人体三维扫描技术在整形美容外科中的应用

朱梓瑜，熊猛

(东南大学附属中大医院 整形烧伤外科，江苏 南京　210009)

人体三维扫描技术在整形美容外科中的应用

朱梓瑜，熊猛

(东南大学附属中大医院 整形烧伤外科，江苏 南京210009)

[摘要]整形美容外科重点关注体表的变化，人体三维扫描技术可以提供一种简洁的测量方式，精准量化体现人体、面部的细微变化。作者查阅国内外相关文献，总结出人体三维扫描技术运用于整形美容外科以评估手术操作效果的相关内容，并作一综述。

[关键词]三维扫描； 整形美容； 量化评估； 综述

三维扫描技术现已全面应用于多学科各个领域，尤其是在临床医学方面发挥着越来越重要的作用。现已比较成熟的方面包括：医用模型的制造和评估、植入材料的定制、颅颌面畸形的改造、整形美容效果的预估等等[1]。三维扫描技术是现代科技发展的产物，是结合了光、数字化、计算机等方面的新型技术，其原理为通过各种不同光线的投射获得物体表面各点的空间关系，再将这些信息传输入电脑，并将这些三维信息放入已建立好的空间坐标轴内得到立体图像。早先的研究者获取人体数据主要是通过二维的平面照片，这种方法有明显的局限性，且可信度不高。直到1984年，Wacoal发明了一台可以分析物体表面结构的计算机，这被视为如今广泛使用的非接触式三维扫描仪的雏形[2]。20世纪七八十年代传统三维头影测量法(three- dimensional cephalometry)、直接测量法(direct measurement)、莫尔云纹(moire techniques)和常规 CT(computer tomography)[3]，但因操作费时、软组织显示不佳、精确度差、有射线和伪影等没有得到广泛的应用。查阅大量国内外文献后，归纳出目前三维扫描技术在正畸及整形美容方向的临床应用，具体综述如下。

1运用于人体的三维扫描技术

目前运用于人体的三维扫描仪基本上都是非接触式扫描仪，主要使用光学技术结合能将光信号转化成电信号的传感器，通过各种光线反射来获取人体表面数据，再将所获光数据通过传感器输入电脑构建出三维立体图像。采集图像的光源可以是一个或多个，这是决定采集速度的因素之一。目前应用于人体的三维扫描仪主要的差异表现在光源的类型上，按照不同作用原理主要可分为普通光扫描仪、激光扫描仪、基于位置传感探测器(position- sensitive- detector,PSD)的光电二极管(light- emitting diode, LED)扫描仪等3种[2]。

1.1普通光扫描仪

大部分普通光扫描仪扫描时是以条纹光线为主，这是由于莫尔云纹技术(利用黑白相间的计量光栅来自动测量线移位和角移位)所用的扫描光线为普通白光，表面的反射光线和干扰条纹会对扫描产生部分影响。尤其是作用于人体时，由于皮肤是可透光的，当普通光投射时部分光线通过皮肤，缺少了这些光信号会造成不同范围的阴影。针对这些问题，普通光扫描仪使用相位测量法(phase- measuring profilometry,PMP)，即根据不同位置的投射点改变相应的参考线相，并通过重叠扫描来捕捉到尽量多的点。人体表面不规则，反射光线和参考线相多会交汇形成干扰光线[2]。因此，为了得到真实的图像，需将这些干扰条纹进行过滤后将原始画面进行拟合，降噪后输出最终得到的扫描数据。

1.2激光扫描仪

激光扫描仪的原理和普通扫描仪原理不同，不需要设定计量光栓，也不需要过滤干扰条纹，它主要依靠传感器来收集数据。由扫描仪发出的激光投射到被扫描物体表面，再由一台或多台图形传感器来获取三维数据。激光扫描仪有着精度高、结果稳定、干扰小等明显优势，但造价昂贵。现在常用的WB4、WBX、ARN Scan、Fast Scan和Vitus系统采用的就是激光扫描原理[2]。

1.3基于PSD的LED扫描仪

基于PSD的LED扫描技术应用于日本的Hamamatsu人体扫描系统中[2]。红外LED通过脉冲投射光线，在被测物表面反射成像，第2级镜头收集光线并交汇于探测器上形成三维图像。PSD的作用是探测质心位置，由于PSD的单向性，结合传感器和三维处理软件可以得到立体图像。目前，在日本、美国、英国等均有相应的研究机构[2]。

