激光的临床应用 [面部单镜头三维激光扫描的临床应用与操作经验]

　　[摘要]目的：验证颜面部三维激光扫描的临床实用价值。方法：利用VIVID 910单镜头三维激光扫描仪扫描227例受试者的颜面三维影像，采用全室内顶置光源，受试者眶耳平面尽量与地面水平，扫描仪镜头水平抬高10°．使用14mm焦距镜头，于受试者正前方及双侧各80°位置采集数据．获得数据经通用软件拼接、二期处理，统计扫描及数据处理所需的时间及扫描结果质量。结果：227例颜面部扫描惠者中，每例平均取样3.07侧，每例平均扫描时间(5.3±0.7)min，图形一期处理时间平均约3min，二期修整时间平均约12min，影响扫描质量的因素为受试者毛发、连续复杂结构、扫描盲区及姿势表情；采样效果在额、颞、颧、颊、眶下、下颌部位最佳，鼻背、睑裂、口唇部位次之，鼻底、颏底、外耳部位效果最差。结论：单镜头三维激光扫描设备基本满足临床应用的需求，可以作为快速获取表面数字图像的主流选择之一。
　　[关键词]三维激光扫描，临床价值，颜面部，影像评估
　　精确、可靠、客观的影像学记录方法是整复外科手术过程中不可或缺的部分，可被广泛的用于术前评估、手术方法的选择、手术效果的随访评价等等领域。尤其是针对面部修复或美容手术患者来说，三维的影像学资料对于客观评价手术效果更是拥有着无可置疑的重要地位。
　　三维激光表面扫描是20世纪90年代中期以来兴起的新的三维影像记录方法，其具有高精度、非接触、方便快捷、易于保存、易于二期处理等等优点，已经逐步开始进入整复外科的临床实际工作，经过大量研究小组针对石膏模型和扫描结果的精度比较研究，已经充分证明了其精确性和可靠性。然而，临床病例的实体测量与静态的石膏模型依然有着很大的不同，实体测量获取的数据质量以及需要的数据处理时间究竟是否能够满足临床尤其是门诊诊疗的要求呢?本研究小组自2005年四季度起开始尝试应用三维激光表面扫描方法记录、处理面部整复患者的立体影像学数据，并力图检验其临床实用价值，现对期间积累的操作经验与临床应用的优缺点探讨如下：
　　
　　1　研究对象和方法
　　
　　统计受扫描患者227例，男性53例，女性174例，年龄12～47岁，平均年龄27.6岁。其所接受的临床治疗项目包括面部轮廓整形64例、鼻整形29例、颞部凹陷充填5例、上颌或下颌前突矫治17例、面部外伤畸形修复33例、颅缝早闭症11例、面裂(含眶距增宽症)13例、半面不对称畸形(含半面萎缩、半面短小、髁状突增生及肿瘤或其他原因引起的面部不对称)21例、骨纤维异常增生症4例及正常对照组30例。
　　本研究使用日本KONICA MIEOLTA产VIVID910三维激光扫描仪，单镜头，无旋转轨道，数据采集使用随机附赠Polygen Editing Tool s Vet1.20(32例)、Ver 2.21(195例)，二期处理采用INUS产RapidForm 2006软件。数据处理用主机为HP xw6200小型工作站。
　　扫描时采用全室内顶置光源，受试者束发、端坐，自然姿势正视前方，眶耳平面与地面水平，扫描仪镜头水平抬高10°，使用14mol焦距镜头，于受试者正前方及双侧各80°位置采集数据，对数据缺失严重的患者选择适宜角度加以补充扫描，扫描距离800～1200mm，根据患者面部轮廓大小调整，扫描范围为发际至相当于甲状软骨上平面位置，获取的数据利用外眦、内眦、鼻翼、口角、唇峰甚至色素痣、疤痕等面部标志点中选取三点进行初始配准，Polygen Editing Tools优化配准、拼合得到一期扫描结果，之后以RapidEorm 2006作二期处理，填补缺失面，清除噪点，修除质量不佳的面片。
　　统计扫描过程及获取数据的质量，评估三维激光表面扫描方法在头面部活体数据采集过程中的临床实用价值。扫描质量的评价由两位研究员分别作出后取“或”(即有任一位判定即为质量不佳)结果存档。
　　
　　2　结果及操作经验
　　
　　227例颜面部扫描患者中，平均取样3.07侧，平均扫描时间(5.3±0.7)min，其中扫描时间约每侧2s，其余时间主要用于头位调整。图形配准拼合一期处理平均时间约3min，二期修整时间平均约12min。就采样质量来看，影响颜面部活体一期采样质量的因素主要有：
　　
　　2．1　毛发：采样过程中，眉弓、上下睑缘由于有毛发遮挡，会出现较为集中的面片缺损区域。虽然在二期修补的过程中这样的缺损可以被全部修复，但明显会影响到睑缘等精细结构部位解剖边界的清晰程度。而额、颞部亦可能由于刘海或杂乱头发的遮挡出现采样不全的表现。
　　
　　2．2　连续而复杂的转折结构：操作中发现，对于外耳、鼻底鼻小柱等具有复杂的转折结构部位，由于隆起部位的遮挡效应，经常会出现采样缺失的效应。不过，就二期处理结果来看，单纯的遮挡效应并不会对供最终使用的二期的数据质量产生太大的影响。
　　
