[面部软组织激光扫描三维自动测量系统的初步研究]面部软组织挫伤

　　[摘要]目的：建立能够准确、快速获得面部软组织三维信息的测量分析系统。 方法：本研究选取28名个别正常牙合者，分别用激光扫描三维自动测量系统和直接测量法进行测量，将两种方法测得的数据进行比较。结果：①在56项点距测量项目中，差值绝对值小于1mm的有26项，1～2mm的14项，2～3mm的9项，大于3mm的7项。②鼻部和口唇部点距差值比较小，全部小于2mm，其中鼻部10项中有8项差值小于1mm，口唇部10项中有7项小于1mm。③配对t检验：56项测量项目中两种方法有统计学差异的有12项。其中，鼻部只有1项测量项目有统计学差异，而口唇部的所有项目都不能认为两种测量方法有统计学差异。结论:激光三维扫描仪获取图像来进行面部软组织三维测量是一种良好可行的方法。
　　[关键词]面部软组织；激光三维扫描；三维测量
　　[中图分类号]R783.5 [文献标识码]A [文章编号]1008-6455（2008）05-04
　　
　　Primary study of three-dimensional and automatic facial measuring system based on laser scanning
　　LONG Li-hua1，ZHOU Hong2，PAN Jun-jun3，ZHANG Yan-ning3
　　（1.Department of Stomatology,Tongji Hospital of Tongji University,Xi"an 710004,Shaanxi,China; 2.Department of Orthodontics,Stomatological Hospital of Xi"an Jiaotong University; 3.School of Computer Science,Northwestern Polytechnical University)
　　
　　Abstract：ObjectiveTo develop a 3D facial automatically measuring system applied to rapid and comprehensive 3D surface measurement of face. Methods A sample of 28 subjects with individual normal occlusion was selected. The subjects were measured using Farkas" direct anthropometric method and their facial images were captured by 3D surface laser scanner Then, compared and analyzed the data from two means.Results①In the 56 projective measurements, the differences of 26 items were less than 1mm, the differences of 14 items were between 1mm and 2mm, the differences of 9 items were between 2mm and 3mm,and the differences of 7 items were more than 3mm.②Measurements around the circumoral and nasal regions showed less different. The differences were all less than 2mm. And 8 of 10 items in nasal area and 7 of 10 items around the circumoral region less than 1mm.③paired t-test :12 of 56 items showed statistically significant. Measurements around the nasal regions had only 1 items was statistically significant, and all circumoral items showed no statistical significance.Conclusion3D laser scanning is a sufficiently precise and repeatable surface 3D acquisition method.
