有关胎儿后颅窝池的科学研究【颅面形态三维自动测量精度的比较研究】

　　[摘要]目的:研发基于激光扫描的颅面三维形态自动测量系统,分析该测量系统的精度。方法:采用激光扫描获取颅面部软组织三维信息,研发颅面形态三维可视化自动测量软件系统。通过对30名志愿者的颅面部直接测量和激光扫描自动测量的对比研究,分析三维自动测量系统的精确度。结果:本系统能对面部软组织进行52个标志点的定位,129个项目的三维自动测量;本系统与直接测量的比较研究表明基于激光扫描的颅面三维测量精度较高,在60项线距测量中,差值小于1mm的项占 50%;在17项弧长测量中,差值小于2mm的项占35.3%。结论:本颅面形态三维自动测量系统测量项目全面,测量精度较高,在颅面形态的三维研究及颅面畸形的三维诊断和治疗方面有广泛的应用前景。
　　[关键词]颅面形态;三维测量;激光扫描
　　[中图分类号]R783 [文献标识码]A [文章编号]1008-6455(2010)03-0404-04
　　
　　A study on the reliability of three-dimensional craniofacial measuring system
　　SONG Jian-wei1,HOU Yu-xia1,ZHANG Yan-ning2,SHI Jian-yu2,ZHAI Pei-fang2,LI Jiang-bo1,ZHOU Hong1
　　(1.Department of Orthodontics,Stomatological Hospital,Xi"an Jiaotong University,Xi"an 710004,Shaanxi,China; 2.School of Computer Science,Northwestern Polytechnical University)
　　
　　Abstract:ObjectiveThe study aimed to develop the three-dimensional auto measuring system of craniofacial soft tissue, and to analyze the reliability of the system.MethodsThe measuring software of craniofacial soft tissue was developed based on the laser scanner. 30 volunteers were selected to study the reliability of the system, which were analyses by comparing with the direct measurement.Results52 landmarks, 129 measurement items of craniofacial soft tissue can be done in this system. Compared with the direct measurement,the system has a better reliability. The different less than 1mm accounted to 50 percent in line measurement,and less than 2mm accounted to 35.3 percent. ConclusionThe characters of the 3D auto measuring system included: measuring item was full,the visualization was better, measuring precision was accurate relatively. The system was a useful, precise and rapid way to research the craniofacial soft tissue morphometry, especially for the large sample craniofacial soft tissue morphometry.
　　Key words:craniofacial mophometry;three-dimensional measurement;laser scanner
　　
　　颅面形态三维重建和测量在口腔正畸学、正颌外科、法医学、人类学及美学等领域有重要的意义。在20世纪80年代,激光扫描首次被应用于面部软组织三维测量[1]。激光三维扫描具有非介入性、被测物体无形变、测量重复性好、测量精度最高的特点,是目前获取面部软组织数据最先进的技术。本研究基于三维激光扫描建立精确、高效的面部软组织三维重建和自动测量系统。
　　
　　1材料和方法
