光學(xué)三維表面成像技術(shù)的臨床應(yīng)用進展

鐘業(yè)宏 楊斌

【提要】 精確且高效的人體學(xué)測量方法是整形外科不可或缺的重要手段。既往常用的直接測量法及二維攝像測量法精確度低、可重復(fù)性差，已不能滿足目前精準醫(yī)學(xué)的需求。近年來，隨著光學(xué)技術(shù)高速發(fā)展，光學(xué)三維表面成像技術(shù)逐漸應(yīng)用于臨床，并已成為面部軟組織量化分析的重要手段。本文就光學(xué)三維表面成像技術(shù)的發(fā)展歷程、技術(shù)原理、成像精度、臨床應(yīng)用及未來的發(fā)展方向進行綜述，為進一步拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域提供新思路及參考依據(jù)。

對于同時兼顧形態(tài)美學(xué)及功能的整形外科，精確且高效的人體學(xué)測量手段是不可或缺的重要手段。既往常用的測量方法單一，主要采用直接測量法及二維攝像測量法進行量化分析，但對于面部軟組織等可讓性較大的目標部位，直接測量法易致其發(fā)生形變，造成較大的測量誤差且測量可重復(fù)性差；二維攝像測量法雖為非接觸性手段，但易受光線、焦距、焦點范圍、物距等攝像客觀條件影響，產(chǎn)生點位深度差，測量準確性難以保證[1]。近年來，隨著光學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，非接觸性的光學(xué)三維表面成像技術(shù)有望解決上述問題并被廣泛應(yīng)用于臨床，如群體美學(xué)量化分析[2]、特殊解剖部位的動態(tài)分析[3]、面部表型及基因型聯(lián)系研究等[4]。目前，光學(xué)三維表面成像技術(shù)在面部軟組織分析領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛，本文就光學(xué)三維表面成像技術(shù)發(fā)展歷程、技術(shù)原理、成像精度、臨床應(yīng)用及其未來發(fā)展方向進行綜述，為進一步拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域提供新思路及參考依據(jù)。

1 三維表面成像發(fā)展歷程與光學(xué)三維表面成像技術(shù)

三維表面成像是指通過各種不同介質(zhì)對被觀察物體表面進行掃描成像，從而得出其在三維空間坐標并進行分析的過程；光學(xué)三維表面成像則是利用結(jié)構(gòu)光、激光等光源介質(zhì)，對物體表面進行投射掃描，從而生成包含空間位置、深度、顏色等信息的三維圖像的一種技術(shù)。

光學(xué)三維表面成像技術(shù)是由三維表面成像技術(shù)發(fā)展而來。1944 年，三維表面成像技術(shù)應(yīng)用于嬰兒Pierre-Robin 綜合征[5]，標志著該技術(shù)首次應(yīng)用于臨床。隨后，圖像融合技術(shù)、摩爾條紋法、液晶掃描、視屏系統(tǒng)[6]等技術(shù)也被嘗試性應(yīng)用于患者三維成像。上述技術(shù)雖然均可獲得三維圖像并進行分析，但因耗時長，成像質(zhì)量不一，成本難控等不足，無法廣泛應(yīng)用于臨床。1967 年，立體攝像技術(shù)的出現(xiàn)為光學(xué)三維表面成像技術(shù)提供了初步的理論及技術(shù)基礎(chǔ)[7]。21 世紀初，隨著激光、結(jié)構(gòu)光等光學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，3dMD、Canfield、Crisalix、Dimensional Imaging（Di3D）和Axisthree 等光學(xué)三維表面成像系統(tǒng)開始廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

2 光學(xué)三維表面成像技術(shù)原理

光學(xué)表面成像技術(shù)由結(jié)構(gòu)光技術(shù)及立體攝影技術(shù)組成[8]。結(jié)構(gòu)光技術(shù)利用結(jié)構(gòu)光投射器向被觀察物體表面投射光點、光柵、光面結(jié)構(gòu)，由圖像傳感器獲取圖案，經(jīng)計算機處理生成形狀數(shù)據(jù)，并填充相關(guān)的顏色和紋理信息，從而得到三維圖像[9]；立體攝影技術(shù)則是通過兩個或兩個以上攝像機對被觀察物體進行特定角度拍攝，創(chuàng)建一個立體對，并在同一時間記錄深度，通過計算機建立精確的三維幾何模型，填充顏色和紋理信息后得到三維成像。其中，立體攝影技術(shù)可分為主動法、被動法和混合法三種[10]。主動法基于結(jié)構(gòu)光技術(shù)，將特定光波圖像投射于被觀察對象表面，用兩個以上鏡頭捕捉光波在物體表面的變形，通過計算捕捉每個二維點的三維坐標后運用三角測量法得到三維成像；被動法則是通過在不同方向地點設(shè)定多個攝像機對被觀察對象進行多角度同步拍攝，然后直接進行數(shù)字合并從而獲得三維成像；混合法則是同時運用主動法及被動法技術(shù)，以獲得更為精準的三維成像[10]。

