面部软组织研究中三维立体摄影的应用及前景

    绝大多数牙颌面畸形患者因渴望改善面部美观而就诊，面部软组织的平衡、协调、美观是口腔正畸科、口腔颌面外科和整形外科的主要治疗目标之一。准确快速的面部软组织分析可以帮助医生指导治疗计划，提升医患沟通的效果[1]。早期受限于影像获取技术，面部软组织研究主要通过直接测量法或二维影像测量法分析，通常需要对研究者进行专业培训，如标准化刻度测量及精确校准，但是二维测量技术无法准确评估面部三维结构的复杂性与动态变化规律[2,3]。随着三维数字化技术与口腔医学的深入结合，三维数据辅助自动化算法，可指导面部美学治疗的数字化设计及评价，且获取图像直观清晰，数据易于保存，处理方便且成本低廉，在面部软组织测量上更具优势，已逐渐成为口腔医学领域的研究热点[4]。本文系统性归纳了面部软组织三维立体摄影的测量方法及应用前景，以期为口腔临床应用提供参考。

     一、三维立体摄影的准确性与可靠性

    三维立体摄影的准确性及其对面部软组织测量的可行性、精确性已得到广泛验证[2,5,6]。谢瑞等[7]用三维立体摄影对多个曲面距离进行测量，并与实际测量距离进行比较，结果表明三维立体摄影系统对曲面距离的测量具有良好的稳定性及可靠性。

    二、标志点的确定

    在标准化的三维虚拟环境中，每个标志点需通过三维坐标准确定位。以前，面部影像的测量大多采用人工定点方式，手动标记被认为是不可代替的，研究者接受手动标记培训后可以实现高精度和高可靠性的标记及测量，但对大量的研究数据进行手动标记测量，可能因视力疲劳等人为误差影响测量结果的准确性[6]。三维立体摄影拍摄的面部清晰、无放大的图像有利于建立定点相关的自动化算法，近年基于几何形态学的自动化算法被越来越广泛地用于面部软组织特征及其变化规律的研究中。Baksi等[8]开发了一种基于结构和组织轮廓对称性的自动定点算法，可自动对齐图像并根据形状和纹理选择特征点，经验证可以准确识别面部软组织标志点。Guo等[9]结合自动标志注释与Thin Plate Spline(TPS)函数配准，对17个面部软组织标志自动注释，并通过了高精度检测，强调了完全自动化的三维评估工具的重要性。White等[10]的研究表明，MeshMonk工具箱能够对面部三维图像进行高质量、可重复的密集表型分析，并快速自动地识别面部软组织标志点，经验证MeshMonk自动标记法较手动标记误差更小且稳定性更高。

    三、三维参考平面的确定

    自然头位被评价为面部容貌的最佳参考基准。患者在拍摄面部三维立体影像时，可以通过眼睛平视前方，注视镜子中自己的眼睛，面部软组织保持放松，下颌处于息止（牙合）位，得到在矢状、冠状和水平空间的三维方向上均稳定可重复的自然头位[11]。

    (一)正中矢状面的确定

    面部软组织研究中，正中矢状面的构建可直接影响对称性指标的测量，面部三维图像的正中矢状面可以由手动法或镜像法构建。手动法构建依赖操作者的主观经验，Ras等[12]在面部对称性的研究中，提出最佳矢状参考平面是垂直于并平分连接外眦点连线的平面。Murakami等[13]在研究日本成人及儿童面部软组织的三维形态和体积差异时，用鼻根点、鼻尖点、鼻下点、上下唇中点、软组织颏下点的坐标确定矢状面。本体-镜像(iterative closest point, ICP)关联法是对三维面部模型及其镜像模型的几何形态进行重叠关联，计算分析获得正中矢状面，将其与传统方法的构建结果进行主观评测，结果表明，ICP关联法得到的对称参考平面明显优于传统标志点法[14]。Stauber等[15]及Meyer-Marcotty等[16]研究唇腭裂患者的面部对称性时，应用ICP关联法对面部三维标志点精确匹配确定对称平面。Hanawa等[17]研究置入假体对单侧上颌骨缺损患者的面部重建产生的形态学影响时，应用ICP关联法确定正中矢状面。然而，Benz等[18]认为完全自动定点及配准的ICP关联法，缺少医师主观判断及校准的机制，在面部严重偏斜患者中会出现面部畸形区域数据配准不良或错误的情况，降低临床适用性。Wu等[19]提出了基于计算机程序自动校正正中矢状面，并能准确测量唇裂严重程度的计算方法，经比较该方法比ICP关联法的稳定性更好，且不受头位旋转影响。后续研究亦证实了该方法的稳定性和准确性[20]。

