1、三维照相系统采集单侧唇腭裂患者面部形态的精确性研究 谢理哲 陈雅丽 高鹏程 李盛 曹丹 王林 严斌 南京医科大学口腔疾病研究江苏省重点实验室 淮安市中医院口腔科 东南大学附属中大医院口腔科 南京医科大学附属口腔医院口腔颌面外科 南京医科大学附属口腔医院正畸科 摘 要： 目的:初步探究三维照相系统采集唇腭裂患者面部软组织三维影像用于临床常用线距及面积测量的精确性。方法:以 15 个单侧完全性唇腭裂患者颌面部翻制石膏模型为研究对象, 分别用三坐标仪与三维照相系统采集模型表面数据, 将两组数据均导入 Imageware 13.2 软件进行图像配准分析, 并测量 9 个临床常用面部软组织表面特征线距与
2、 4 个区域面积。以三坐标仪采集测量结果为金标准, 使用配对 t 检验法比较三维照相系统采集测量值与标准值有无显著性差异。结果:配准结果显示两组图像在鼻尖和唇峰处偏差较大, 统计结果表明 5 个线距测量项目存在显著性差异 (P0.01) , 但差值均在 00.5 mm 以内;4 个面积测量项目中仅患侧唇面积存在统计学差异 (P0.05) , 但面积误差小于 8 mm2。结论:3dMDFace 三维照相系统对唇腭裂患者翻制石膏模型的双侧唇部区域采集测量值与金标准相比存在显著差异, 但误差值均在临床可接受范围内。关键词： 唇腭裂; 面部形态; 三维照相; 作者简介：谢理哲 (1983-) , 女,
3、 四川成都人, 博士, 讲师, 研究方向为影像科学与技术。E-mail:;作者简介：陈雅丽 (1991-) , 女, 江苏淮安人, 硕士, 住院医师, 研究方向为口腔临床医学。E-mail:作者简介：严斌 收稿日期：2017-08-29基金：国家自然科学基金资助项目 (81571005) Research on facial morphology accuracy of patients with unilateral cleft lip and palate based on three-dimensional photographic acquisitionXIE Li-zhe CHEN
4、Ya-li GAO Peng-cheng LI Shen CAO Dan WANG Lin YAN Bin Jiangsu Key Laboratory of Oral Diseases; Department of Stomatology, Zhongda Hospital, Southeast University; Abstract： Objective: To evaluate the accuracy of three-dimensional image of soft tissue in patients with cleft lip and palate in clinical
5、measurements of distance and area on the basis of 3D photographic acquisition. Methods:The samples in this research included 15 maxillofacial poured plaster models of patients with unilateral complete cleft lip and palate ( UCLP) . The two sets of 3D surface data of these samples were acquired respe
6、ctively by coordinating measurement machine ( CMM) and 3dMDface system. Imageware 13. 2 software was applied for image analysis and data analysis for 9 linear and 4 area measurements. Data from CMM were accepted as Golden standard and paired sample t-tests was used to evaluate the data from 3dMDface
7、 system. Results: The registration results showed that there was a large deviation in the two sets of images of nose tip and lip peak. According to the statistical results, significant differences were found in 5 linear measurements ( P 0. 01) , but the errors were less than 0. 5 mm. As to the 4 are
8、a measurements, a statistical difference was only found in cleft lip area, with the error less than 8 mm2. Conclusion: Compared to the Golden Standard, statistically significant differences were found in the data and image of bilateral lip region in poured plaster models of UCLP patients acquired by
