面部軟組織激光掃描三維自動測量系統(tǒng)的初步研究

[摘要]目的：建立能夠準(zhǔn)確、快速獲得面部軟組織三維信息的測量分析系統(tǒng)。 方法：本研究選取28名個別正常牙合者，分別用激光掃描三維自動測量系統(tǒng)和直接測量法進行測量，將兩種方法測得的數(shù)據(jù)進行比較。結(jié)果：①在56項點距測量項目中，差值絕對值小于1mm的有26項，1～2mm的14項，2～3mm的9項，大于3mm的7項。②鼻部和口唇部點距差值比較小，全部小于2mm，其中鼻部10項中有8項差值小于1mm，口唇部10項中有7項小于1mm。③配對t檢驗：56項測量項目中兩種方法有統(tǒng)計學(xué)差異的有12項。其中，鼻部只有1項測量項目有統(tǒng)計學(xué)差異，而口唇部的所有項目都不能認(rèn)為兩種測量方法有統(tǒng)計學(xué)差異。結(jié)論:激光三維掃描儀獲取圖像來進行面部軟組織三維測量是一種良好可行的方法。

[關(guān)鍵詞]面部軟組織；激光三維掃描；三維測量

[中圖分類號]R783.5 [文獻標(biāo)識碼]A [文章編號]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

對面部軟組織進行標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)、快速、準(zhǔn)確的三維測量是正畸、正頜外科以及整形美容外科醫(yī)師客觀真實評價面部形態(tài)的前提與基礎(chǔ)。多年來國內(nèi)外學(xué)者一直關(guān)注著面部形態(tài)的測量研究。二十世紀(jì)80年代，Lesilie G.Farkas[1]建立了標(biāo)準(zhǔn)的、系統(tǒng)化的顱面部表面直接測量法，較客觀、全面、系統(tǒng)的反映顱面部表面形態(tài)。但是直接測量法需要耗費大量的時間，在臨床應(yīng)用及大樣本調(diào)查研究時有其局限性。90年代，計算機、電子學(xué)、光電技術(shù)的發(fā)展推動了三維測量技術(shù)的迅猛發(fā)展。尋求一種簡便易行、對人體無傷害而又能精確反映面部軟組織形態(tài)并使之可視化的方法成為學(xué)者們研究的熱點。激光三維掃描測量技術(shù)目前被認(rèn)為是最先進的軟組織測量技術(shù)。

1材料和方法

1.1面部軟組織激光掃描三維自動測量系統(tǒng)的工作流程：使用Minolta VIVID910三維掃描儀（美能達公司，日本）對測量對象進行掃描，分別獲得正面、左側(cè)面45°、右側(cè)面45°3幅圖像。應(yīng)用RapidForm2004軟件（INUS Technology Incorporation 提供）對掃描獲得的3幅圖像分別進行壞點去除等前期處理后，經(jīng)過人工的特征點匹配拼接合成整體圖像。將該圖像導(dǎo)入自行編寫的三維可視化測量軟件，按規(guī)定順序輸入43個標(biāo)志點后，系統(tǒng)自動生成并輸出56項點距項目（含頭面部、眶部、鼻部、口唇部）的結(jié)果文件。

1.2面部測量標(biāo)志點的選取：基于farkas直接測量法，并根據(jù)掃描獲得人顱面圖像的范圍和特征，盡可能全面地選擇測量點。但是激光掃描圖像難以獲取的某些點給予排除，如tr點（發(fā)際點）。測量點共計43個，其中面部正中矢狀面上的單一點11個，左右對應(yīng)的點16對。

1.3樣本數(shù)據(jù)采集：選取28例個別正常牙合者（男16例，女12例），年齡21～28歲，平均24.1歲。對每個測量對象分別用激光掃描三維自動測量系統(tǒng)和直接測量法各測量3次，分別取3次測量結(jié)果之均值。所有定點和測量工作均由同一人完成，對同一測量對象的面部掃描和直接測量同日進行。將兩種方法測得的數(shù)據(jù)進行比較看其差值大小，并用SPSS10.0軟件進行配對t檢驗進行統(tǒng)計學(xué)分析。

2結(jié)果

2.1本研究利用三維激光掃描儀獲取面部正側(cè)位圖像并將其拼接合成，生動逼真地再現(xiàn)了掃描對象的面部軟組織形態(tài)；自行開發(fā)的可視化測量軟件性能穩(wěn)定，使用方便。(如圖1～2)

2.2設(shè)計Excel表格，將所有測量對象三維掃描測量法獲得的3次數(shù)據(jù)和直接測量法獲取的3次數(shù)據(jù)錄入表格，經(jīng)過SPSS10.0統(tǒng)計軟件處理。