　　Key words:facial soft tissue;three-dimensional laser surface scanning;three-dimensional measurement
　　
　　对面部软组织进行标准、系统、快速、准确的三维测量是正畸、正颌外科以及整形美容外科医师客观真实评价面部形态的前提与基础。多年来国内外学者一直关注着面部形态的测量研究。二十世纪80年代，Lesilie G.Farkas[1]建立了标准的、系统化的颅面部表面直接测量法，较客观、全面、系统的反映颅面部表面形态。但是直接测量法需要耗费大量的时间，在临床应用及大样本调查研究时有其局限性。90年代，计算机、电子学、光电技术的发展推动了三维测量技术的迅猛发展。寻求一种简便易行、对人体无伤害而又能精确反映面部软组织形态并使之可视化的方法成为学者们研究的热点。激光三维扫描测量技术目前被认为是最先进的软组织测量技术。
　　
　　1材料和方法
　　
　　1.1面部软组织激光扫描三维自动测量系统的工作流程：使用Minolta VIVID910三维扫描仪（美能达公司，日本）对测量对象进行扫描，分别获得正面、左侧面45°、右侧面45°3幅图像。应用RapidForm2004软件（INUS Technology Incorporation 提供）对扫描获得的3幅图像分别进行坏点去除等前期处理后，经过人工的特征点匹配拼接合成整体图像。将该图像导入自行编写的三维可视化测量软件，按规定顺序输入43个标志点后，系统自动生成并输出56项点距项目（含头面部、眶部、鼻部、口唇部）的结果文件。
　　1.2面部测量标志点的选取：基于farkas直接测量法，并根据扫描获得人颅面图像的范围和特征，尽可能全面地选择测量点。但是激光扫描图像难以获取的某些点给予排除，如tr点（发际点）。测量点共计43个，其中面部正中矢状面上的单一点11个，左右对应的点16对。
　　1.3样本数据采集：选取28例个别正常牙合者（男16例,女12例）,年龄21～28岁，平均24.1岁。对每个测量对象分别用激光扫描三维自动测量系统和直接测量法各测量3次,分别取3次测量结果之均值。所有定点和测量工作均由同一人完成，对同一测量对象的面部扫描和直接测量同日进行。将两种方法测得的数据进行比较看其差值大小，并用SPSS10.0软件进行配对t检验进行统计学分析。
　　
　　2结果
　　
　　2.1本研究利用三维激光扫描仪获取面部正侧位图像并将其拼接合成，生动逼真地再现了扫描对象的面部软组织形态；自行开发的可视化测量软件性能稳定，使用方便。(如图1～2)
　　
　　2.2设计Excel表格，将所有测量对象三维扫描测量法获得的3次数据和直接测量法获取的3次数据录入表格，经过SPSS10.0统计软件处理。
　　2.2.1分别计算出每个测量项目三维扫描法和直接测量法的3次测量结果平均值，以及两种方法的差值的均值和标准差，进行比较。①如表1～4所示相同项目由三维扫描测量法的结果减去直接测量法的结果得到的差值有正有负，而不是全是正或负的趋势，某种程度上可以说明扫描获得的图像没有明显的放大或缩小现象。②如表5所示，在56项点距测量中，差值绝对值小于1mm的有26项，1～1.5mm的8项，1.5～2mm的6项，2～3mm的9项，大于3mm的7项。人体测量手册要求误差不超过2～3mm[2]。可以看到本系统的点距测量项目中只有7项的结果与直接测量法相比的误差大于3mm。点距中差值超过3mm的几项分别是头面部的5项：ft-ft（前额宽），t-t（颅骨基底宽），go-go（下颌宽），gn－go(L,R)（下颌深)；眶部的2项：ex-go(L，R)（颊高）；可以看到构成这些项目的点有ft（前额点），go（下颌角点），gn（颏下点）与t（耳屏上届切迹点）。ft和go点需要触摸方可在面部准确定点。gn点处于面下部的转折部位，与颈部的反差较小，在直接测量时依靠扪诊来确定，而在电脑屏幕的正面图像中定点难以把握，且此点受扫描时头位的影响较大。③如表5所示鼻部和口唇部点距差值比较小，全部小于2mm，其中鼻部10项中有8项差值小于1mm，口唇部10项中有7项小于1mm。这与S.C.Aung等人的研究结果一致[3]。眶部19测量项目中，差值小于3mm的有17项，其中13项差值小于2mm。
　　2.2.2对每一测量项目进行配对t检验：56项测量项目中两种方法有统计学差异的有12项(见表1～4中P栏打*号者，P＜0.05)。鼻部只有1项测量项目有统计学差异，而口唇部的所有项目都不能认为两种测量方法有统计学差异。
　　
　　
　　
　　4讨论
　　
