不同年齡亞洲和歐洲人種女性3D面部形態對眼部光暴露水平的影響

黃麗婷，陳仁彤，李孟林，劉揚

（中國醫科大學公共衛生學院環境物理因素與健康教研室，沈陽 110122）

眼是人體光暴露的主要靶器官之一，角膜、晶狀體和視網膜很容易受到紫外線、可見光和紅外光的傷害［1］，長期的日光暴露可導致白內障、老年性黃斑變性、翼狀胬肉和氣候雨滴性角膜病變等［2］。影響光進入眼部的因素，除了大氣成分、太陽高度角（solar elevation angle，SEA）、緯度、海拔、云層、反射率外［3］，額骨和眼眶骨的結構也是重要因素之一［4］。前期研究［5］發現，由于亞洲和歐洲人種面部解剖結構，尤其是眉弓和眉間形態差異，可導致亞洲人眼部光暴露的風險更大。隨著年齡的增長，面部形態在皮膚、脂肪、肌肉和骨骼的共同作用下會發生衰老變化［6］，包括上眼瞼內側脂肪墊突出，鼻顴骨溝加深，面頰扁平凹陷，下頜溝加深［7］。為了探究年齡導致的面部形態學差異是否會影響眼部光暴露水平，本研究將采用FaceGen軟件構建25歲和60歲亞洲和歐洲人種女性3D面部形態學模型，并在3ds Max軟件中進行日光暴露模擬，以分析不同年齡面部形態學差異對眼部光暴露水平的影響。

1 材料與方法

1.1 不同年齡亞洲和歐洲人種女性3D面部形態學模型構建

以FaceGen Modeller［version Demo 3.14］軟 件（免費版）提供的亞洲和歐洲人種女性不同年齡（25歲和60歲）平均臉（Average Face）圖像數據庫為基礎，生成不同年齡3D頭部模型obj格式文件。將3D頭部模型分別導入Geomagic Studio12軟件和ZBrush 4R8軟件，經裁剪和去除模型頭部的“FG”標志后生成不同年齡3D面部形態學模型obj格式文件。導入3ds Max［version 2017］軟件，完成亞洲和歐洲人種女性不同年齡3D面部形態學模型構建。見圖1。

1.2 日光渲染

圖1 亞歐人種女性25歲和60歲3D頭部模型Fig.1 25 and 60 years old 3D head model of Asian and European females

1.2.1 渲染條件：在3ds Max軟件上將模擬日期設定為2019年6月21日（夏至日，SEA最大），模擬時間為CST 7：00到18：00，間隔15 min，時區設置為東八區；地理位置設置為三亞北緯18.416°，東經109.773°，北向設置為0；天氣條件設定為晴朗無云；模型中心位置坐標均為系統坐標（0，0，0）。

1.2.2 渲染方法：采用3ds Max軟件的日光系統，將太陽光和天光結合在一起。本研究中采用的太陽光組件為美國照明工程協會（Illuminating Engineering Society of North America，IES）太陽光，天光組件為IES天光。將構建好的日光模擬系統投射于亞洲和歐洲人種女性25歲和60歲3D面部形態學模型，調整指南針北向方向以保證模型旋轉起始方向為正對太陽，順時針旋轉，每6°輸出1幀動畫，旋轉1周360°共生成60幀動畫。

1.3 眼部瞳孔灰度值計算

應用MATLAB 2018a軟件打開上述渲染結果圖，編寫程序語句，讀取渲染結果圖片中左眼瞳孔暴露部位上45個像素點的灰度值及其平均值，將結果輸出至Excel文件。見圖2。

1.4 數據處理

采用Excel 2010和OriginPro 9軟件整理數據并作圖。

2 結果

2.1 不同年齡亞洲和歐洲人種女性眼部光暴露渲染圖差異

亞洲和歐洲人種女性25歲和60歲年齡模型左眼瞳孔部位的陰影區域的大小隨著SEA的增加逐漸增大；在相同SEA的條件下，60歲模型左眼瞳孔部位的陰影區域小于25歲模型；歐洲人種模型左眼瞳孔部位的陰影區域大于亞洲人種模型。見圖3。

圖3 25歲（左）和60歲（右）模型眼部光暴露渲染圖Fig.3 25-year-old（left）and 60-year-old（right）model ocular light exposure rendering