3 光學(xué)三維表面成像技術(shù)精度及優(yōu)勢

目前光學(xué)三維表面成像技術(shù)的精確性已經(jīng)得到多方驗證[11]。不同三維掃描系統(tǒng)因自身光學(xué)成像方式不同，成像精度略有差別（如3dMD Face 系統(tǒng)掃描誤差<0.2 mm，Axisthree 掃描系統(tǒng)誤差<0.5 mm，Di3D 掃描系統(tǒng)誤差≤0.2 mm），但光學(xué)三維表面成像系統(tǒng)精度均顯著高于直接測量法等傳統(tǒng)方法。與此同時，光學(xué)三維表面成像技術(shù)掃描速度快，單次成像速度可達1.5 ms。基于其高速成像特性，光學(xué)三維表面成像技術(shù)還可進行三維動態(tài)掃描，并對特殊部位進行動態(tài)追蹤分析[12]，填補了動態(tài)人體學(xué)測量的空白。3dMD dynamic 和Di4DTM為目前常用的光學(xué)三維表面動態(tài)掃描系統(tǒng)，其中3dMD dynamic 動態(tài)捕捉速度可達60 幀/秒，最高可持續(xù)錄制10 min 動態(tài)視頻；專業(yè)級別Di4DTM動態(tài)捕捉速度可高達500幀/秒。動態(tài)掃描結(jié)束后，可將目標動作逐幀分解并根據(jù)其世界空間坐標系進行進一步量化分析。此外，光學(xué)三維表面成像技術(shù)是投射結(jié)構(gòu)光等光學(xué)介質(zhì)于物體表面，接受反射信息后直接于計算機上生成三維圖像，從而可有效避免因焦距、物距等攝像條件造成的成像質(zhì)量不佳，并可多方向、多維度查看被掃描對象。

4 光學(xué)三維表面成像技術(shù)的臨床應(yīng)用

光學(xué)三維表面成像技術(shù)的應(yīng)用不僅局限于掃描成像，其更多起到的是臨床科研工作的基礎(chǔ)基石作用，目前主要通過其延伸配套的測量技術(shù)、術(shù)前設(shè)計三維編輯等給臨床及科研工作提供強大的客觀支持。以下介紹光學(xué)三維表面成像技術(shù)的具有啟發(fā)性的臨床應(yīng)用。

4.1 在口腔正畸的應(yīng)用

目前，3dMD 系統(tǒng)主要用于評估及模擬正畸系列治療的軟組織變化情況，制定最佳的治療方案，便于在矯治過程中對方案進行調(diào)整。Akan 等[13]通過使用頭顱射線照片及三維掃描圖像，對20 例應(yīng)用新型矯治器的患者進行面部軟組織分析，得出的面部三維掃描結(jié)果具有傳統(tǒng)頭顱測量相似的準確度和精確度。張晨等[14]通過使用三維掃描技術(shù)對正畸患者拆除矯治托槽前后的軟組織容量變化進行對比分析，發(fā)現(xiàn)唇側(cè)托槽拆除后患者雙側(cè)口角上下唇中點均存在一定程度的內(nèi)收。通過三維掃描技術(shù)對正畸患者面部軟組織變化全程監(jiān)控，能最大限度保證術(shù)后效果及治療后滿意度，減少術(shù)后并發(fā)癥。

4.2 在整形美容的應(yīng)用

3dMD 三維掃描系統(tǒng)目前主要應(yīng)用于整形外科中面部不對稱容量分析、頜骨術(shù)后鼻唇溝軟組織容量分析、面癱術(shù)前術(shù)后評估、葡萄酒色斑型血管瘤術(shù)后療效評估[15]、特定人群人體學(xué)測量制定客觀標準等。Sander 等[4]對165 例受試患兒（6歲兒童）分別采用直接測量法、二維攝影、三維掃描的方法進行軟組織測量，結(jié)果表明三維掃描法是目前應(yīng)用于兒童面部軟組織定量分析最穩(wěn)定可靠的手段。Zhong 等[12]通過對150例漢族女性鼻翼進行動態(tài)量化分析，總結(jié)出漢族女性人群鼻翼動度參考值范圍，首次闡述了鼻翼動態(tài)美學(xué)的標準。通過獲取三維圖片可與整形美容患者進行術(shù)前可視化溝通及方案設(shè)計，制作個性化術(shù)中導(dǎo)板應(yīng)用于整形美容手術(shù)[16]，極大提高醫(yī)患溝通效率及術(shù)后滿意度。

4.3 在精神病學(xué)及心理學(xué)方面的應(yīng)用

Aldridge 等[17]通過對青春期自閉癥患者與正常青春期受試者面部形態(tài)進行三維掃描及差異分析，發(fā)現(xiàn)自閉癥患者表現(xiàn)出與正常發(fā)育受試者不同的面部表型，提示通過面部結(jié)構(gòu)的研究可能揭示導(dǎo)致自閉癥的生物學(xué)途徑。同時，這也提示面部表型可廣泛應(yīng)用于多種神經(jīng)發(fā)育和其他疾病的臨床診斷，為鑒別罕見病以及基因型與表型之間的聯(lián)系提供重要的研究工具。

