面部軟組織變化規(guī)律的激光三維掃描研究

國內(nèi)外的口腔正畸、正頜外科以及整形外科學(xué)者一直關(guān)注面部軟組織形態(tài)的三維測量技術(shù)研究[1]，包括上世紀(jì)七八十年代出現(xiàn)的三維頭影測量(3D Cephalometry)、直接測量法(Direct measurement)、莫爾云紋(Moire Techniques)和常規(guī)CT掃描(Conventional CT scans)，但因操作費(fèi)時(shí)、軟組織顯示不佳、精確度差、有射線和偽影等阻礙了研究的發(fā)展；繼而立體攝影測量(Stereo-photogrammetry)、激光掃描(Laser scanning)、形態(tài)分析法(Morphanalysis)等三維測量技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)與電子技術(shù)的進(jìn)步迅速發(fā)展。其中，三維掃描激光能快速準(zhǔn)確地?cái)?shù)字化記錄面部軟組織外形，無創(chuàng)并且操作簡單，已成為學(xué)者們對三維測量技術(shù)的研究熱點(diǎn) [2-6]。

1激光三維掃描測量方法的建立

1.1 基本原理：激光三維掃描是一種非接觸式的三維測量技術(shù)，以激光三角法為理論基礎(chǔ)，由激光投射器將結(jié)構(gòu)光投射到物體上，受其表面曲度或深度的調(diào)制產(chǎn)生特征性光條紋，利用電荷耦合器圖像傳感器(Charge-coupled Device，CCD)攝像機(jī)攝取數(shù)字圖像，根據(jù)激光束的發(fā)射角度和特征性光條紋在CCD內(nèi)成像位置參數(shù)、空間方向，通過三角法測量原理計(jì)算標(biāo)志點(diǎn)的距離以及位置坐標(biāo)，獲得被測物體表面的三維輪廓信息。

1.2 掃描方法及三維圖像的獲取：相同環(huán)境下將激光掃描儀放置于平坦地面上，選擇特定鏡頭角度和焦距。掃描時(shí)采用自然頭位(Natural head position， NHP)并予以固定，面部軟組織保持放松狀態(tài)，下頜處于息止牙合位。在計(jì)算機(jī)軟件的輔助下相互拼接生成三維圖像，作標(biāo)志點(diǎn)間的測量，用等高彩色分布圖直觀地反映重疊圖像的變化（見圖1）。

1.3 掃描的頭姿勢位：學(xué)者們認(rèn)為同一對象在自然頭位下任何時(shí)間的頭影測量數(shù)據(jù)都具有可比性[3，6-14]。早在19世紀(jì)50年代，Downs[12]首先將自然頭位的概念引入了正畸界。有研究證實(shí)青少年NHP重復(fù)性誤差僅為2°，3～6個(gè)月后變化為2.34°，而5年后穩(wěn)定性平均達(dá)到3.04°[13-14]，2008年，David [15]再次證實(shí)NHP在各個(gè)顱面參考平面中是相對穩(wěn)定的。近5年文獻(xiàn)報(bào)道中Hajeer、Kau CH、Baik和Alves等[3，5-11]多位學(xué)者同樣采用自然頭位，進(jìn)行激光三維掃描記錄和測量面部軟組織的研究。

2精確度與可重復(fù)性的研究

激光掃描是非接觸式測量技術(shù)的一個(gè)新領(lǐng)域，其對面部軟組織評價(jià)的精確度已接近于接觸式測量。龍麗華等[17]選取28名正常牙合與直接測量法進(jìn)行比較，56項(xiàng)點(diǎn)距測量中僅1項(xiàng)存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。早期Budi和Carla[18]報(bào)道Minolta激光掃描儀精確度平均達(dá)（1.9±0.8）mm。1996年，Bush和Antonyshyn[19]利用石膏頭模證實(shí)三維精確度達(dá)0.6mm以上，面部各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)可靠。2007年，俞哲元等[20]測量227例圖像發(fā)現(xiàn)額、顳、顴、頰、眶下、下頜部位精確度最佳，鼻底、頦底、外耳等外形轉(zhuǎn)折或者處于倒凹區(qū)較差。2009年，Toma等[10]研究30例圖像，測量21個(gè)標(biāo)志點(diǎn)在x-y-z軸上的63個(gè)坐標(biāo)值，發(fā)現(xiàn)10個(gè)標(biāo)志點(diǎn)精確度達(dá)到1mm以上，總變化范圍0.39～1.49mm。2010年，Hyoung-Seon和Soo-Yeon[5]證實(shí)10例圖像正中矢狀面的測量與二維軟組織測量沒有顯著性差異。

臨床上，面部的激光掃描受到患者的頭位、本身輪廓外形、面部肌張力、頜位、眼睛運(yùn)動(dòng)和呼吸運(yùn)動(dòng)等影響。2004年，Hajeer、Ayoub和Millett[7]根據(jù)鏡面原理測量面部19個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的不對稱性，發(fā)現(xiàn)了雙頜手術(shù)鼻尖和頦部最凸點(diǎn)可重復(fù)性好。Toma等[10]發(fā)現(xiàn)上唇紅緣最上點(diǎn)可重復(fù)性最好，瞼緣最上點(diǎn)最差，邊界線比平坦斜面上的標(biāo)志點(diǎn)好，它強(qiáng)調(diào)了標(biāo)志點(diǎn)特征性、定義的準(zhǔn)確性與重復(fù)性密切相關(guān)。