9、 3dMDface system, with errors clinically acceptable.Keyword： cleft lip and palate; facial morphology; three-dimensional photography; Received： 2017-08-29唇腭裂是口腔颌面部最常见的先天性畸形, 对患者的颜面形态、口腔功能、心理健康等都会产生严重的影响。制定唇腭裂患者的手术修复方案及术后面容预测均需以准确的面部定量测量为基础。早期的颌面部软组织分析常用基于二维影像的测量方法, 但二维影像由于存在变形和重叠等固有缺陷, 很难准确反映唇腭裂患者颌面部
10、的三维解剖特征。近年来, 随着计算机图像技术的发展, 口腔医学领域对人颜面部外观形貌的分析已逐渐从二维发展到三维1。三维测量方法可分为直接与间接测量法。直接法即利用三坐标仪或游标卡尺直接接触测量被测物体。三坐标仪精度高达微米级, 远高于游标卡尺, 是工业上广泛认可的检验仪器测量精度的金标准。但直接法的缺点在于软组织存在可让性, 测量仪器接触颌面部软组织容易引起压迫变形。间接法指借助三维照相系统等影像设备, 在不接触患者的情况下进行颌面部的图形采集, 由此生成的三维图像可直观反映患者面部特征, 信息较直接测量更丰富。以 3d MDFace 系统为代表的面部三维照相系统可同时获取拍摄对象表面三维信
11、息与纹理, 且具有采集操作简便、快速、无创等优点, 在口腔医学领域已得到越来越多的应用2-7。目前对三维照相系统采集唇腭裂患者面部三维影像精确性的研究尚较少, 故本实验以唇腭裂患者颌面部翻制石膏模型为采集对象, 分别使用三坐标仪和三维照相系统采集模型表面数据, 测量临床常用特征线距和鼻唇部区域的面积。以三坐标仪采集测量结果为标准值, 探究三维照相系统获取唇腭裂患者颌面部软组织三维影像的精确性, 为三维面部照相系统在唇腭裂畸形领域的临床应用提供参考。1 材料和方法1.1 实验仪器和软件本研究仪器选用高精度接触式三坐标仪 Croma686 (Hexagon AB, Stockholm, SWE)
12、, 精度 0.078m;3d MDFace 三维照相系统 (3d MD LLC, Atlanta, USA) , 标称精度 0.2 mm。软件包括三维逆向工程软件 Imageware13.2 (EDS, Texas, USA) 及统计学软件 SPSS19.0 (SPSS Inc., Chicago, USA) 。1.2 实验方法1.2.1 实验模型准备本研究所有单侧完全性唇腭裂患者颌面石膏模型均来自南京医科大学附属口腔医院口腔颌面外科与四川大学华西口腔医院唇腭裂外科收治的共计 15 名非综合征型单侧完全性唇腭裂患儿, 其中男 9 名, 女 6 名, 平均年龄 6 个月 (510 个月) 。所有
13、病例除单侧完全性唇腭裂外没有其他任何先天疾病和手术外伤病史。唇腭裂患者颌面部翻制模型实例如图 1。图 1 单侧唇腭裂患者颌面部翻制石膏模型 Fig 1 The maxillofacial poured plaster models of patients with unilateral complete cleft lip and palate 下载原图采集前, 根据以往文献与临床需求的考量8-9, 在模型表面选择 15 个颜面部特征标记点 (见表 1, 图 2) 。为了确保两种采集设备获取的数据在测量时标志点定位的一致性, 我们采用黑色记号笔在模型表面描记出 0.5 mm 的圆形标志点辅助定
14、位。所有面部翻制模型上的标记点均由同一名研究者描记。确定解剖标志点后, 选择鼻唇部 9 个特征线距 (见表 2, 图 3) 和 4 个区域面积 (见表 3, 图 4) 作为测量项目, 特征线距的名称及定义见表 2, 面积测量区域的名称及定义见表 3。1.2.2 标准值获取本研究采用了现有技术条件中精度高于各种光学面部扫描仪一倍以上的高精度接触式三坐标仪的测量值作为标准值。应用三坐标仪采集石膏模型颌面部形态, 将石膏模型颌面部向上固定于三坐标仪的测量平台上。应用三坐标仪测量臂的针状接触式测头, 点触测量石膏模型面部已标记的各特征点, 记录下特征点对应的坐标值;而后连续移动测头, 获取模型面部各个
15、区域的坐标数据。坐标点的采集由同一名熟练使用测量臂的操作者同一天完成, 连续采集 3 次。将测量记录的解剖标志点及石膏模型表面各个区域的坐标数据导入 Imageware 软件, 测量 9 个特征线距和 4 个区域的表面积。计算特征线距及区域面积 3 次测量的平均值和标准差, 将测量平均值作为标准值。表 1 鼻唇部解剖标志点 Tab 1 The nasolabial anatomy landmark 下载原表 图 2 鼻唇部解剖点示意图 Fig 2 The sketch map of nasolabial anatomy landmarks 下载原图表 2 鼻唇部特征线距测量项目 Tab 2 T
