是与软组织和骨面及牙列的贴合程度，硬组织的外形，软组织本身的形态、弹性、厚度及肌肉的附着有关[3,5-7,24-25]。对于术后代偿性的软组织改建恢复稳定所需时间尚未明确，目前多数研究选择术后6个月的时间点进行比较[5-9,16,24-25]。
　　3.1 评价鼻部及面中部的变化
　　3.1.1 矢状向变化：2004年，Hajeer、Ayoub和Millett[7]研究44例骨性III类或II类病例术前、术后1个月、术后3个月和术后6个月的扫描图像，发现上颌骨旋转前移或者上抬可能导致鼻尖点的偏斜，鼻底的增宽，他认为是由于Le Fort-I截骨线在鼻底，上颌前移时鼻中隔的弯曲和提口角肌、鼻部肌肉的牵拉引起的。2008年，Emeka 等[25]研究了20例颧-面中部发育不足病例，单上颌前移后软硬组织变化。结合头颅定位侧位片测量硬组织移动幅度，还特别提出软组织旁矢状面的评估。正中矢状面上软硬组织改变比例为80%±94%，旁矢状面上达到95%左右，所以认为Lefort-I 前移能很好改善颧-面中部的发育不足。2010年，Hyoung-Seon和Soo-Yeon[5] 将20例III类错牙合、20例双颌手术（上颌前移1.0～3.0mm，下颌平均后退8.3mm或8.5mm），根据是否颏成形均分为两组，证实两组软硬组织水平向的变化比例没有显著性差异，鼻旁区比鼻下区变化明显，鼻翼下方比口角上方变化明显；鼻翼向前向两侧移动，鼻部增宽2mm，鼻部的横向突度增大。
　　3.1.2 垂直向变化：2010年，Minji等[6]测量35例单下颌后退病例，分析软组织变化与下颌后退量、垂直向颌骨生长型、是否颏成形上抬的相关性。结果显示高角面型组（SN-GoGn≥35°）鼻旁区、颊中部、颊下部突度的增加大于均角面型组（SN-GoGn＜35°）。学者认为原因是面中部软组织随着下颌骨、下唇和颏部向后的移动，出现向后下方代偿性的松弛。
　　3.2 评价唇颊部及颏部的变化：对于单颌手术的病例，1999年，Nobuo 等[16]研究12例BSSRO后退病例的口周软组织变化，采用鼻底标志点重叠图像计算软组织变化的体积，证实上唇区软组织出现代偿性松弛，后退比例是下唇区的九分之一。2010年，Minji等[6]同样认为大幅度下颌后退病例（＞7mm）上唇向后下移动、长度增加，在高角面型组中更明显，是因为术前上唇部软组织较松弛，术后下切牙对上唇的挤压引起的；口裂点和下唇下移，口裂宽度减小，下唇突度减小，其他线距和角度不同颌骨生长型组间没有差异。对于双颌手术的病例，2004年，Murat 和Mohammad[24]分析46例骨性III类病例（其中下颌平均后退2.86mm），测量鼻唇部、口角区、颏部10个区域和11个侧貌标志点的改变方向及其比例，结果显示鼻下-上唇区前移80%、上唇红区70%、口角上方区45%；术后鼻唇角增大且接近直角。2010年,Hyoung-Seon和Soo-Yeon [5]研究发现20例上颌前移1.0～3.0mm，下颌平均后退8.3mm或8.5mm,病例唇上点向上移动，口角向后下移动，唇上点至口角距离增宽1.47～2.24mm，口裂和人中不增宽，唇部的横向突度增大。
　　颏成形方式与下唇及颏部软组织变化密切相关。Hyoung-Seon 和Soo-Yeon [5]证实颏成形前移组颏部和颏唇沟区域比口角下方变化明显，颏部的后退量减少。2010年,Minji等[6]指出颏成形（平均上抬4.5mm、前移0.58mm）会引起颏唇沟的加深量减小。不接受颏成形病例组，Murat和Alves等[3,24]均认为软组织颏前点后退幅度几乎达到100%，较好地反映了颏部肌肉、口轮匝肌和硬组织下颌手术后的变化。Murat和Mohammad[24]发现90%骨性III类双颌手术病例的颏唇沟有加深，其分析原因是受上下唇自然封闭、口轮匝肌附着位置的影响。不同手术方式具有相同的特征性改变。2009年，Alves等[3]、2010年，Hyoung-Seon 和Soo-Yeon 、Minji等[5-6]以等高彩色分布图直观地显示不同图像重叠后从正中向两侧呈贝壳状三维改变，变化幅度对称地逐渐减小。