3臨床應(yīng)用范圍

20世紀(jì)90年代，激光三維掃描技術(shù)開始應(yīng)用于面部軟組織的形態(tài)學(xué)研究，包括生長發(fā)育[21-22]、正常人群顱面三維數(shù)據(jù)測量[11]、顱頜面部手術(shù)和非手術(shù)治療臨床療效評估等。正頜手術(shù)前后面部軟組織的變化規(guī)律是治療效果的直觀反映，直接影響療效評價(jià)的成敗，而術(shù)者對于硬組織的評價(jià)和把握往往優(yōu)于其表面所覆蓋的軟組織。分析原因主要是與軟組織和骨面及牙列的貼合程度，硬組織的外形，軟組織本身的形態(tài)、彈性、厚度及肌肉的附著有關(guān)[3，5-7，24-25]。對于術(shù)后代償性的軟組織改建恢復(fù)穩(wěn)定所需時(shí)間尚未明確，目前多數(shù)研究選擇術(shù)后6個(gè)月的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行比較[5-9，16，24-25]。

3.1 評價(jià)鼻部及面中部的變化

3.1.1 矢狀向變化：2004年，Hajeer、Ayoub和Millett[7]研究44例骨性III類或II類病例術(shù)前、術(shù)后1個(gè)月、術(shù)后3個(gè)月和術(shù)后6個(gè)月的掃描圖像，發(fā)現(xiàn)上頜骨旋轉(zhuǎn)前移或者上抬可能導(dǎo)致鼻尖點(diǎn)的偏斜，鼻底的增寬，他認(rèn)為是由于Le Fort-I截骨線在鼻底，上頜前移時(shí)鼻中隔的彎曲和提口角肌、鼻部肌肉的牽拉引起的。2008年，Emeka 等[25]研究了20例顴-面中部發(fā)育不足病例，單上頜前移后軟硬組織變化。結(jié)合頭顱定位側(cè)位片測量硬組織移動(dòng)幅度，還特別提出軟組織旁矢狀面的評估。正中矢狀面上軟硬組織改變比例為80%±94%，旁矢狀面上達(dá)到95%左右，所以認(rèn)為Lefort-I 前移能很好改善顴-面中部的發(fā)育不足。2010年，Hyoung-Seon和Soo-Yeon[5] 將20例III類錯(cuò)牙合、20例雙頜手術(shù)（上頜前移1.0～3.0mm，下頜平均后退8.3mm或8.5mm），根據(jù)是否頦成形均分為兩組，證實(shí)兩組軟硬組織水平向的變化比例沒有顯著性差異，鼻旁區(qū)比鼻下區(qū)變化明顯，鼻翼下方比口角上方變化明顯；鼻翼向前向兩側(cè)移動(dòng)，鼻部增寬2mm，鼻部的橫向突度增大。

3.1.2 垂直向變化：2010年，Minji等[6]測量35例單下頜后退病例，分析軟組織變化與下頜后退量、垂直向頜骨生長型、是否頦成形上抬的相關(guān)性。結(jié)果顯示高角面型組（SN-GoGn≥35°）鼻旁區(qū)、頰中部、頰下部突度的增加大于均角面型組（SN-GoGn＜35°）。學(xué)者認(rèn)為原因是面中部軟組織隨著下頜骨、下唇和頦部向后的移動(dòng)，出現(xiàn)向后下方代償性的松弛。

3.2 評價(jià)唇頰部及頦部的變化：對于單頜手術(shù)的病例，1999年，Nobuo 等[16]研究12例BSSRO后退病例的口周軟組織變化，采用鼻底標(biāo)志點(diǎn)重疊圖像計(jì)算軟組織變化的體積，證實(shí)上唇區(qū)軟組織出現(xiàn)代償性松弛，后退比例是下唇區(qū)的九分之一。2010年，Minji等[6]同樣認(rèn)為大幅度下頜后退病例（＞7mm）上唇向后下移動(dòng)、長度增加，在高角面型組中更明顯，是因?yàn)樾g(shù)前上唇部軟組織較松弛，術(shù)后下切牙對上唇的擠壓引起的；口裂點(diǎn)和下唇下移，口裂寬度減小，下唇突度減小，其他線距和角度不同頜骨生長型組間沒有差異。對于雙頜手術(shù)的病例，2004年，Murat 和Mohammad[24]分析46例骨性III類病例（其中下頜平均后退2.86mm），測量鼻唇部、口角區(qū)、頦部10個(gè)區(qū)域和11個(gè)側(cè)貌標(biāo)志點(diǎn)的改變方向及其比例，結(jié)果顯示鼻下-上唇區(qū)前移80%、上唇紅區(qū)70%、口角上方區(qū)45%；術(shù)后鼻唇角增大且接近直角。2010年，Hyoung-Seon和Soo-Yeon [5]研究發(fā)現(xiàn)20例上頜前移1.0～3.0mm，下頜平均后退8.3mm或8.5mm，病例唇上點(diǎn)向上移動(dòng)，口角向后下移動(dòng)，唇上點(diǎn)至口角距離增寬1.47～2.24mm，口裂和人中不增寬，唇部的橫向突度增大。

