面部三维摄影与传统照相技术的对比研究

秦再秀 高洁 王佳帅 宋林 毕慧贤 于晓楠 金作林

随着当今信息社会的发展，人们对美的认知和需求也日益增加。绝大多数正畸患者希望通过正畸治疗改善面部美观，提高自信和自身吸引力［1－2］。同时，现代正畸诊断治疗理念已经由Angle教授［3］强调的“牙颌骨结构和功能的平衡与稳定”转变为Andrews教授［4］提出的“牙颌骨结构功能稳定的同时要与面部软组织美观协调一致”。这就要求正畸医生对患者面相要有精确的记录、全面的分析以及治疗前后直观的对比［5］。然而，目前患者面相常用的获取方法是数码相机等二维图像采集的传统照相技术，Sandler J等［6］研究认为传统照相技术对拍摄者照相技术要求较高，每张照片只能反映患者面部二维特征信息，导致部分面部特点失真。在临床上不少患者抱怨传统照相技术拍摄面相过程繁琐并且用时较长。近年来，3dMD面部摄影测量系统（3dMDface，Atlanta，USA）等一批三维摄影技术，为患者面相的获取提供了新方法，并且能够全面精确的重建面部三维形态，解决传统二维图像的局限性问题［7］。3dMD具有摄影速度快、成像精确（精确度约0.15～0.53 mm）［8］、对人体无不良影响等优点，越来越多的被国内医院所引进。3dMD目前多用于科研中，而临床上3dMD能否代替传统照相技术来获取患者面相，国内外均未见报道。本实验通过对比研究面部三维摄影与传统照相的优缺点，探索3dMD在临床上是否具有应用前景。

1 资料与方法

1.1 一般资料

1.1.1 研究对象 随机招募在第四军医大学口腔医院正畸科就诊的60名成年初诊患者 ［其中男性，女性各30名，平均年龄（25.7±4.1）岁］。纳入标准：①年龄18～35岁；②经临床检查为骨性I类；③BMI指数在18.5～24 kg／m2之间。排除标准：①颌面部软组织不对称超过5 mm；②骨性偏颌畸形；③开唇露齿；④颌面部外科手术史。

1.1.2 器材选择 三维摄影采用由第四军医大学口腔医学院军事口腔医学国家重点实验室提供的3dMD面部摄影测量系统 （3dMDface，Atlanta，USA）进行面部三维图像获取；由3dMD面部摄影测量系统管理员于晓楠老师进行拍摄。传统照相采用由第四军医大学口腔医院正畸科提供的尼康D100相机，尼康微焦镜头 （AF-SVR105 mm f／2.8 G）和尼康环形闪光灯（SB-29S）；由正畸科摄影师毕慧贤老师进行拍摄。

1.1.3 试验条件 三维摄影和传统照相均在室内白色荧光灯照明下进行；患者取坐位，保持上身直立，头部取自然头位，双眼平视前方，上下牙齿轻咬接触，嘴唇自然放松闭合，面部表情肌自然放松；同时去除眼镜，围巾等饰品以暴露双侧耳朵，上至发际线，下至甲状软骨平面。进行三维摄影时，患者正对3dMD系统中央，距离左右两侧摄像头均为1 m；传统照相时，患者距离数码相机镜头为1 m。

1.2 研究方法

每名患者按照试验条件分别进行三维摄影和传统照相。传统照相按照正畸病例资料面相要求拍摄6张照片（正面相、正面微笑相、90°侧面相、90°侧面微笑相、45°侧面相和45°侧面微笑相）；三维摄影拍摄两侧获得自然表情和微笑两幅三维图像，然后导入3dMDpatient软件中，由正畸科高洁博士调节三维图像至正面，90°侧面和45°侧面，截取获得6张常规面相截图（图 1）。

1.2.1 拍摄时间对比 记录三维摄影和常规照相拍摄每名患者所需时间。每名患者拍摄前需去除眼镜等头面部饰品满足试验条件后开始进行拍摄；拍摄时间从每名患者坐下后开始计时，到拍摄完成停止计时。

