三維立體攝影測量技術與正畸

胡潔瓊,李青奕

面部軟組織、面部骨骼以及牙列是正畸中的三要素[1],而覆蓋于硬組織之上的軟組織往往比硬組織本身更有意義[2]。如今正畸醫生遇到越來越多基于美學要求前來就診的患者,治療需求的轉變意味著正畸醫生需將診斷治療重點放在面部軟組織上,這要求醫生對于面部軟組織特征有更深層次的理解[3]。頜面軟組織分析與正畸治療的美學效果和治療穩定性關系密切[4]。正畸醫生通常通過攝影圖片來輔助進行美學診斷以及評估患者矯正前后的美學情況。以前正畸醫生通常使用二維成像圖片來進行診斷,但二維圖像無法獲得面部結構的深度信息。三維立體攝影測量技術從舊的攝影測量技術演變而來,可以對患者進行更全面和準確地評估。該技術成像可從任何角度觀看并測量,并且隨著計算機技術的飛速發展,出現了新一代的計算機立體攝影測量技術,可以使捕獲和成像過程更快、更簡單、更準確[5]。綜上,立體攝影測量技術是正畸醫生進行診斷與分析的重要工具,因此了解其原理、應用、精確程度、優缺點以及未來發展方向對于正畸醫生來說很有必要。

1 發展史

三維攝影技術是將不同角度拍攝的一個物體的多個圖像組合成一個三維形貌,自1922年開始應用于口腔領域[5]。Thalmann于1944年首次報道其在臨床中用作正畸診斷輔助工具,它記錄了正畸治療后的面部變化。但在當時,由于拍攝過程耗時、圖像質量不佳以及難以預估的損耗,口腔科未將其作為普遍使用的工具。20世紀60年代,Burke等[6]受等高線的啟發,提出從二維照片中提取面部深度來對面部進行三維分析,后Cutting等[7]對通過表面成像獲得的三維模型進行了首次測量。1988年,數字工具的發展逐漸使獲得高清圖像成為可能。具有虛擬手術室(virtual operating room,VOR)的三維虛擬規劃軟件程序于20世紀80年代末被引入信息技術革命,使這些軟件模塊得到了重大改進。三維成像技術在20世紀90年代迅速發展并且在口腔科中,特別是在正畸科中占據了非常重要的地位(圖1)[8]。2001年,白玉興等研發了可應用于正畸臨床診斷的數字化三維重建和測量系統,進行頜面部軟組織結構的三維測量研究[9]。Hajeer等[10-11]在2002年開始運用立體攝影技術,對正頜術后的患者組織進行掃描評估。2013年Skvara等[12]介紹了一種由法國Valbonne公司開發的新三維攝像機技術(LifeVizTM),該軟件基于絕對標定的立體視覺技術,用了一種獨特的雙閃光系統(專利申請中),采用了所謂的“反交叉偏振”,在很大程度上避免其他立體攝影測量系統中常見的鏡面反射引起的問題。在過去的20年里,包括結構化照明和立體攝影測量在內的光學系統的進步,使得三維表面成像耗時更少,能夠生成精確的三維表面圖像,有效地處理大量數據格式,并且更容易獲取患者信息。近年來,四維技術得到發展,用以研究面部表情的動力學。這些最新技術為通過疊加軟組織、面部骨骼以及牙列來構建虛擬患者的新嘗試鋪平了道路[13]。三維成像技術經過一百年的發展,如今得以在正畸領域中廣泛且日常應用。

由兩個同步的Rolleiflex 6006 SLX組成,相距50 cm固定在支架上,并以15°的角度相向放置[14]

2 原 理

三維攝影基本技術分為結構光和立體攝影兩類,因結構光技術不是本文闡述重點,故不作具體介紹。立體攝影又分為三種不同的模式:主動式、被動式以及混合式[12]。在現代三維立體攝影中,光學傳感器從不同角度捕獲二維圖像,然后將之重建為數字模型。一個物體表面的三維重建最少需要兩張二維圖像。當兩個傳感器(S1,S2)的相對位置和方向確定時,圖像表面特定點的位置,便被定義為與連接兩個焦點(F)的基線的距離(H)。該距離由兩幅圖像(D1,D2)之間的視差得出,通過擴展運用該原理便可以得到圖像表面特定點的3D(x,y,z)坐標。在由以點為單位構成的圖像中,物體表面由單個空間位置的非結構化數據集描述,也稱為點云。而在基于多邊形網格的圖像表示中,三維曲面被劃分為網格單元,那么曲面便可以被描述為由直線段包圍的空間點和面的集合。由此產生的數字模型稱為網格。在這種數字模型中,空間點被稱為頂點,連接相鄰頂點的線段被稱為邊。三維模型的質量高低取決于構成表面的網格單元的數量和大小。為了能夠客觀分析圖像,數據的標準化非常重要,所以需要進行圖像的預處理。預處理方法通常包括分析前網格的一致性識別、修復、清除、重采樣和配準。在需要使用的區域中網格應沒有偽影。因此,三維網格的評估最好在采集之后立即進行,以便能夠及時重新拍攝圖像。之后就可以對獲得的模型進行優化。根據對象的大小和系統的分辨率,網格由不同數量的頂點組成。通過重新設定網格,每個圖像可以用相同數量的頂點表示。對于大多數分析方法,輸入的數據需要具有一致的格式[15]。