　　1.1计算机软硬件支持:计算机:CPU Celeron3.2,内存 512M,硬盘 160G,显卡 Geforce 7300GS,操作系统 Windows XP 三维激光扫描仪:Minolta VIVID910三维激光扫描仪(日本美能达公司)。开发环境:Microsoft Visual C++,VTK可视化类库。
　　1.2颅面部标志点和测量项目:参照Farkas颅面部表面直接测量法[2],选取面部标志点52个,正中矢状面12个点,左右对称的点有20对(如图1～2);129项测量项目,包括60项线距、17项弧长、4项角度和48项比例指数;其中绝对值测量项目头面部24项,眶部23项,鼻部12项,口唇部18项;比例指数包括水平向17项,垂直向20项,水平与垂直相比11项。
　　1.3测量系统的建立
　　1.3.1采集面部图像:受试者自然姿势位,眶耳平面与地面平行,睁眼,面部放松,双眼平视前方;分别进行正面、左45°、右45°位面部激光扫描;用RapidForm2004软件对获得的面部正侧位图像进行拼接、匹配、整合为完整的三维人面图像,处理后保存为vrnl 2.0格式。
　　1.3.2三维自动可视化测量软件:采用Visual C++编写软件,OpenGL图形平台,自主研发颅面部软组织三维自动测量软件,使用vrml格式数据,实现面部图像的显示和三维测量功能,全部操作过程采用人机对话和菜单选择方式完成。按顺序进行52个定点,选择全面测量可以进行129项自动测量,测量结果直接输出文档,结果数据可复制到Excel表格进行处理。
　　1.3.3三维自动测量精度:选择西安地区正常面型青年志愿者30例(男12例,女18例),年龄18～25岁;软组织直面型,左右对称,面部形态正常,无正颌、正畸及外伤史;2°≤ANB≤4°。对每位研究对象进行面部激光扫描自动测量和Farkas面部软组织直接测量。测量结果采用SPSS12.0处理,每个测量项目进行配对t检验,分析自动测量系统的测量精度。
　　2结果
　　2.1颅面软组织三维自动测量系统:本系统实现激光扫描重建三维图像的重现,可以将人面图像显示为三角片模式、散点模式以及充填模式,操作常采用充填模式(如图3);并可对图像任意缩放、旋转、移动,便于精确定点(如图4～6)。实现面部软组织三维测量,包括52个标志点,129项测量项目,测量结束时直接输出结果文档。
　　2.2三维自动测量精度的比较研究
　　2.2.1正常面型颅面软组织77项绝对值测量中,有统计学意义的占25项,包括16项线距,9项弧长;且主要为涉及下颌角点(gonion go)、耳屏上界切迹点(tragion t)的项目。角度测量均与直接测量法无显著差异(见表1)。
　　2.2.2正常面型颅面软组织48项比例指数差值中,有统计学意义的项目有14项,水平比例指数8项,垂直比例指数4项,水平与垂直比例指数2项,主要涉及t点、go点绝对值测量值与直接测量法有显著差异项的比例指数,以及与弧长有关的比例指数项(见表2)。
　　2.2.3测量结果差值分布表,在60项线距测量项目中,测量差值小于1mm的有30项(占50%),小于2mm的有41项(占68.3%);在17项弧长测量中,差值小于2mm的有6项,占35.3%(见表3)。
　　
　　3讨论
　　3.1自动测量:本系统通过激光扫描获取面部软组织三维信息重构面部三维模型,实现面部52个标志点的129项测量项目的自动测量,测量省时省力,适于大样本研究面部软组织三维形态。任意定点后也可以选择即时测量进行任意两或三点间线距、角度、弧长的测量,所有测量结果均自动生成数据文档,利于后期数据统计分析。
　　3.2测量项目全面:本课题组前期的研究初步实现面部软组织激光扫描三维重建及43个标志点的56项点距测量[3]。本系统是前期软件的优化,具有测量项目较多较全的特点,包括52个标志点和129项测量。Aung[4]等人的激光三维测量系统包括41个标志点83个测量项目,其中表面测量17项。许天民等人[5]开发激光测量系统可进行13个定点,3项线距,2个角度测量。白玉兴[6-7]等人利用数字化面部软组织三维重建和测量系统可进行14项角度、13项线距、5项比率测量。另外,面部的平衡和协调,并不仅在于测量的角度、线距的绝对值,而是由于相互之间的比例关系所引起的,面部的比例更为重要[2]。本系统的测量项目包括比例指数48项,其中水平比例17项,垂直比例20项,水平与垂直比例11项。对于面部比例指数的测量,可以对面部形态进行更全面的测量分析研究。
　　3.3可视化效果好:本测量系统可视化效果较好,测量时可以对人面模型进行任意方向的旋转,利于精确定点,如颏下点(gnathion gn)定点时可以将人面向上向后旋转成仰视暴露颏下方而准确定gn点;可以对图像进行任意放大和缩小,对于标志点比较密集的部位,可以对模型进行放大以保证视图清晰、定点准确。定点数字提示顺序,出现错误可及时纠正;所有操作采用菜单提示,人机交互使用,用户使用方便。