　　激光三维扫描测量技术提供了一种非介入性面部三维重建的方法，是目前国际上最先进的软组织测量技术。该方法三维测量精度高，立体重构快捷、逼真，使用方便且范围广。国内外学者已有很多将Cyberware和Minolta等三维激光扫描仪应用到实验和临床研究中，并通过对几何标准圆柱体，牙列研究模和面部石膏模型等的测量验证了激光三维扫描仪的精确度和可操作性[4-6]。本系统从图像获取到定点测量的各环节有较多可能的误差来源应予以注意。
　　获取测量对象正面、左侧面45°、右侧面45°3幅图像是通过扫描者改变体位的方式实现的。要求扫描对象眶耳平面与地面平行，正中颌位，与镜头距离1m，情绪与表情保持一致，扫描时保持静止，不能眨眼，对于过长的额发及鬓发用发夹固定，避免遮挡面部，影响图像质量。扫描对象无需闭眼，只是不要直视激光发射窗即可，因此眼部信息不会丢失。但是测量项目ps-pi（眼裂高）两种方法的数据有统计学差异，原因可能在于人被测量时因恐惧心理眼睛无法保持自然睁开状态。
　　将3幅图像整合为一时，是通过特征点匹配、坐标系转换实现的。特征点也是人工标定的。为了避免误差，实验中严格遵照软件流程，并通过shift+鼠标及ctrl+鼠标来调整视图的位置、角度及大小以利于特征点的选取。另外，特征点避免选取那些随表情变化的点，如ch（口裂角点）点可能因为笑意而上扬。
　　无论直接测量法还是三维扫描测量法，标志点的确定都是人工完成的，人为因素在这个过程中势必造成一定的误差。S.D.Bianchi,M.C.Spada等人[7]2004年利用Cyberware Head and Face Colour 3D Scanner 3030RGB研究扫描参数的不同对图像的精确度和可重复性的影响后，指出观察者准确标定标志点的困难是造成扫描测量和直接测量数据误差的主要来源，而多次重复测量可以减小这种误差。此外，某些点的定义描述本身就不是非常客观准确，如那些定义为某个部分或面上最突点及那些需要通过直接触摸方可准确辨别的点，在实际操作中让人感觉模棱两可。在图像上定点时，因为计算机屏幕是二维的，在一个二维平面上确定一个三维的点，也可能会出现一些误差。本实验为了避免这方面的误差，采取了如下措施：①全部定点均由一人完成，且事先反复练习，熟悉各点的定义，良好掌握定点的技巧。②两种方法对每个测量对象均分别定点测量3次。③自行开发的三维可视化测量程序中，定点时可以左右旋转和移动图像利于准确定点，定完点后如认为有偏差，可以取消后重新定点。
　　综上所述，激光三维扫描仪获取图像来进行面部软组织三维测量是一种良好可行的方法。本面部软组织三维形态自动测量系统用户界面良好,简化测量工作,省时省力,可应用于面部软组织生长发育的纵向研究的大样本测量,可用于唇腭裂患者口鼻区形态变化的跟踪研究，可为口腔正畸、正颌外科、整形外科在临床上获取面部三维形态数据提供途径。但是操作人员能在三维图像上精确定点是至关重要的。
　　
　　[参考文献]
　　[1]Farkas L.G,Munro IR. Anthropometrc facial proportions in medicine[C].Springfield,Iillinois Charles C Thomas Publisher,1987:278-310.
　　[2]邵象清.人体测量手册[M].上海:上海辞书出版社,1985:1-296.
　　[3]Aung sc,Ngim CK,Lee St.Evalution of the laser as a surface measuring tool and its accuracy compared with direct facial anthropometric measurements[J]. Bri J Plast Surg.1995(48):551-558.
　　[4]Bush K,Antonyshyn O.Three-dimensional facial anthropometry using a laser surface scanner: validation of the technique[J]. Plast Reconstr Surg,1996,98:226-235.
　　[5]Kusnoto B, Evans CA. Reliability of a 3D surface laser scanner for orthodontic application[J]. Am J Orthod Dentofacial Orthop,2002,122(4):342-348.
　　[6]刘 林,徐天民,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,2005,25(6)：345-347.
　　[7]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.
　　
　　[收稿日期]2008-03-26[修回日期]2008-04-23
　　编辑/何志斌