　　3.3 评价面部垂直比例变化的应用：骨性III类牙合平面的逆时针旋转和下颌沿上颌牙合平面的后退都会引起面下高度的减小。然而，2004年，Murat和Mohammad[24]认为三维激光扫描对下颌自动旋转量和垂直向变化量软组织评价能力较差，而且小幅度的Lefort-I截骨术上颌上抬对软组织影响也不存在统计学差异。2010年，Hyoung-Seon和Soo-Yeon [5]同样提出了该测量技术对于面部垂直向评价的不准确性。
　　3.4 评价偏颌畸形变化的应用：1999年，Nobuo等[16]证实了12例BSSRO下颌后退病例中，上唇区不对称改变主要是覆盖小、下颌后退幅度小研究组；下唇区与面部不对称性、牙列的移动密切相关。2004年，Hajeer、Ayoub和Millett[7]根据镜面原理测量面部19个标志点的不对称性，证实正颌手术能明显减小面部不对称性指数，随访6个月后数据无显著性变化。2009年，Toma 等[10]发现严重偏突颌畸形病例在手术周围的颧弓区，患侧和健侧软组织呈相反方向的代偿性移动。这些结论均说明了三维激光扫描可有效地研究偏颌畸形面部软组织的改变。不同的是，2008年，Emeka等[25]发现部分上颌手术摆正倾斜牙合平面的病例中，不出现两侧颧-面中部软组织明显变化，变化量大于5cm3时仍然没有显著差异。
　　3.5 正颌术后肿胀的消退：Kau 、Cronin等[8-9]研究12例骨性错牙合畸形6个时期的面部扫描图像：术前、术后第1天、术后1周、术后1个月、术后3个月和术后6个月，以术后6个月为参照，等高彩色云纹图显示结论：术后第1天双颌手术平均消退1.63mm，单颌手术平均为1.30mm；术后6个月减小到0.50mm和0.64mm，证实双颌手术比单颌手术面部软组织肿胀消退更快；不管什么手术方式术后1天肿胀最明显，术后1个月肿胀减少60%以上，术后3个月恢复接近83%。至今还没有更长期随访的相关文献报道。
　　综上所述，激光扫描技术是一种直观、无创、快速的三维测量方法，可数字化地记录面部软组织外形，准确评价正颌手术前后软组织的三维变化。实现其与硬组织数字化结合而建立强大的测量分析系统是现今三维测量技术的热点。
　　
　　[参考文献]
　　[1]Carlo PH,Wayne FL.Update in three-dimensional imaging in facial plastic surgery[J].Curr Opin Otolaryngol Head Neck Surg,2004,12:327-331.
　　[2]Moss JP.The use of three-dimensional imaging in orthodontics[J].Eur JOrthod,2006,28:416-425.
　　[3]Patri"cia Vale"ria Milanezi Alves,Lin ping ZHAO,Pravin KP,et al.Three-dimensional facial surface analysis of patients with skeletal malocclusion [J].J Craniofac Surg,2009,20:290-296.
　　[4]Bianchi SD,Spada MC,Bianchi L,et al.Evaluation of scanning parameters for a surface colour laser scanner [J].International Congress Series,2004,1268:1162-1167.
　　[5]Hyoung-Seon Baik,Soo-Yeon Kim.Facial soft-tissue changes in skeletal Class III orthognathic surgery patients analyzed with 3-dimensional laser scanning [J].Am J Orthod DentofacOrthop,2010,138:167-178.