3 使用方法

三維成像系統是一個模塊化的三維圖像捕獲系統,旨在捕獲和處理立體圖像。一般來說,系統由兩個艙組成,每個艙內包含數臺攝像機和閃光燈或者是投影儀[2,16]。

拍攝照片時,要求患者摘取可能干擾拍攝過程的珠寶首飾,將頭發別于耳后或佩戴尼龍防護帽,以防遮住耳朵和額頭,同時患者處于自然頭位,睜開眼睛,輕閉嘴唇,面部表情自然放松[17]。為了使患者處于自然頭位和并保持習慣性咬合,可以讓患者進行吞咽并使下頜保持在吞咽時的位置,同時用日常的表情看著鏡子中的自己。

拍攝完畢后,使用相應的軟件程序打開圖像,確定拍攝圖像達到要求后,導出為“Wavefront Object”文件(.obj文件),以便在相應的圖像處理軟件上進行進一步測量分析[2]。

數據處理取決于系統的類型、設置和主題,為了客觀分析,數據的標準化是至關重要的。因此某些主動測量系統比如Vectra-3D系統需要校準,通常每天進行1次,每次需要2～3 min[18]。

如今隨著三維立體攝影測量技術的臨床應用增加,市面上三維攝影測量設備多種多樣,目前使用的主流設備包括CAM3D、C3D、Axis Three、Canfield Scientifield、CRISALⅨ、DI3D和3dMDFace(表1)。由于三維表面成像系統在技術和工藝上差異很大,因此需要醫生根據應用來選擇合適的機器[16]。

表1 三維表面成像系統的比較[12]

4 精確度分析

在將三維立體攝影測量技術運用于臨床之前,有必要對其系統的準確性及可重復性進行評估。準確性是指測量值與參數的真實值之間的一致性,可重復性是指使用同一技術對同一對象進行多次測量的相似程度[11]。

不同三維立體攝影測量設備系統精確度均在臨床可接受范圍內。高鵬程等[19]發現,正畸正頜聯合治療可接受1.0 mm左右的面部測量精度誤差,基于立體攝影技術的三維照相系統的測量誤差在臨床可接受范圍內,他們基于最短曲面距離對3dMD的測量精度和穩定性進行分析,表明該系統精度較高、穩定性較好,可以較好地滿足臨床需求。在臨床應用中,認為偏差<1.5 mm的面部模型是可接受的[14]。Metzger等[3]證明3dMD對人體模型頭部測量的平均整體誤差為0.2 mm,頭部和相機的位置都不會影響這些參數,且系統的新參考平面也不會影響精度和準確性。Liu等[20]研究認為,Bellus3d的真實性稍差于3dMD,均為臨床可接受;3dMD與直接人體測量對比,具有極好的真實性,被認為是立體測量領域的金標準。Zhao等[21]針對面部畸形獲得的立體攝影和結構光面部掃描儀的相應3D精度分別為(0.58±0.11)mm和(0.57±0.07)mm,兩者之間的精確性差異無統計學意義,兩臺面部掃描儀的實際精度低于其標稱精度,但均滿足口腔診所使用要求。Quinzi等[22]發現固定式立體攝影測量設備的平均精度為0.087～0.860 mm,便攜式立體攝影測量掃描儀為0.150～0.849 mm,智能手機為0.460～1.400 mm。立體攝影測量與智能手機掃描技術都能復制準確的數字人臉模型,但是智能手機準確率較低,特別是在測量深度方面,iPadpro2020系統是最不準確的。

不同面部區域的三維照相系統測量誤差有統計學意義(P=0.05)[19]。精確性受畸形形態及面部區域的影響,面部畸形越復雜,精確性越低[21],多數情況下測量值偏大。Zhao等研究發現面中部的精度最高[21,23]。高鵬程等[19]推測面部兩側區域測量誤差偏大的比例增大,可能與采集光線角度與系統內算法聯合作用有關,越靠近面部中間區域的特征線距,其測量值越接近標準值,測量偏差百分比也越小,其原因可能與三維照相系統構架有關。而Plooij等[2]發現識別成對的標志點,如耳(成對的外耳道上緣中點、孔和成對的耳屏)和鼻(成對的鼻翼和成對的鼻翼彎曲)等不太準確。