2.2 亞洲和歐洲人種女性不同年齡眼部光暴露灰度值差異

亞洲人種女性25歲和60歲年齡模型眼部日光暴露模擬灰度值在SEA＜60°時，隨旋轉角度變化差異不顯著，僅在旋轉角度為72°～96°和282°～288°之間時略有差異；當SEA為60°～80°時，具有差異的旋轉角度區間逐漸增大，在旋轉角度180°～360°區間范圍內，從282°～288°增加至282°～330°，且差異逐漸增大；當SEA為80°～85°區間范圍內，25歲模型眼部日光暴露模擬灰度值在旋轉角度0°～78°和294°～360°范圍內均低于60歲模型。而歐洲人種女性25歲和60歲年齡模型眼部日光暴露模擬灰度值在SEA＜30°時，隨旋轉角度變化差異不大，僅在旋轉角度為288°～294°之間時略有差異；當SEA為30°～65°時，具有差異的旋轉角度區間逐漸增大，在旋轉角度180°～360°區間范圍內，從288°～294°增加至288°～336°，且差異逐漸增大；在SEA65°～77°區間范圍內，25歲模型眼部日光暴露模擬灰度值在旋轉角度0°～66°和318°～360°范圍內均低于60歲模型；當SEA＞77°時，25歲和60歲年齡模型眼部眼部日光暴露模擬灰度值一直保持在最低值范圍內，且幾乎無差異。

25歲年齡模型中，當SEA＜30°時，亞洲和歐洲模型眼部日光暴露模擬灰度值隨旋轉角度變化差異不大；當SEA為30°～68°時，兩模型眼部日光暴露模擬灰度值具有差異的旋轉角度區間逐漸增大；當SEA為68°～85°范圍內，亞洲模型眼部日光暴露模擬灰度值逐漸減小直至最低值。而60歲年齡模型中，當SEA＜60°時，亞洲和歐洲模型眼部日光暴露模擬灰度值隨旋轉角度變化差異不大；當SEA為60°～76°時，兩模型眼部日光暴露模擬灰度值具有差異的旋轉角度區間逐漸增大，且歐洲模型眼部日光暴露模擬灰度值逐漸減小，直至最低值；當SEA為76°～85°范圍內時，亞洲模型眼部日光暴露模擬灰度值逐漸減小。見圖4。

3 討論

據統計，在有視力問題的個體中，女性約占67%，其中大多數年齡在50歲以上，且女性有較高的失明率［8-10］。白內障占全球所有失明原因的一半以上，全球范圍內女性白內障患病率高于男性［11］，因此，本研究選擇了女性作為研究對象。

圖4 不同SEA亞歐人種女性25歲和60歲模型眼部光暴露灰度值差異Fig.4 Differences in gray values between ocular light exposures of 25-year-old and 60-year-old females in Asian and European at different SEA

由于獲取同一人群不同年齡面部特征圖像十分困難，且難以對同一研究對象進行具有完全可比性的前瞻性研究，難以保證個體的代表性，故本研究采用了FaceGen［12-13］軟件中提供的亞洲和歐洲人種女性25歲和60歲3D平均臉作為研究對象，該軟件演繹了不同人種的平均臉不同年齡面部形態的變化過程，更具有人種及年齡面部形態學代表性。盡管本研究屬于計算機模擬非實證性研究，但本研究組的前期研究［5］證明了渲染模擬與實測研究具有人工設置時間和經緯度的靈活性和模擬條件的一致性，消除了實地監測時天氣狀態和地面附近建筑物對光入射眼角度等的影響，能夠很好地表達眼部光暴露隨SEA和旋轉360°時的變化規律。

眼部接收的入射光線會受到眉弓和眉間部位、面頰顴骨、鼻部等解剖結構的遮擋。本研究中，基于模型的渲染結果發現，亞洲和歐洲人種女性25歲和60歲模型之間面部形態學差異導致不同SEA下不同年齡模型眼部日光暴露模擬灰度值差異。當模型面向背對太陽方向時，25歲和60歲模型眼部日光暴露模擬灰度值相近，因此，推測亞洲和歐洲人種不同年齡模型之間的眼部日光暴露模擬灰度值的差異主要是由眉弓和眉間部位的解剖形態學差異引起。面部形態會隨著年齡的增長發生明顯的變化，尤以額頭部分變化顯著，眉間及顳部明顯出現進一步凹陷，眼周部位下瞼及鼻淚溝凹陷［14］，導致亞洲和歐洲人種女性60歲模型眼部日光暴露模擬灰度值大于25歲模型。說明在相同的日光條件下，同樣處于戶外環境，老年人群眼部光暴露危險性大于年輕人群，提示由年齡導致的面部形態變化有可能在加劇眼部光損傷過程中起一定作用。本研究還發現，由于歐亞人種之間存在面部形態學差異，歐洲人種眉骨發達，眼眶上脊突出，眼裂較長，鼻梁高聳，而亞洲人種則眉骨、眼角間距、臉部和鼻子較寬，鼻梁較為塌陷［15］，盡管歐洲人種女性不同年齡模型眼部日光暴露模擬灰度值差異較大，而亞洲人種女性年齡模型之間眼部日光暴露模擬灰度值差異較小，但在相同年齡條件下，亞洲人種眼部光暴露危險性仍大于歐洲人種。