图1 传统照相与三维截图Fig 1 Traditional photography and 3dMD photography Screenshot

1.2.2 图像质量对比 根据Legan＆Burstone软组织分析法［9］选择12个面部标志点，5个测量项目（包括3个线距比例和2个角度）作为图像质量对比项目（表1）；共分3组进行对比。

传统照相组：将每名患者90°侧面相导入头影测量分析软件 Onyx Ceph 2.6（Image Instruments，Chemnitz，Germany），选择 Legan＆Burstone软组织分析法标定面部标志点，进行对比项目测量（图2A）。

三维截图组：将每名患者三维图像的90°侧面截图导入头影测量分析软件Onyx Ceph 2.6（Image Instruments，Chemnitz，Germany），选择 Legan＆Burstone软组织分析法标定面部标志点，进行对比项目测量（图 2B）。

三维测量组：将每名患者自然表情三维图像导入3-matic STL 9.0软件（Materialise，Leuven，BEL），在软件中标记12个面部标志点，建立真性水平面（True Horizontal Plane，THP）：过眉间点G垂直于G-Pog′的平面；分别过眉间点G，鼻底点Sn，口裂点Sto，下唇凸点Li和软组织颏下点Me′做与真性水平面平行的平面，相应平面间的垂直距离即为相应面部高度（图2C）。

表1 测量项目及意义Tab 1 Measurements and meanings

1.3 统计方法

应用 SPSS 16.0统计软件（SPSS Inc，Chicago，USA）对所得到的数据资料进行统计分析，计量资料以均数和标准差表示。对三维摄影组和传统拍照组每名患者拍摄所用时间进行正态性检验和方差齐性检验；由于2组方差不齐，选择两样本Kolmogorov-Smirnov检验（K-S检验）进行统计对比分析，检验水平取0.05，双侧检验。对传统拍照组，三维截图组和三维测量组间图像质量对比进行配对t检验，检验水平取0.05，双侧检验。

2 结 果

2.1 拍摄时间对比

图2 3组图像测量对比Fig 2 Comparisons of the picturemeasurements among traditional photography，3dMD photography and 3dMD photography Screenshot

传统照相组拍摄面相所用时间为（45.33±7.75）s，三维摄影组拍摄面相所用时间为（14.99±1.34）s（图3）。经K-S检验，P＜0.001，2组拍摄面相所用时间的差异有统计学意义；三维摄影组拍摄面相所用时间明显少于传统照相组。

2.2 图像质量对比

线距比例 Gl′-Sn／Sn-Me′，Sn-Sto／Sto-Me′和 Sn-Li／Li-Me′3组间的差异都无统计学意义；角度CoTg-Sn-Ls和Gl′-Sn-Pog′在传统照相组和三维测量组间的差异都有统计学意义，在三维截图组和三维测量组间的差异都无统计学意义；Gl′-Sn-Pog′在传统照相组和三维截图组间的差异有统计学意义（表2）。

图3 传统照相组与三维摄影组拍摄所用时间对比Fig 3 Comparison of the photographing time between Traditional photography and 3dMD photography

表2 传统照相组、三维截图组与三维测量组图像质量对比Tab 2 Comparisons of the picture quality among traditional photography，3dMD photography and 3dMD photography Screenshot