綜上所述,大部分三維立體攝影測量設備具有臨床可接受的精確度及可重復性,但二維攝影與三維攝影體系均存在夸大或縮小畸形程度的誤差偏倚,因此,在應用二維攝影和三維攝影分析面部畸形時需考慮這些偏倚,以期更客觀地進行面容評價[24]。

5 應 用

三維攝影測量技術能精確顯示面部三維解剖結構,在正畸治療的各個過程都有應用。

5.1 生長發育過程中的日常監測

首先,三維立體攝影是最穩定的定量測量兒童顱面形態的方法[4],不僅可以用來發現異于正常的結構,還可以分析隨著時間進展而發生的面部變化[25],量化面部結構并檢測生長發育過程中面部形態的變化及一些綜合征患者面部異常的特征[14,26],從而評估正常或異常生長,來進行矯治適應證的篩選。

5.2 正畸前準備

三維立體攝影可以評估治療前的軟組織狀況[4],作為正畸前檢查以協助進行病史記錄[3]、面部形態評估[27]、正畸的診斷、確定及完善設計方案[28]。對于患者而言,直觀的攝影分析也可以讓其更容易進行審美維度的需求衡量,同時醫生也可以通過三維照片為患者提供干預治療后的效果模擬演示[29],并且三維立體攝影測量系統還可以作為客觀系統來評估不同的面部重塑程序的有效性[30]。謝柳萍等[9]通過定義一個可供計算機參考的面中部參考平面,可以測量唇腭裂患者的面部對稱性,從而使得三維立體攝影成為首選的唇腭裂軟組織測量方法[17],在唇腭裂序列治療中發揮著重要作用[31]。

5.3 正畸治療中和治療后

在正畸治療過程中,三維立體攝影測量技術可以監控治療過程中產生的軟組織變化,便于在矯治過程中對方案進行調整[4]。而在階段性或者全部正畸治療完成后,可以評估軟組織變化,從而進行治療效果的比較與評價,便于日后總結與改進治療方案與過程[32]。它可以提供變化的局部分析,突出顯示有差異性的結構。如徐陸等[33]通過三維立體攝影比較骨性Ⅲ類錯牙合畸形患者雙頜手術前后面部各區域軟組織的變化特點;蔣健羽等[4]則用3dMD拍攝照片,對正畸患者拆除托槽前后的軟組織進行對比,發現唇側托槽拆除后患者的雙側口角上下唇中點均有統計學意義的內收量;Staderini等[34]開辟了立體攝影測量法的新用途,量化和評估上頜快速擴張后面中部下1/3的即時變化。此外,立體攝影測量也可進行治療結果的長期評估。

5.4 其他

此外,通過立體攝影還可以求得不同種族人群的平均面容,從而作為研究不同人群間和面部軟組織差異的手段之一[35]。同時,隨著立體攝影技術的發展,能夠簡化大數據研究并且更新對之有幫助的深度學習方法[15]。

如前所述,面部軟組織、面部骨骼以及牙列是正畸中的三要素,那么將三維立體攝影測量技術與其他技術結合起來就可以將這三要素同時展現以進行全面的診斷和治療計劃。Alshammery等[13]將CBCT和三維面部圖像采集相結合,可以形成一個虛擬的三維患者,可以幫助正畸醫生評估患者的顱面部骨骼和軟組織。Ayoub等[36]為了使不同的數據能夠疊加,使用AMIRA軟件程序(TGS Europe,Merignac Cedex,France)將CT掃描生成的三維骨組織數據和立體攝影測量處理軟件生成的頜面部軟組織數據轉換為通用的三維文件格式,如.obj、.stl等。Joda等[37]總結了三要素相關系統的不同組合方法,發現只有兩個病例報告是將面部軟組織、面部骨骼以及牙列這三要素全部合并。由此可以得出結論,這種最復雜的疊加技術仍處于起步階段。此外,還必須開發有效的精度測試,以便對不同的疊加技術進行比較。從經濟的角度來看,還必須考慮到實施這些新的應用程序和設備需要額外的成本。

隨著大數據時代的到來,口腔頜面部定點測量數據庫化逐漸發展,這可供正畸醫生對面部畸形患者的診斷、治療計劃、矯正后的結果評估參考[9]。樊永杰等[28]通過一種使用三維立體攝影測量技術測量面部軟組織的新方法,建立了正常蒙古族成人面部軟組織的數據庫。Delft University of Technology開發了一個三維表面人體測量的開放數據,命名為DINED人體模型。大型開源軟件平臺,如3DSlicer和ParaView,為研究人員提供了一個共享數據處理、分析和可視化方法的平臺[15]。

