顱面形態三維自動測量精度的比較研究

[摘要]目的:研發基于激光掃描的顱面三維形態自動測量系統，分析該測量系統的精度。方法:采用激光掃描獲取顱面部軟組織三維信息，研發顱面形態三維可視化自動測量軟件系統。通過對30名志愿者的顱面部直接測量和激光掃描自動測量的對比研究，分析三維自動測量系統的精確度。結果:本系統能對面部軟組織進行52個標志點的定位，129個項目的三維自動測量;本系統與直接測量的比較研究表明基于激光掃描的顱面三維測量精度較高，在60項線距測量中，差值小于1mm的項占 50%;在17項弧長測量中，差值小于2mm的項占35.3%。結論:本顱面形態三維自動測量系統測量項目全面，測量精度較高，在顱面形態的三維研究及顱面畸形的三維診斷和治療方面有廣泛的應用前景。

[關鍵詞]顱面形態;三維測量;激光掃描

[中圖分類號]R783 [文獻標識碼]A [文章編號]1008-6455(2010)03-0404-04

A study on the reliability of three-dimensional craniofacial measuring system

SONG Jian-wei1，HOU Yu-xia1，ZHANG Yan-ning2，SHI Jian-yu2，ZHAI Pei-fang2，LI Jiang-bo1，ZHOU Hong1

(1.Department of Orthodontics，Stomatological Hospital，Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710004，Shaanxi，China; 2.School of Computer Science，Northwestern Polytechnical University)

Abstract:ObjectiveThe study aimed to develop the three-dimensional auto measuring system of craniofacial soft tissue， and to analyze the reliability of the system.MethodsThe measuring software of craniofacial soft tissue was developed based on the laser scanner. 30 volunteers were selected to study the reliability of the system， which were analyses by comparing with the direct measurement.Results52 landmarks， 129 measurement items of craniofacial soft tissue can be done in this system. Compared with the direct measurement，the system has a better reliability. The different less than 1mm accounted to 50 percent in line measurement，and less than 2mm accounted to 35.3 percent. ConclusionThe characters of the 3D auto measuring system included: measuring item was full，the visualization was better， measuring precision was accurate relatively. The system was a useful， precise and rapid way to research the craniofacial soft tissue morphometry， especially for the large sample craniofacial soft tissue morphometry.

Key words:craniofacial mophometry;three-dimensional measurement;laser scanner

顱面形態三維重建和測量在口腔正畸學、正頜外科、法醫學、人類學及美學等領域有重要的意義。在20世紀80年代，激光掃描首次被應用于面部軟組織三維測量[1]。激光三維掃描具有非介入性、被測物體無形變、測量重復性好、測量精度最高的特點，是目前獲取面部軟組織數據最先進的技術。本研究基于三維激光掃描建立精確、高效的面部軟組織三維重建和自動測量系統。

1材料和方法

1.1計算機軟硬件支持:計算機:CPU Celeron3.2，內存 512M，硬盤 160G，顯卡 Geforce 7300GS，操作系統 Windows XP 三維激光掃描儀:Minolta VIVID910三維激光掃描儀(日本美能達公司)。開發環境:Microsoft Visual C++，VTK可視化類庫。

1.2顱面部標志點和測量項目:參照Farkas顱面部表面直接測量法[2]，選取面部標志點52個，正中矢狀面12個點，左右對稱的點有20對(如圖1～2);129項測量項目，包括60項線距、17項弧長、4項角度和48項比例指數;其中絕對值測量項目頭面部24項，眶部23項，鼻部12項，口唇部18項;比例指數包括水平向17項，垂直向20項，水平與垂直相比11項。

1.3測量系統的建立

1.3.1采集面部圖像:受試者自然姿勢位，眶耳平面與地面平行，睜眼，面部放松，雙眼平視前方;分別進行正面、左45°、右45°位面部激光掃描;用RapidForm2004軟件對獲得的面部正側位圖像進行拼接、匹配、整合為完整的三維人面圖像，處理后保存為vrnl 2.0格式。

1.3.2三維自動可視化測量軟件:采用Visual C++編寫軟件，OpenGL圖形平臺，自主研發顱面部軟組織三維自動測量軟件，使用vrml格式數據，實現面部圖像的顯示和三維測量功能，全部操作過程采用人機對話和菜單選擇方式完成。按順序進行52個定點，選擇全面測量可以進行129項自動測量，測量結果直接輸出文檔，結果數據可復制到Excel表格進行處理。

1.3.3三維自動測量精度:選擇西安地區正常面型青年志愿者30例(男12例，女18例)，年齡18～25歲;軟組織直面型，左右對稱，面部形態正常，無正頜、正畸及外傷史;2°≤ANB≤4°。對每位研究對象進行面部激光掃描自動測量和Farkas面部軟組織直接測量。測量結果采用SPSS12.0處理，每個測量項目進行配對t檢驗，分析自動測量系統的測量精度。