3 讨 论

越来越多的患者为了改善颌面部美观而选择正畸治疗，使得正畸医生不仅要关注咬合的稳定与平衡，更要关注颌面部软硬组织的协调美观。患者临床面相是治疗前诊断设计，治疗中面相变化以及治疗后效果对比的重要临床资料，正畸医生对临床面相的要求和依赖度达到了前所未有的高度［10］。为了提高正畸临床面相摄影速度和质量，国内学者贾培增等［11］对口腔正畸临床摄影技术进行了细致的研究与总结。虽然一定程度上提高了临床面相摄影速度和质量，但是照相机硬件因素的限制问题并没有从本质上解决。传统照相对拍摄者摄影技术要求高，面相拍摄步骤复杂需要患者配合调整6种头位姿势多次拍照，存在对患者配合度要求高和照片之间细微表情存在差异等缺点［12］。同时在试验中我们发现传统照相组中患者的头位是由摄影师决定的，每名患者所拍摄的头位不尽相同，导致正畸医生在软组织分析中需要再次调整照片到正确的头位，甚至是重新拍照。而三维摄影组应用3dMD面部摄影测量系统进行面部摄影，只需患者面部放松保持自然头位拍摄一次，即可获得患者面部三维图像。然后在3dMDpatient软件中由正畸医生调整截取获得临床上常用的6种二维头位照片。实验结果显示三维摄影组拍摄面相所用时间明显少于传统照相组，大大缩短临床拍照所需时间，减少患者临床就诊时间。侧貌软组织测量分析对比结果显示，线距比例Gl′-Sn／Sn-Me′，Sn-Sto／Sto-Me′和 Sn-Li／Li-Me′在3组间均无统计学差异；但是角度 CoTg-Sn-Ls和 Gl′-Sn-Pog′在传统照相组和三维测量组间有统计学差异，在三维截图组和三维测量组间无统计学差异。这种差异可能由于摄影师在拍摄90°侧面相时头位不正等原因造成图像有一定偏差，而且Sn和CoTg相比其他面部标志点较难定位。而三维截图组是由正畸医生调整三维头像至90°侧面截取所获得的，一定程度上减少了图像偏差。本实验初步证明了应用3dMD面部摄影测量系统进行三维摄影获取患者面相比应用传统照相技术获取患者面相具有一定优势如下：①3dMD面部摄影测量系统拍摄面相所需时间明显少于传统照相技术；② 传统照相需要患者多次调整体位配合摄影师多次拍照；3dMD面部摄影测量系统只需拍摄1次，一定程度上减少了人为误差；③3dMD面部摄影测量系统所获得的三维图像可以由正畸医生截图后进行侧貌软组织测量分析，并且比传统照相更为精确。

从唇侧固定矫治器到个性化舌侧矫治器和无托槽隐形矫治器［13］，这种数字化矫治器的出现不仅满足了患者对美观的需要，而且丰富了正畸矫治技术。从传统石膏模型和X线平片到口内三维扫描和CBCT，这种数字化扫描分析系统的出现提高了正畸临床资料的准确性和全面性，弥补了传统模型测量及头影测量的不足［14－15］。三维摄影技术摄影所获得的患者面相是三维立体的，能更直观，更全面的诊断分析患者面部软组织情况；王佳帅等［16］通过应用3dMD对62名汉族正常男女面部软组织三维测量对比发现男性相比女性面部整体及面部各器官轮廓更大，面部外形更方圆，鼻部更前突，为临床诊断分析提供了一定的参考价值。同时三维测量的精确度与面部直接测量误差在0.1～0.5 mm以内［8，17］；通过应用 Mimics，Dolphin等三维分析软件可以重叠对比患者矫治前后的三维面相，从而更直观的显示了矫治效果［18］。而且3dMD所拍摄的三维面相经过3dMDVultus软件处理可以与患者头颅CBCT数据相匹配，从而能够直观地观察患者软组织和硬组织的相互关系，这将极大有利于正畸的诊断与分析［19］。但是目前临床上所用的面部软组织分析方法主要是基于二维的正面相和侧面相上进行分析的，关于三维图像的面部软组织分析方法相对复杂，而且争议较多。同时在实验中我们发现3dMD对牙齿，发际线和头发成像存在失真，不完整等问题；作为临床资料必须完整而且真实地记录患者面部状态，3dMD还需要从技术上进行升级和改进。而且3dMD面部摄影测量系统国内售价在80～120万左右，价格昂贵也导致三维摄影技术目前多用于科学研究。本研究通过实验发现三维摄影技术在临床上获取患者面相相比传统照相技术有一定优势，同时发现三维摄影技术在临床应用上仍有较大不足需要改进。研究结果为将来三维摄影技术等数字化面部扫描技术的临床进一步推广和应用提供了参考。

4 结 论

本研究通过实验证明使用3dMD面部摄影测量系统拍摄患者面相所用时间更少，侧貌软组织分析结果与传统照相技术并无明显差异。

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