　　2．3　扫捕盲区：鼻底以及颏底部是我们采用的扫描角度的盲区，也是一期数据质量统计中非常集中的数据缺损区。由于设备本身设计的关系，我们难以在扫描过程中将仪器移至低位扫描这些区域，只能通过二期数据修补弥补这一缺陷。其中，鼻底部位本身形态较为复杂，在数据处理过程中较为集中的出现了解剖边界不清晰的缺点。在后来的数据采集过程中，我们尝试增加采集抬头位的鼻底形态(删除周围其它结构后再行配准)，可以获得较好的数据质量。而颏底部由于抬头过程中颈阔肌和胸锁乳突肌的形态会发生变化，只能依赖于数据处理。好在颏底形态较为简单平滑，数据修补的效果可以被临床所接受。
　　
　　2．4　受试者的姿势变化：由于是单镜头扫描，各个角度的数据采集需要依次进行。在转移机位的过程中如果受试者的姿势发生了变化，最终获取的数据在拼接时就会出现面片熏叠的现象，这一点在平滑的过渡位置尤为多见，例如颏底、鼻背侧面等等。相较于数据缺失而言，面片重叠是更加严重的问题，因为其在修整过程中很容易造成数据形态的明显异常，影响临床使用效果。
　　综上所见，我们发现，单镜头三维激光表面扫描，在额、颞、颧、颊、眶下、下颌部位的采样效果最佳，鼻背、睑裂、口唇部位次之，鼻底、颏底、外耳部位效果最差。
　　
　　3　讨论
　　
　　作为一种具有临床实用价值的颜面部影像数据记录方法，应当具有准确、客观、快速、直观、易于普及掌握等等特点。
　　三维激光表面扫描是20世纪90年代中期以来兴起的新的三维影像记录方法。为了验证其记录数据的有效性，国内外有多位学者利用石膏模型进行了实体与采样数据的测量精度比较，一致认为其采集的数据精确可靠、可重复性高、值得推广应用。然而，静物模型与活体受试者在采样过程中还有着非常大的差距。静物石膏模型不会有毛发影响，可以随意调整其位置角度，可以在单次采 样过程中采用三次连续扫描提高采样的准确性，受扫描物体自身不会具有表情变化，实体测量时不会发生接触形变，这都是选择石膏模型作为准确度检测的主要原因。然而，在临床实际活体采样时，这些却都可能成为影响扫描质量的主要因素。而目前针对活体扫描进行质量评估的报道却相对较少，或者评估范围狭窄，或者病例数较少，或者评估方案不甚完整，对于三维激光扫描技术的临床实用价值缺乏翔实的分析。
　　Kevin Rush在1995年时提出三维激光影像测量中的误差来源主要有4点：运动误差、生物形态改变、激光采样误差、解剖定点误差。
　　10年之后的今天，随着技术的进步，单次采样时间已经从当时的17s减少到了不足2s，除非是针对低龄儿童的扫描，单次采样过程中的运动误差已经可以忽略不计，激光采样误差也已经随着硬件和软件处理技术的发展得到了极大的抑制。然而，疲劳或表情变化等因素造成的颜面部多次采样过程中的姿势变化仍然是制约所获取影像质量的一大关卡。
　　双镜头或多镜头多角度同时扫描可以有效地解决这个问题，但其在成本上的加倍或多倍投入却与临床推广的基本要求有着明思的矛盾。就目前的实际操作成本来看，单镜头扫描在相当一段时间内仍将是临床采用的主要手段，因此，提高操作者的熟练度，加强操作过程中的姿态和位置细节控制，对于获取高质量的三维扫描影像仍将起到至关重要的作用。
　　同样基于以上误差因素的考虑，扫描角度和采样面也并非越多越好。扫描的次数越多，摆放机位和调整姿势需要的时间也就越多，受试者就越容易疲劳，面部表情姿势也就越难控制，反而造成扫描数据的误差，增加拼接难度，增加二期处理的时间，快捷和即时性是激光扫描相较于其它三维影像获取力式的主要优点，如何掌握采样完整性和数据处理快捷性之间的平衡点，是发挥三维激光扫描在临床应用中的优势的一大关键。目前我们的经验看来，三角度的扫描样本结合二期处理已经足够提供临床需要的高质量影像，对于需进行鼻部测量的受试者，可以增加鼻底的采样。这样一来，所需总的采样加上数据处理时间可以控制在20min左右，结合其所能够提供的三维数据质量，已经基本可以满足临床的应用需求。
　　然而，对于三维影像数据来说，目前依然有着许多的基本问题未能得到解决，主要集中在测量定位的可重复性。传统的面部软组织标志点主要是基于人类学测量所提出的，很多是需要依靠触摸才能确定的，这在扫描的影像数据上并不能得到，同时扫描数据也不具备CT数据那样的骨组织提示位置，而三维数据的定点又需要经过复杂的体一面一线 点的过程，传统头影测量的描述方法并不适合三维数据的应用。因此，如何在单纯的扫描数据上依靠解剖结构和几何形态确定客观的软组织测量比较体系，始终还是一个未能解决的难题。在这一问题获得完美的解决之前，三维影像依然不可能取代二维数码摄影在整复外科尤其是门诊诊疗领域的地位，而应当作为一种优秀的辅助采样手段在三维影像的处理领域发挥自身的作用。
　　现有的单镜头三维激光扫描设备所能够获取的活体颜面部影像质量以及所需的采样与处理时间已经可以基本满足临床应用的需求，其中，对于额、颞、颧、颊、眶下、下颌部位的采样重建效果最佳，鼻背、睑裂、口唇部位次之，鼻底、颏底、外耳部位效果最差，需要在临床采样及评估过程中加以必要的调整。总体而言，三维激光扫描已经可以作为临床尤其是门诊诊疗快速获取患者三维表面容貌形态的有效手段之一。