2三维扫描技术在头面部整形美容中的应用

2.1先天性唇腭裂手术效果的评估

面部畸形的整复一直是美容整形外科的重点和难点内容。在面部畸形中，最常见的就是先天性唇腭裂。新生儿唇腭裂正畸本身难度较大，正畸的目的、用力、方向和部位若有失误则会严重影响手术效果[4]。对于正畸手术效果和瘢痕的评价，绝大多数学者仍然是依靠二维图片的测量和人眼观察。屈文静以三维激光扫描技术为基础，对单侧唇裂患者应用三叶瓣法手术后的面部软组织进行扫描、重建和测量[5]。他们对60例采用三叶瓣修复术来修整单侧唇裂的患者进行面部三维扫描，得到其面部(尤其是口鼻部位)的立体数据。测量结果通过统计软件IBM SPSS Statistics 19.0进行统计学分析，结果三维激光扫描技术能迅速、精确地完成面部软组织的三维重建，对三维图像进行空间直线距离、角度、弧长等测量，并最终建立了应用三叶瓣手术方法治疗的单侧唇裂患者的唇鼻部数据库[5]。通过对术后健患侧数据进行对比，计算出健患两侧鼻孔宽、唇线长(上唇皮肤和黏膜的交界形成唇线)、人中嵴长(上唇中央凹陷的人中凹，两侧嵴状隆起即为人中嵴)[6]等标志线，P>0.05，差异无统计学意义，健患双侧基本无差异。他们通过面部三维图像的扫描，开发出一套便捷、精准的唇腭裂患者测量体系，其具有很好的临床应用前景。三叶瓣修复唇裂这种新术式主要在鼻孔宽方面改善明显，鼻翼内收效果良好[5]。手术瘢痕与正常人中嵴基本一致，术后人中双侧对称，无偏斜。

2.2面部自体脂肪移植手术的评估

自体颗粒脂肪移植技术已日趋成熟，应用在面部不仅能调整面部轮廓比例、恢复组织容量，还能改善局部皮肤质地，用于面部填充、面部年轻化等治疗可获得良好临床效果[7]。脂肪移植具有创伤小、操作简便、自体取材等优点，自体脂肪填充的术前设计、填充后的脂肪吸收率和效果的评估一直是临床医生关注的重点。动物实验移植后颗粒脂肪的吸收率为40%～50%，脂肪液化的吸收多少与操作技巧有很大关系[8]，人体自体脂肪移植后的吸收率也缺少确凿的临床证据，尤其是面部不对称的患者，对于填充量的预测和术后的长期随访更为重要。来自中国医学科学院的研究者[9]利用3D扫描技术，对27例面部不对称的患者进行多次面部自体脂肪的填充。术前三维CT影像结合镜面图像分析(mirror- image analysis,MIA)来预估填充所需脂肪量，分别于术后3个月和12个月进行3D扫描，以计算出自体脂肪填充的面部存活率。结果对于面部缺损量进行三维CT(computed tomography)影像结合MIA后得出的缺损量平均体积为30.48 mm3，平均填充脂肪的总量为133.61 mm3，平均脂肪吸收率为47.92%[9]。本项研究提出了一种新式、便捷的评估面部不对称的方法，具有可信度高、可重复性好等优点。

2.3面部肉毒素注射后的效果评估

中下面部的柔和线条是东方人追求的美感，改善中下面部线条的方法有很多，临床上最常用的为面部肉毒素的注射[10]，其作用效果一直是求美者和整形美容医生关注的重点。有研究表明咬肌注射肉毒素后2～3周效果开始显现，8～12周效果最明显[11- 12]。大部分研究在探讨肉毒素作用效果时主要以接受注射者的感受和前后照片进行对比。韩国学者Hong等[13]通过面部三维扫描的方法，比较面部咬肌单次注射肉毒素和两次注射的效果差异。实验选取20位志愿者，将他们随机分成两组，所有人均进行每侧咬肌25 U的A型肉毒素注射。第1组志愿者只进行1次注射，第2组志愿者在进行第1次注射后4个月再接受第2次注射(注射量和首次一致)，收集所有志愿者术前和术后6个月的面部三维数据进行比较。结果第1组体积变化量和厚度变化量的平均值分别为21 186 mm3和-1.52 mm，第2组的数据分别为24 072 mm3和-3.84 mm，第2组减少的量明显多于第1组[13]。4个月后的再次肉毒素注射对于面部轮廓的改善效果明显好于单次注射，其原理可能是第2次注射将第1次注射3个月时最明显的改善效果延长至6个月，或是第2次注射加强了第1次的注射效果[13]。这种新型微整形评估方法具有可操作性强、无创等优点，可数字化地记录面部软组织外形的变化[3]。