16、he nasolabial linear measurements 下载原表 图 3 鼻唇部特征线距示意图 Fig 3 The sketch map of nasolabial length measurements 下载原图表 3 鼻唇部面积测量项目 Tab 3 The nasolabial area measurements 下载原表 图 4 鼻唇部面积示意图 Fig 4 The sketch map of nasolabial area measurements 下载原图1.2.3 三维照相系统测量值获取3d MDFace 三维照相系统拍摄之前校准仪器, 将石膏模型固定于支架上, 以铅垂
17、线为参照, 调整位置, 使其双侧内眦点连线与铅垂线垂直, 鼻根点与鼻小柱基底点连线与铅垂线平行。采集时将面部翻制石膏模型置于仪器采集区域, 且鼻尖点位于两侧镜头采集区域的中心点。相机采集时间定为 1.5 ms。由同一操作者在同一天内连续采集 3 次。将 3d MD 面部扫描仪采集的模型表面三维数据导入 Imageware 软件中, 同样测量 9 个特征线距和 4 个区域面积, 取 3 次采集所得模型表面形态数据测量值的平均值。1.2.4 配准研究为了直观反映出 3d MDFace 三维照相系统采集唇腭裂患者颌面部翻制石膏模型的误分布规律, 实验人员以上述 15 个解剖标志点作为定位标志点, 应
18、用Imageware 软件中的“配对点定位”功能, 将三维照相系统与三坐标仪采集的同一模型表面数据进行配准重叠。将三坐标仪采集数据定义为参考模型, 3d MDFace 三维照相系统采集数据定义为被检测模型, 使用“点云偏差”功能模块, 对两种颌面部模型数据对应的全面片间的距离进行分析, 所有距离均以绝对值表示, 并输出根据所有对应面片间距离绘制的偏差分析色阶图。1.3 统计学处理用 SPSS 19.0 软件计算两种采集方法前后 3 次测量值的组内相关系数 (intraclass correlation coefficient, ICC) , 评估研究者自身测量的可靠性。采用配对 t 检验比较两
19、种系统获取的 9 个特征线距和 4 个鼻唇部区域面积测量结果的平均值, 以 P0.05 为差异有显著性。2 结果2.1 配准研究输出结果在 Imageware 软件中将 3d MDFace 三维照相系统与三坐标仪分别采集的模型表面数据进行配准, 两者的偏差分析色阶图示例见图 5。图中绿色代表偏差接近零的区域, 其中深绿色代表配准误差较小的区域, 误差范围约为 00.3 mm;浅黄色和黄色代表误差较大的区域, 误差范围约为 1.03.0 mm;橙色和红色代表误差范围最大, 约为 3.05.0mm。所有偏差分析色阶图中均可见面颊部区域以深绿色为主, 且分布较均匀;鼻唇部黄色区域较多, 且在箭头所示
20、的鼻尖和唇峰处相对集中分布;口内和模型边缘也显示较大误差, 此误差是由于三坐标仪未完整采集模型口内区域与颌面边缘的数据而导致的。2.2 统计学分析结果计算前后 3 次采集所得数据测量结果组内相关系数 (ICC) 的范围在0.9530.999, 均大于 0.75, 表明研究者自身测量可重复性高。分析 3d MDFace 三维照相系统所得石膏模型三维图像的 9 组特征线距和 4 组区域面积的测量值, 对每组内 15 个模型的测量值进行 K-S 正态性检验, P 值均大于 0.05;绘制各组测量值的 P-P 概率图 (P-P 图) 。结果显示各组数据点分布和理论直线基本重合, 各组数据均服从较好的正
21、态分布。3d MDFace 三维照相系统与三坐标仪采集模型表面数据的各平均测量值配对 t检验分析结果如下:9 个特征线距测量项目中有 5 个存在统计学差异 (见表 4) , 分别是健侧唇长、患侧唇长、健侧唇高度、患侧唇高度、鼻小柱基底点到健侧唇峰点距离, P0.01, 但误差均值在 00.5 mm 内。在图 6 中以红色线条表示有统计学差异的特征线距, 蓝色线段表示无统计学差异的特征线段。4 个面积测量项目中, 仅患侧唇面积存在统计学差异 (见表 5) , P0.05。在图 7 中红色阴影区域表示有统计学差异的区域面积, 蓝色阴影区域表示无统计学差异的区域面积。图 5 3d MDFace 系统
22、与三坐标仪采集颌面部石膏模型表面数据配准结果偏差分析的色阶图示例 Fig 5 The chroma diagrams show the deviation analysis of the registration results of the maxillofacial plaster models surface data acquired by 3d MDface system and coordinate measure-ment machine 下载原图表 4 3d MDFace 系统获取模型特征线距与标准值配对 t 检验结果 Tab 4Results of paired sample
23、 t-test of the length measurements between 3d MDFace system results and the standard values 下载原表 表 5 3d MDFace 系统获取鼻唇部区域面积与标准值的配对 t 检验结果 Tab 5Results of paired sample t-test of the area measurements between 3d MDFace system results and the standard values 下载原表 图 6 鼻唇部特征线距测量结果示意图 (红色项表示 3d MDFace 系统采