頦成形方式與下唇及頦部軟組織變化密切相關(guān)。Hyoung-Seon 和Soo-Yeon [5]證實(shí)頦成形前移組頦部和頦唇溝區(qū)域比口角下方變化明顯，頦部的后退量減少。2010年，Minji等[6]指出頦成形（平均上抬4.5mm、前移0.58mm）會(huì)引起頦唇溝的加深量減小。不接受頦成形病例組，Murat和Alves等[3，24]均認(rèn)為軟組織頦前點(diǎn)后退幅度幾乎達(dá)到100%，較好地反映了頦部肌肉、口輪匝肌和硬組織下頜手術(shù)后的變化。Murat和Mohammad[24]發(fā)現(xiàn)90%骨性III類雙頜手術(shù)病例的頦唇溝有加深，其分析原因是受上下唇自然封閉、口輪匝肌附著位置的影響。不同手術(shù)方式具有相同的特征性改變。2009年，Alves等[3]、2010年，Hyoung-Seon 和Soo-Yeon 、Minji等[5-6]以等高彩色分布圖直觀地顯示不同圖像重疊后從正中向兩側(cè)呈貝殼狀三維改變，變化幅度對稱地逐漸減小。

3.3 評價(jià)面部垂直比例變化的應(yīng)用：骨性III類牙合平面的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)和下頜沿上頜牙合平面的后退都會(huì)引起面下高度的減小。然而，2004年，Murat和Mohammad[24]認(rèn)為三維激光掃描對下頜自動(dòng)旋轉(zhuǎn)量和垂直向變化量軟組織評價(jià)能力較差，而且小幅度的Lefort-I截骨術(shù)上頜上抬對軟組織影響也不存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。2010年，Hyoung-Seon和Soo-Yeon [5]同樣提出了該測量技術(shù)對于面部垂直向評價(jià)的不準(zhǔn)確性。

3.4 評價(jià)偏頜畸形變化的應(yīng)用：1999年，Nobuo等[16]證實(shí)了12例BSSRO下頜后退病例中，上唇區(qū)不對稱改變主要是覆蓋小、下頜后退幅度小研究組；下唇區(qū)與面部不對稱性、牙列的移動(dòng)密切相關(guān)。2004年，Hajeer、Ayoub和Millett[7]根據(jù)鏡面原理測量面部19個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的不對稱性，證實(shí)正頜手術(shù)能明顯減小面部不對稱性指數(shù)，隨訪6個(gè)月后數(shù)據(jù)無顯著性變化。2009年，Toma 等[10]發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重偏突頜畸形病例在手術(shù)周圍的顴弓區(qū)，患側(cè)和健側(cè)軟組織呈相反方向的代償性移動(dòng)。這些結(jié)論均說明了三維激光掃描可有效地研究偏頜畸形面部軟組織的改變。不同的是，2008年，Emeka等[25]發(fā)現(xiàn)部分上頜手術(shù)擺正傾斜牙合平面的病例中，不出現(xiàn)兩側(cè)顴-面中部軟組織明顯變化，變化量大于5cm3時(shí)仍然沒有顯著差異。

3.5 正頜術(shù)后腫脹的消退：Kau 、Cronin等[8-9]研究12例骨性錯(cuò)牙合畸形6個(gè)時(shí)期的面部掃描圖像：術(shù)前、術(shù)后第1天、術(shù)后1周、術(shù)后1個(gè)月、術(shù)后3個(gè)月和術(shù)后6個(gè)月，以術(shù)后6個(gè)月為參照，等高彩色云紋圖顯示結(jié)論：術(shù)后第1天雙頜手術(shù)平均消退1.63mm，單頜手術(shù)平均為1.30mm；術(shù)后6個(gè)月減小到0.50mm和0.64mm，證實(shí)雙頜手術(shù)比單頜手術(shù)面部軟組織腫脹消退更快；不管什么手術(shù)方式術(shù)后1天腫脹最明顯，術(shù)后1個(gè)月腫脹減少60%以上，術(shù)后3個(gè)月恢復(fù)接近83%。至今還沒有更長期隨訪的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。

綜上所述，激光掃描技術(shù)是一種直觀、無創(chuàng)、快速的三維測量方法，可數(shù)字化地記錄面部軟組織外形，準(zhǔn)確評價(jià)正頜手術(shù)前后軟組織的三維變化。實(shí)現(xiàn)其與硬組織數(shù)字化結(jié)合而建立強(qiáng)大的測量分析系統(tǒng)是現(xiàn)今三維測量技術(shù)的熱點(diǎn)。

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[收稿日期]2010-11-29 [修回日期]2010-01-30

編輯/李陽利