2.4三维扫描技术在耳再造手术中的应用

先天性小耳症是面部畸形中发病率仅次于唇腭裂的疾病，目前应用最广的手术方式是取患者肋软骨，雕刻成软骨支架模型放置于皮下形成再造耳，因为耳部空间结构复杂，细节还原度要求高，因此耳再造手术也被称为“挑战上帝的手术”。三维扫描技术提供了一个新型构建耳模型的方法，它可以快速、高精度获取患者健侧耳郭的精细结构空间数据，为术前术中提供重要参考。梁久龙等[14]术前采用3D打印技术打印出患儿个体化的同侧肋软骨、对侧耳软骨及健侧镜像耳模型[14]。术前肋软骨和耳软骨支架的重建对于手术中肋软骨的截取和耳支架的雕刻都有非常重要的指导作用，这样可以避免肋软骨截取的不足阻碍耳支架的雕刻，或截取过多肋软骨影响胸廓的稳定性。有了3D耳模作为对照，耳郭再造中术者在雕刻肋软骨、塑造耳支架时会有具体的参照，避免了传统术式的盲目性和随意性[15]，术后随访3个月，本组应用3D打印技术辅助耳郭塑型再造术可准确雕刻出耳支架，使再造耳形态与健侧耳更为相似，患者满意度平均为4.5分[14]。

3三维扫描技术在隆乳术中的应用

随着计算机和数字化技术的发展，越来越多的整形外科医生将三维扫描技术运用到临床工作中，以提高操作的精确性和患者的满意度。来自中国科学院整形外科医院的研究人员，将三维扫描技术应用于双平面隆胸手术(dual- plane breast augmentation,DPBA)，DPBA对于轻度乳房下垂的患者是最理想的一种手术方式[16]。实验选取13位患者进行DPBA，分别用三维扫描仪收集术前，术后1、3、6、12个月的三维图像，通过分析乳房形状、乳头位置、乳房体积等数据来评估术后效果。结果DPBA后乳头位置基本恒定，乳房形状和体积于术后6个月基本稳定，因此术后6个月可以作为DPBA效果相对稳定的随访时间[17]。

4三维扫描技术在整形美容外科中的应用前景

整形美容工作主要关注人体外形的改变，平面照片只能提供二维图像，缺少对于人体多角度、整体性的评估。因此，一个简便、精确的三维测量系统显得尤为重要。三维扫描的出现突破了空间的限制，因其无放射性、简单、高效、价格低廉、可重复性好等明显优势，已有趋势取代CT、MRI、造模法等传统三维测量方法。三维扫描技术对于整形美容外科的作用潜能是巨大的，除了现有的临床实例以外，三维扫描技术还可以应用于以下方面：(1) 巨乳缩小术，面部、身体等各部位轮廓修饰操作的术前设计和术后随访，评估手术操作效果；(2) 根据大量临床数据模拟术后效果图像，针对不同患者制定个性化治疗方案；(3) 收集大样本数据组成数据库，建立特定人群外在形态的测量参考系，对于疾病的分级、手术方式的选择、不同手术方式效果的比较等提供可靠的参考值。目前，越来越多整形外科医生意识到三维扫描方法的诸多优势，也有更多医生将其运用于临床，这使得医患之间的沟通更加和谐，患者对于术后效果有更直观的认识，术后的满意率也会提升。我们有理由相信，三维扫描方法在整形美容外科领域的应用前景非常广阔。

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[收稿日期]2015- 12- 16[修回日期] 2016- 01- 29

[作者简介]朱梓瑜(1989-)，女，陕西宝鸡人，在读硕士研究生。E- mail:zhuziyuazhu@sina.com

[通信作者]熊猛E- mail:bearbrave@sina.com

[中图分类号]R625

[文献标识码]A

[文章编号]1671- 6264(2016)03- 0453- 04

doi:10.3969/j.issn.1671- 6264.2016.03.036

[引文格式] 朱梓瑜,熊猛.人体三维扫描技术在整形美容外科中的应用[J].东南大学学报:医学版,2016,35(3):453- 456.

·综述·