24、集结果与标准值之间有显著性差异) Fig 6 The sketch map of the nasolabial length measurements (the red lines represented the statistically significant differ-ences found in results acquired by 3d MDFace system com-pared to the standard values) 下载原图3 讨论现有文献报道中, 三维照相系统采集测量精度的定量研究主要以真人三维面相和颌面部模型三维影像为评价目标10。前者采用真人评价扫描精度,
25、 最接近临床实际应用效果, 但不足在于面部软组织的可让性、人在拍摄过程中面部肌肉的不自主收缩、呼吸运动等因素都不利于三坐标仪等接触式测量系统进行高精度测量。后者的优点在于模型在扫描过程中可以被稳定的固位, 且模型表面质地适用于接触式测量。一直以来, 石膏模型作为诊断记录被广泛应用于口腔医学领域。石膏模型可通过良好的固位避免扫描过程中的微运动, 具有较好的稳定性, 故通常静态模型比真实患者的测量精确度高14。因此, 为了避免测量对象因素带来的操作误差, 本实验选用面部翻制石膏模型作为研究对象, 并固定于采集仪器的平台或者专用架上进行采集测量。图 7 鼻唇部面积测量结果示意图 (红色项表示 3d
26、MDFace 系统采集结果与标准值之间有显著性差异) Fig 7The sketch map of the nasolabial area measurements (the red area represented the statistically significant difference found in results acquired by 3d MDFace system compared to the standard values) 下载原图根据以往学者的文献8-9,11, 我们选择了鼻唇区域 9 个特征线距和 4 个面积 (见表 1、2、3) , 用来描述各个唇腭裂患者鼻
27、唇部解剖亚单位的畸形情况。3d MDFace 三维照相系统获取面部软组织三维影像的测量值与标准值相比, 在健侧唇长、患侧唇长、健侧唇高度、患侧唇高度、鼻小柱基底点到健侧唇峰点距离、患侧唇面积 6 个测量项目上有差异, 这些较大的成像误差主要分布在唇腭裂患者两侧唇部。赵一姣11的前期研究结果也表明唇区解剖特征比较复杂, 曲率变化明显, 影响光学测量的倒凹区相对较多, 从而影响了局部的扫描精度。3d MDFace 三维照相系统主要基于立体摄影技术12, 利用照相机或摄像机从两个或多个角度摄取图像, 所以双侧摄像机摄取的 2D 图像的精度和完整性会影响最终重建三维图像的精度和完整性。作者认为立体摄影
28、技术中双侧摄像机对物体表面的采集精度会依赖于被采集表面光线的反射情况, 对于具有复杂解剖特征的区域, 其大曲率曲面以及倒凹区域的反射光线, 光路范围较窄容易导致摄像头对反射光线的采集丢失, 从而导致该区域的误差较大。此外, 3d MDFace 三维照相系统最终生的面部三维图像表面纹理主要通过左右摄像头分别采集的颜面图像拼接重建。由于 3d MDFace 三维照相系统获取的表面纹理图像难以直接应用结构光辅助匹配, 故对于中线区域 (如鼻部区域以及靠近中线的唇部区域) 拼接的难度较大, 亦可能增大系统的误差。在所有的分析结果中, 对于曲率变化同样较大且处于中线的鼻部, 可以从配准结果中观察到鼻尖部
29、隆起区域误差加大, 但由于本研究中该区域特征点选择相对较少, 相关的线距测量较少, 实验结果不能全面地体现鼻部与唇部的精度差异, 有待增加面部特征点进一步分析。正颌外科手术可接受的面部测量精度为 1 mm, 而口腔正畸和口腔修复的面部形态评价分析对三维测量精度的要求则较高11, 本研究中尽管在唇部线距测量项目上三维照相系统的测量值与标准值有统计学差异, 但误差均值都小于 0.5 mm, 为临床可接受。面积测量项目中, 患侧唇面积存在显著性差异, 也印证了线距测量结果, 但目前对颌面部三维图像区域面积采集测量误差的可接受范围尚无统一标准。3d MDFace 三维照相系统对单侧唇腭裂患者翻制石膏模
30、型上健侧唇部线距、患侧唇部线距及面积的采集测量精度与金标准相比存在显著差异, 但线距误差均小于 0.5 mm, 面积误差小于 8 mm, 为临床可接受。因此, 该三维照相系统获取的面部软组织三维影像数据可辅助唇腭裂患者治疗计划的制定。参考文献1BERSSENBRUGGE P, BERLIN N F, KEBECK G, et al.2D and 3D analysis methods of facial asymmetry in comparisonJ.J Craniomaxillofac Surg, 2014, 42 (6) :e327-e334. 2MUGGLI E, MATTHEWS H
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