2.2.1分別計算出每個測量項目三維掃描法和直接測量法的3次測量結(jié)果平均值，以及兩種方法的差值的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，進行比較。①如表1～4所示相同項目由三維掃描測量法的結(jié)果減去直接測量法的結(jié)果得到的差值有正有負(fù)，而不是全是正或負(fù)的趨勢，某種程度上可以說明掃描獲得的圖像沒有明顯的放大或縮小現(xiàn)象。②如表5所示，在56項點距測量中，差值絕對值小于1mm的有26項，1～1.5mm的8項，1.5～2mm的6項，2～3mm的9項，大于3mm的7項。人體測量手冊要求誤差不超過2～3mm[2]。可以看到本系統(tǒng)的點距測量項目中只有7項的結(jié)果與直接測量法相比的誤差大于3mm。點距中差值超過3mm的幾項分別是頭面部的5項：ft-ft（前額寬），t-t（顱骨基底寬），go-go（下頜寬），gn－go(L，R)（下頜深)；眶部的2項：ex-go(L，R)（頰高）；可以看到構(gòu)成這些項目的點有ft（前額點），go（下頜角點），gn（頦下點）與t（耳屏上屆切跡點）。ft和go點需要觸摸方可在面部準(zhǔn)確定點。gn點處于面下部的轉(zhuǎn)折部位，與頸部的反差較小，在直接測量時依靠捫診來確定，而在電腦屏幕的正面圖像中定點難以把握，且此點受掃描時頭位的影響較大。③如表5所示鼻部和口唇部點距差值比較小，全部小于2mm，其中鼻部10項中有8項差值小于1mm，口唇部10項中有7項小于1mm。這與S.C.Aung等人的研究結(jié)果一致[3]。眶部19測量項目中，差值小于3mm的有17項，其中13項差值小于2mm。

2.2.2對每一測量項目進行配對t檢驗：56項測量項目中兩種方法有統(tǒng)計學(xué)差異的有12項(見表1～4中P欄打*號者，P＜0.05)。鼻部只有1項測量項目有統(tǒng)計學(xué)差異，而口唇部的所有項目都不能認(rèn)為兩種測量方法有統(tǒng)計學(xué)差異。

4討論

激光三維掃描測量技術(shù)提供了一種非介入性面部三維重建的方法，是目前國際上最先進的軟組織測量技術(shù)。該方法三維測量精度高，立體重構(gòu)快捷、逼真，使用方便且范圍廣。國內(nèi)外學(xué)者已有很多將Cyberware和Minolta等三維激光掃描儀應(yīng)用到實驗和臨床研究中，并通過對幾何標(biāo)準(zhǔn)圓柱體，牙列研究模和面部石膏模型等的測量驗證了激光三維掃描儀的精確度和可操作性[4-6]。本系統(tǒng)從圖像獲取到定點測量的各環(huán)節(jié)有較多可能的誤差來源應(yīng)予以注意。

獲取測量對象正面、左側(cè)面45°、右側(cè)面45°3幅圖像是通過掃描者改變體位的方式實現(xiàn)的。要求掃描對象眶耳平面與地面平行，正中頜位，與鏡頭距離1m，情緒與表情保持一致，掃描時保持靜止，不能眨眼，對于過長的額發(fā)及鬢發(fā)用發(fā)夾固定，避免遮擋面部，影響圖像質(zhì)量。掃描對象無需閉眼，只是不要直視激光發(fā)射窗即可，因此眼部信息不會丟失。但是測量項目ps-pi（眼裂高）兩種方法的數(shù)據(jù)有統(tǒng)計學(xué)差異，原因可能在于人被測量時因恐懼心理眼睛無法保持自然睜開狀態(tài)。

將3幅圖像整合為一時，是通過特征點匹配、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換實現(xiàn)的。特征點也是人工標(biāo)定的。為了避免誤差，實驗中嚴(yán)格遵照軟件流程，并通過shift+鼠標(biāo)及ctrl+鼠標(biāo)來調(diào)整視圖的位置、角度及大小以利于特征點的選取。另外，特征點避免選取那些隨表情變化的點，如ch（口裂角點）點可能因為笑意而上揚。

無論直接測量法還是三維掃描測量法，標(biāo)志點的確定都是人工完成的，人為因素在這個過程中勢必造成一定的誤差。S.D.Bianchi，M.C.Spada等人[7]2004年利用Cyberware Head and Face Colour 3D Scanner 3030RGB研究掃描參數(shù)的不同對圖像的精確度和可重復(fù)性的影響后，指出觀察者準(zhǔn)確標(biāo)定標(biāo)志點的困難是造成掃描測量和直接測量數(shù)據(jù)誤差的主要來源，而多次重復(fù)測量可以減小這種誤差。此外，某些點的定義描述本身就不是非常客觀準(zhǔn)確，如那些定義為某個部分或面上最突點及那些需要通過直接觸摸方可準(zhǔn)確辨別的點，在實際操作中讓人感覺模棱兩可。在圖像上定點時，因為計算機屏幕是二維的，在一個二維平面上確定一個三維的點，也可能會出現(xiàn)一些誤差。本實驗為了避免這方面的誤差，采取了如下措施：①全部定點均由一人完成，且事先反復(fù)練習(xí)，熟悉各點的定義，良好掌握定點的技巧。②兩種方法對每個測量對象均分別定點測量3次。③自行開發(fā)的三維可視化測量程序中，定點時可以左右旋轉(zhuǎn)和移動圖像利于準(zhǔn)確定點，定完點后如認(rèn)為有偏差，可以取消后重新定點。

綜上所述，激光三維掃描儀獲取圖像來進行面部軟組織三維測量是一種良好可行的方法。本面部軟組織三維形態(tài)自動測量系統(tǒng)用戶界面良好，簡化測量工作，省時省力，可應(yīng)用于面部軟組織生長發(fā)育的縱向研究的大樣本測量，可用于唇腭裂患者口鼻區(qū)形態(tài)變化的跟蹤研究，可為口腔正畸、正頜外科、整形外科在臨床上獲取面部三維形態(tài)數(shù)據(jù)提供途徑。但是操作人員能在三維圖像上精確定點是至關(guān)重要的。

[參考文獻]

[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.人體測量手冊[M].上海:上海辭書出版社，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]劉 林，徐天民，張 益，等.激光掃描在面部畸形三維重建及測量中的初步應(yīng)用[J].口腔醫(yī)學(xué)，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

編輯/何志斌