2結果

2.1顱面軟組織三維自動測量系統:本系統實現激光掃描重建三維圖像的重現，可以將人面圖像顯示為三角片模式、散點模式以及充填模式，操作常采用充填模式(如圖3);并可對圖像任意縮放、旋轉、移動，便于精確定點(如圖4～6)。實現面部軟組織三維測量，包括52個標志點，129項測量項目，測量結束時直接輸出結果文檔。

2.2三維自動測量精度的比較研究

2.2.1正常面型顱面軟組織77項絕對值測量中，有統計學意義的占25項，包括16項線距，9項弧長;且主要為涉及下頜角點(gonion go)、耳屏上界切跡點(tragion t)的項目。角度測量均與直接測量法無顯著差異(見表1)。

2.2.2正常面型顱面軟組織48項比例指數差值中，有統計學意義的項目有14項，水平比例指數8項，垂直比例指數4項，水平與垂直比例指數2項，主要涉及t點、go點絕對值測量值與直接測量法有顯著差異項的比例指數，以及與弧長有關的比例指數項(見表2)。

2.2.3測量結果差值分布表，在60項線距測量項目中，測量差值小于1mm的有30項(占50%)，小于2mm的有41項(占68.3%);在17項弧長測量中，差值小于2mm的有6項，占35.3%(見表3)。

3討論

3.1自動測量:本系統通過激光掃描獲取面部軟組織三維信息重構面部三維模型，實現面部52個標志點的129項測量項目的自動測量，測量省時省力，適于大樣本研究面部軟組織三維形態。任意定點后也可以選擇即時測量進行任意兩或三點間線距、角度、弧長的測量，所有測量結果均自動生成數據文檔，利于后期數據統計分析。

3.2測量項目全面:本課題組前期的研究初步實現面部軟組織激光掃描三維重建及43個標志點的56項點距測量[3]。本系統是前期軟件的優化，具有測量項目較多較全的特點，包括52個標志點和129項測量。Aung[4]等人的激光三維測量系統包括41個標志點83個測量項目，其中表面測量17項。許天民等人[5]開發激光測量系統可進行13個定點，3項線距，2個角度測量。白玉興[6-7]等人利用數字化面部軟組織三維重建和測量系統可進行14項角度、13項線距、5項比率測量。另外，面部的平衡和協調，并不僅在于測量的角度、線距的絕對值，而是由于相互之間的比例關系所引起的，面部的比例更為重要[2]。本系統的測量項目包括比例指數48項，其中水平比例17項，垂直比例20項，水平與垂直比例11項。對于面部比例指數的測量，可以對面部形態進行更全面的測量分析研究。

3.3可視化效果好:本測量系統可視化效果較好，測量時可以對人面模型進行任意方向的旋轉，利于精確定點，如頦下點(gnathion gn)定點時可以將人面向上向后旋轉成仰視暴露頦下方而準確定gn點;可以對圖像進行任意放大和縮小，對于標志點比較密集的部位，可以對模型進行放大以保證視圖清晰、定點準確。定點數字提示順序，出現錯誤可及時糾正;所有操作采用菜單提示，人機交互使用，用戶使用方便。

3.4測量精度較高:激光三維掃描測量具有精度高，可重復性好的特點，Kau[8]的研究表明，首次面部的三維激光掃描與3s后掃描的形態差值為0.3mm，與3天后掃描的差值為0.4mm。Lynnerup[9]對激光掃描精度的研究表明，干頭顱的5個激光掃描測量項目與手工直接測量的差值均在1mm左右。Aung等[4]研發的激光掃描系統能以0.5mm的精度重建面部軟組織圖像，并進行41個標志點，83個項目的三維測量，30名志愿者的激光掃描測量和直接測量比較表明，有12項差值小于1.0mm(14.0%)，16項差值小于1.5mm(19.0%)。Kovacs[10]等人在嚴格控制掃描條件下，發現有50%的線距測量項誤差小于2mm。本研究通過對30位志愿者激光三維測量和直接測量的對比表明，在60項線距測量中，差值小于1mm的有30項(占50%)，小于2mm的有41項(占68.3%)。與國外學者Aung 和Kovacs研究相比，本系統具有更高的精確性。人體測量手冊要求人體測量誤差不超過2～3mm，本系統的三維測量精度，基本達到臨床要求。

本研究結果中仍有19項點距差值大于2mm(占31.7%)，17項弧長測量項目中差值小于2mm的僅有6項(占35.3%)。弧長的測量誤差與測量算法有關，有待在今后研究中進一步優化。點距誤差的產生與go、t點定點困難有關，go點需要觸摸方可在面部準確定點，在直接測量時能準確定位，而激光三維圖像只能通過視圖估計，因此定點誤差較大;在激光掃描三維重建圖像中，耳屏前區因頭發阻擋影響該處的重建可能會影響t點定點以及其相關項目的測量。今后的研究中可以進行go點掃描前貼反光材料和帶頭帽等處理降低定點誤差。

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[收稿日期]2009-12-02 [修回日期]2010-02-20

編輯/何志斌