    (二)水平面及冠状面的确定

    目前，临床上广泛使用的参考平面为1884年在法兰克福头颅测量学会议上提出的，与地平面基本平行的眶耳平面(FH平面)。然而，面部软组织和骨骼FH平面间关系的信息有限，因此在三维头影测量中需重新定义此参考平面。Weber等[21]的研究表明，经自然头位配准后，将患者头面部的锥形束CT(cone beam CT，CBCT)和面部三维图像重合，使用颅内或颅外参考平面进行分析测量均可靠。Chortrakarnkij等[22]将32例患者的术前CBCT和三维影像重合后发现，外眦-耳屏平面相对于骨骼FH平面的平均倾角为17.6°，有助于在标准水平方向设置软组织FH平面。Baik等[23]将经过鼻翼点和双侧耳屏点的平面定义为Camper平面。许多研究同样使用Camper平面作为水平参考平面建立三维坐标系进行研究[24,25]。Zheng等[26]将冠状平面设定为过面部GALL线[27]并垂直于正中矢状面的平面，然后将水平参考平面定义为过软组织鼻根点并垂直于正中矢状面和冠状面的平面。Plooij等[28]将患者自然头位下的面部三维影像参考笛卡尔坐标系，通过瞳孔重建点，沿自然头位水平方向，在眦-耳上线下7°自动计算水平面。将经过坐标原点垂直于水平面及矢状面的平面定义为冠状面，以此建立面部三维坐标系。

    四、测量分析

   三维测量可扩展传统二维影像中常规线距、角度及面积、体积的测量，提供更丰富的图像信息，实现对面部软组织多方位、立体化的分析。(1)目前不同性别[29,30]、种族[31,32]人群面部软组织形态的三维测量分析有助于建立多种族人群美学参数的数据库，利用三维影像对不同年龄者[33,34]的面部软组织分析，能够帮助研究者确定可靠的面部衰老标志，用作面部美容手术的参考标准。(2)颜面部软组织对称性是人类面部美学的重要构成因素。研究显示，先天性肌性斜颈患者存在面颊、鼻子和前额区域表面积比例的显著不对称[35]。研究显示，骨性Ⅲ类偏斜患者对称性在动态微笑时表现出非偏斜侧软组织的运动幅度大于偏斜侧的软组织[36]。(3)临床上三维立体摄影可用于真实准确地测量面部肿胀及体积变化。van der Meerr等[37]的研究证明了三维立体摄影系统能够准确可靠地测量变化超过5.9 ml的面部肿胀和体积变化。Koparal等[38]利用三维测量系统对下颌第三磨牙拔出术后的面部软组织肿胀区域进行体积测量。三维测量技术也广泛应用于鼻牙槽塑形治疗后[25,39]及阻塞性睡眠呼吸暂停综合征[40]、孤独症谱系障碍的患者面部形态特征研究[41]，以及一些干预措施(如正畸、激光或药物治疗)治疗效果的评估[38,42]。(4)遗传因素对面部软组织的变异存在重要影响。三维立体摄影能够克服婴幼儿依从性差等问题，将婴幼儿面部测量的研究变得简单、精确。有学者利用三维立体摄影对一些遗传性疾病，如斜头畸形、短头畸形及21-三体综合征等患者的颅面形态及解剖结构进行量化分析，将颅面畸形患儿特有的面部形态与其遗传规律的潜在信息相关联[43,44]。

    五、小结与展望

    目前不同种族间面部软组织形态差异及生长规律的纵向研究较少。三维立体测量在评估面部特定区域外观或功能时，应详述包括功能障碍在内的软组织变化或功能异常的严重程度。当三维测量工具可以收集四维数据(即从3个角度同时观察并处于运动状态)时，才能真正实现对面部软组织增龄变化及功能状态的准确评估。

    面部严重偏斜的患者，畸形区域内的标志点可能影响计算机自动定点及参考平面的配准，因此需评估患者偏斜程度，确定可靠的坐标系并进行精确校准。若能引用从工程和计算机视觉派生的方法扩展和加速面部数据的分析，大数据结合人工智能的结构，帮助研究人员不再局限于某些同源点，能通过人工智能在短时间内识别出面部的微小特征，并能够合并不同来源的数据库，在数千张图像中进行面部微小特征的比较分析，是未来随人工智能和大数据分析技术发展，口腔医学数字化发展值得期待的研究方向。

    利益冲突 本文作者与论文刊登的内容无利益关系

参考文献

......

第十二期内容

不同类型支架鼻整形术的回顾性研究

面部老化中颞部软组织损失的量化研究

单侧扇形蒂皮下蒂V-Y推进皮瓣修复面部皮肤软组织缺损

扩张后胸三角游离皮瓣修复面部大中面积皮肤软组织缺损