6 評 價

6.1 優點

三維立體攝影之所以能得到廣泛使用,是因為它有優于其他儀器以及系統之處。總的來說,三維立體攝影測量具有以下優點:(1)可以實時評估手術前后骨骼及相關軟組織變化的情況[32];(2)減少數據丟失的可能性以及口腔情況記錄的椅旁時間,提高建立跨學科交流知識庫的可能性[13];(3)提高臨床醫生的診斷能力[3];(4)避免患者暴露于輻射之中[3];(5)捕獲時間快;(6)應用程序簡單;(7)數據存儲及存檔可靠[38];(8)采集速度快,并且在1次拍攝中具有高表面覆蓋率,減少了采集對象運動的影響,對于嬰幼兒患者友好[38];(9)不需要與采集對象面部直接接觸,從而避免了軟組織變形的影響;(10)有更好的再現性及精確性[34];(11)生成數字面部模型,可以旋轉、平移或放大圖像,并可以同時查看多個圖像以方便分析[39];(12)開發規范數據集可以大大減少耗時和人力[23];(13)一些軟件,如Bellus3d允許患者自己操作某一單元,圖像可以存儲并發送給醫生,無需患者前來就診,解決了在疫情期間無法面診的問題[20];(14)三維圖像提供簡略信息,使得醫患溝通變得高效[13]。

6.2 缺點

但三維立體攝影技術也存在一定的局限性:(1)與CT相比,它無法顯示掃描物的內部結構,無法分離軟硬組織層次[10];(2)大多數專業的立體攝影測量掃描儀比較昂貴,對于私人牙科診所來說太占用空間,對于家庭操作來說又不夠便攜[17];(3)由于組織反射,頭發和眉毛的干擾,在成像過程中的姿勢變化降低了圖像的精確性。此外,由于光無法穿透到曲度較大和反射強的表面,因此某些結構(例如眼睛和耳朵)和眼鏡等反光的部分無法給出良好的圖像[8];(4)某些立體攝影測量相機需要日常校準[27];(5)熟練掌握三維立體攝影測量軟件需要一定的時間[29]且對這些圖像的處理和定量評估通常會受到操作者主觀認知的影響[5];(6)便攜式面部掃描系統會產生運動偽影[22];(7)面下部異常因素在拍攝過程中極易受角度偏斜、光影對比、色差變化、光學畸變等因素干擾,精確性受到影響[40];不同數據庫內數據存在顯著性差異,因此在使用不同測量方法收集數據時,應謹慎。這提示我們在臨床使用時,需要根據數據需求,合理選用[17]。

7 展 望

針對現存的問題,三維立體攝影測量技術仍有發展的空間。對于面部成像方面,減少在裂隙以及鼻部區域的相機視野受損,解決常見的因鏡面反射造成的問題以及識別不受面部表情影響的可靠標志點都應作為未來技術進步的重點。如前所述,三維圖像數據庫逐漸發展,但需要代表所有患者人口統計的數據,以建立準確的數據集。未來針對幼兒和多族裔群體的數據資源還需進行多方收集并拓寬獲得和使用途徑[17]。另外,對于疊加軟組織、面部骨骼和牙列來構建虛擬患者方面,未來應注重于完整結合三要素以進行虛擬建模,以提高精度[37]。同時加入三維模型的時間序列,可以建立四維面部成像,不僅對靜止圖像進行三維捕捉,還要對運動物體進行三維捕捉[22]。這有利于定量測量治療前后面下部軟組織的運動軌跡和運動幅度變化[31]。如今3dMD和DI3D都提供了4D捕獲系統[12]。將以上兩者結合,便可以通過精心設計的研究來創建實時的4D虛擬患者。

隨著計算機技術的發展,三維立體攝影測量系統也可以逐漸朝著自動化方向發展。有希望在未來開發新的機器學習方法,針對具體患者,預測不同治療的短期和長期效果,并建立顱面部模型和進行比較,同時無偏倚的三維形態分析和自動化映射方法在這一領域中也有其應用前景[38]。因為系統和軟件分析很大程度上依賴于操作者,所以必須對成像軟件進行功能提升,從臨床醫生的角度來看,需要一個用戶友好、高效和準確的軟件,使用戶能夠在輸入圖像后,提供自動處理和分析[15],還應完善診斷思維效能(測試三維頭影測量是否有助于診斷)和治療效能(測試三維頭影測量是否有助于治療計劃和患者管理)的研究,從而更加有力地證明三維頭影測量對正畸治療計劃和患者的益處[41]。最后,在醫患溝通交流方面,未來應利用智能手機,將近景攝影測量和面部標志機器學習檢測相結合,同時發展便攜式攝影設備以及使用個體化定制設備對患者進行治療[25]。三維立體攝影測量技術與正畸聯系緊密,它的發展也將推動著口腔正畸學的新進展。