　　3.4测量精度较高:激光三维扫描测量具有精度高,可重复性好的特点,Kau[8]的研究表明,首次面部的三维激光扫描与3s后扫描的形态差值为0.3mm,与3天后扫描的差值为0.4mm。Lynnerup[9]对激光扫描精度的研究表明,干头颅的5个激光扫描测量项目与手工直接测量的差值均在1mm左右。Aung等[4]研发的激光扫描系统能以0.5mm的精度重建面部软组织图像,并进行41个标志点,83个项目的三维测量,30名志愿者的激光扫描测量和直接测量比较表明,有12项差值小于1.0mm(14.0%),16项差值小于1.5mm(19.0%)。Kovacs[10]等人在严格控制扫描条件下,发现有50%的线距测量项误差小于2mm。本研究通过对30位志愿者激光三维测量和直接测量的对比表明,在60项线距测量中,差值小于1mm的有30项(占50%),小于2mm的有41项(占68.3%)。与国外学者Aung 和Kovacs研究相比,本系统具有更高的精确性。人体测量手册要求人体测量误差不超过2～3mm,本系统的三维测量精度,基本达到临床要求。
　　本研究结果中仍有19项点距差值大于2mm(占31.7%),17项弧长测量项目中差值小于2mm的仅有6项(占35.3%)。弧长的测量误差与测量算法有关,有待在今后研究中进一步优化。点距误差的产生与go、t点定点困难有关,go点需要触摸方可在面部准确定点,在直接测量时能准确定位,而激光三维图像只能通过视图估计,因此定点误差较大;在激光扫描三维重建图像中,耳屏前区因头发阻挡影响该处的重建可能会影响t点定点以及其相关项目的测量。今后的研究中可以进行go点扫描前贴反光材料和带头帽等处理降低定点误差。
　　
　　[参考文献]
　　[1]Moss JP,Linney AD,Grindrod SR,et al.Three-dimensional visualization of the face and skull using computerized tomography and laser scanning techniques[J].Eur J Orthod,1987,9(1):247-253.
　　[2]Farkas LG,Munro IR.Anthropometrc facial proportions in medicine[C].Springfield,Iillinois Charles C Thomas Publisher,1987:278-310.
　　[3]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.
　　[4]Aung SC, Ngim R C K, Lee S T. Evalution of the laser as a surface measuring tool and its accuracy compared with direct facial anthropometric measurements[J].British Journal of Plastic Surgery,1995,4(8):551-558.
　　[5]刘 林,许天民,张 益,等.激光扫描在面部畸形三维重建及测量中的初步应用[J].口腔医学,2005,12(6):345-347.
　　[6]白玉兴,郭宏铭,刘凤德,等.面部软组织三维重建及测量系统的研制与应用[J].中华口腔医学杂志,2001,36(4):298-300.
　　 [7]郭宏铭,白玉兴,周立新,等.面部软组织不对称性的三维测量研究[J].口腔正畸学,2004,1(1):32-34.
　　[8]Kau C,Richmond S, Zhurov A, et al.Reliability of measuring facial morphology with a 3-dimensional laser scanning system[J].American J OrthodDentofacOrthop, 2005,128(4):424-430.
　　[9]Niels Lynnerup,Maja-Lisa Clausen,Agnethe May Kristoffersen,et al.Facial recognition and laser surface scan: a pilot study[J].Forensic Science,Medicine,and Pathology,2009,5(3):167-173.
　　[10]L.Kovacs,A.Zimmenrmann,G.Brockmann,et al.Three-dimensional recording of the human face with a 3D laser scanner[J].J Plast,ReconstrAesthSurg, 2006,59(11):1193-1202.
　　
　　[收稿日期]2009-12-02 [修回日期]2010-02-20
　　编辑/何志斌