4.4 在耳鼻喉疾病方面的應(yīng)用

三維掃描系統(tǒng)目前主要應(yīng)用于阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征（OSAHS）的評估與預(yù)測。Lin 等[18]通過對38 例確診OSAHS 患者進行三維CT 掃描及面部三維掃描，并測量OSAHS嚴重性相關(guān)指標，結(jié)果顯示二者結(jié)果高度一致，提示可通過使用無放射性的三維掃描系統(tǒng)輔助診斷OSAHS。Eastwood等[19]對確診為無、輕、中、重度OSAHS 患者各100 例進行三維掃描并測量嚴重性相關(guān)指標，測量后對數(shù)據(jù)進行客觀分度及配對，結(jié)果表明三維掃描測量后診斷與原診斷配對結(jié)果準確率高達91%。以上研究結(jié)果均提示三維掃描應(yīng)用于OSAHS的診斷，具有高準確性、可重復(fù)性及可推廣性，提示光學(xué)三維表面成像技術(shù)可在某些特定領(lǐng)域（如顱頜面畸形患兒的氣道評估等）替代傳統(tǒng)的放射性檢查，從而避免放射性輻射。

綜上所述，光學(xué)三維表面成像技術(shù)可應(yīng)用于人體學(xué)測量的動靜態(tài)量化研究，術(shù)后療效分析、術(shù)前數(shù)字化設(shè)計、特殊病種表型與基因型之間的相關(guān)性研究，以及放射性影像替代研究等領(lǐng)域，具有較強的臨床推廣及應(yīng)用價值。但是，光學(xué)三維表面成像技術(shù)設(shè)備費用昂貴、人力資源需求量大、操作相對復(fù)雜，這些問題限制了其進一步縱向普及。目前，國產(chǎn)光學(xué)三維表面掃描系統(tǒng)（如FC BodyScan 等）的研發(fā)取得了極大進展，設(shè)備費用有望大幅降低，積極地推進了光學(xué)三維表面成像技術(shù)的應(yīng)用。

5 展望

與傳統(tǒng)的直接測量法及二維照相測量法不同，光學(xué)三維表面成像技術(shù)具有可動態(tài)掃描、掃描速度快、非接觸、無形變、成像精確、成像質(zhì)量高、可重復(fù)性強、數(shù)據(jù)處理簡捷等優(yōu)勢。已逐漸應(yīng)用于整形外科、口腔科等的術(shù)前術(shù)后檢查，除了可對患者術(shù)后療效進行精準客觀分析外，也相當(dāng)于建立了高質(zhì)量面部特征動靜態(tài)數(shù)據(jù)庫，基于各掃描系統(tǒng)可隨時對存檔三維資料進行測量、處理及分析，并開展相關(guān)研究；并且，高質(zhì)量的三維圖像數(shù)據(jù)庫可作為訓(xùn)練集進行有監(jiān)督性的機器學(xué)習(xí)[20-21]，從而構(gòu)建目標人工智能模型，實現(xiàn)智慧精準醫(yī)療。循證醫(yī)學(xué)已成為醫(yī)學(xué)發(fā)展的核心方向，客觀、全面、精確的量化數(shù)據(jù)分析是必須的客觀前提。對于整形外科而言，既往單一的術(shù)前術(shù)后二維圖像已不能滿足發(fā)展的需要，精準的光學(xué)三維表面成像技術(shù)既能提供直觀的多維度圖像，又能通過其內(nèi)在空間位置數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)提取量化分析，可為個性化極強的整形外科的循證醫(yī)學(xué)構(gòu)建提供積極幫助。

數(shù)字化精準醫(yī)療是整形外科未來發(fā)展的必要手段，目前在骨組織整形領(lǐng)域已應(yīng)用廣泛，如計算機導(dǎo)航輔助治療骨纖維異常增生癥[22]、面部輪廓整形術(shù)中導(dǎo)板設(shè)計、植入物的個性化定制等臨床應(yīng)用，進一步降低手術(shù)風(fēng)險、提高手術(shù)精確性及術(shù)后滿意度。光學(xué)三維表面成像技術(shù)主要獲取軟組織數(shù)據(jù)，利用該技術(shù)可視化、高還原性特點，與患者進行術(shù)前溝通設(shè)計，極大地提高了患者地參與性與互動性。根據(jù)最終手術(shù)方案制作術(shù)中軟組織導(dǎo)板輔助手術(shù)，實現(xiàn)個性化精準整形。綜上所述，光學(xué)三維表面成像技術(shù)是數(shù)字化精準醫(yī)療于軟組織領(lǐng)域應(yīng)用的先決條件，進一步了解及拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，可為軟組織數(shù)字化設(shè)計發(fā)展提供更全面、更有力的支持。