　　[6]Minji Kim,Dong-Yul Lee.Three-dimensional evaluation of soft tissue changes after mandibular setback surgery in class III malocclusion patients according to extent of mandibular setback, vertical skeletal pattern, and genioplasty [J].Oral Surg Oral Med Oral Pathol Oral Radiol Endod,2010,109:20-32.
　　[7]Hajeer MY,Ayoub AF,Millett DT.Three-dimensional assessment of facial soft-tissue asymmetry before and after orthognathic surgery[J].Bri J Oral Maxillofac Surgery,2004,42:396-404.
　　[8]Kau CH,Cronin AJ,Durning P,et al.A new method for the 3D measurement of postoperative swelling following orthognathic surgery [J].Orthod CraniofacRes,2006,9:31-37.
　　[9]Kau CH,Cronin AJ,Richmond S.A three-dimensional evaluation of postoperative swelling following orthognathic surgery at 6 months [J].Plast Reconstr Surg,2007,119:2192-2199.
　　[10]Toma AM,Zhurov A,Playle R,et al.Reproducibility of facial soft tissue landmarks on 3D laser-scanned facial images [J].Orthod Craniofac Res,2009,12:33-42.
　　[11]Hyoung-Seon Baik,Jai-Min Jeon,Hwa-Jin Lee.Facial soft-tissue analysis of Korean adults with normal occlusion using a 3-dimensional laser scanner[J].Am J Orthod DentofacOrthop,2007,131:759-66.
　　[12]Downs WB.Analysis of the dentofacial profile[J].Angle Orthodontist,1956,26:191-212.
　　[13]Michael SC.Five-year reproducibility of natural head posture: A longitudinal study[J].Am J Orthod DentofacOrthop,1990,97:489-94.
　　[14]Fredrik L,Anders L.Natural head position as a basis for cephalometric analysis[J]. Am J Orthod Dentofac Orthop,1992,101:244-47.
　　[15]David PM,Wayne J,Grant CT.Craniofacial reference plane variation and natural head position [J].Eur J Orthod,2008,30:532-540.
　　[16]Nobuo M,Sadami T,Hideki O,et al.Morphologic changes in the perioral softtissues in patients with mandibular hyperplasia using a laser systemfor three-dimensional surface measurement[J].Int J Oral Maxillofac Surg,1999,28:15-20.
　　[17]龙丽华，周 洪，潘俊君,等.面部软组织激光扫描三维自动测量系统的初步研究[J].中国美容医学,2008,17(5):701-704.
　　[18]Budi K,Carla AE.Reliability of a 3D surface laser scanner for orthodontic applications [J].Am J Orthod Dentofac Orthop,2002,4(10):342-348.
　　[19]Bush Kevin,Antonyshyn Oleh.Three-dimensional facial anthropometry using a laser surface scanner validation of the technique[J].Plast Reconstr Surg,1996,98(2):226-235.
　　[20]俞哲元，穆雄铮，赵嘉琦,等.面部单镜头三维激光扫描的临床应用与操作经验[J].中国美容医学,2007,16(8):1107-1111.
　　[21]Nute SJ,Moss JP.Three-dimensional facial growth studied by optical surface scanning[J].J Orthod,2000,27:31-38.
　　[22]Hennessy RJ,Moss JP.Facial growth seperating shape from size[J].EurJOrthod,2001,23:275-285.
　　[23]俞哲元，穆雄铮，戴传昌,等.三维激光扫描量化评估面部不对称畸形的初步研究[J].组织工程与重建外科杂志,2007,3(5):257-259.
　　[24]Murat S,Mohammad AB. Evaluation of facial soft tissue changes with optical surface scan after surgical correction of Class III deformities[J].J Oral Maxillofac Surg,2004,62:1331-1340.
　　[25]Emeka N,Eleftherios V,Manuel K,et al.Three-dimensional analysis of changes of the malar-midfacial region after LeFort I osteotomy and maxillary advancement[J].Oral Maxillofac Surg,2008,12:5-12.
　　
　　[收稿日期]2010-11-29 [修回日期]2010-01-30
　　编辑/李阳利