不同年龄亚洲和欧洲人种女性3D面部形态对眼部光暴露水平的影响

黄丽婷，陈仁彤，李孟林，刘扬

（中国医科大学公共卫生学院环境物理因素与健康教研室，沈阳 110122）

眼是人体光暴露的主要靶器官之一，角膜、晶状体和视网膜很容易受到紫外线、可见光和红外光的伤害［1］，长期的日光暴露可导致白内障、老年性黄斑变性、翼状胬肉和气候雨滴性角膜病变等［2］。影响光进入眼部的因素，除了大气成分、太阳高度角（solar elevation angle，SEA）、纬度、海拔、云层、反射率外［3］，额骨和眼眶骨的结构也是重要因素之一［4］。前期研究［5］发现，由于亚洲和欧洲人种面部解剖结构，尤其是眉弓和眉间形态差异，可导致亚洲人眼部光暴露的风险更大。随着年龄的增长，面部形态在皮肤、脂肪、肌肉和骨骼的共同作用下会发生衰老变化［6］，包括上眼睑内侧脂肪垫突出，鼻颧骨沟加深，面颊扁平凹陷，下颌沟加深［7］。为了探究年龄导致的面部形态学差异是否会影响眼部光暴露水平，本研究将采用FaceGen软件构建25岁和60岁亚洲和欧洲人种女性3D面部形态学模型，并在3ds Max软件中进行日光暴露模拟，以分析不同年龄面部形态学差异对眼部光暴露水平的影响。

1 材料与方法

1.1 不同年龄亚洲和欧洲人种女性3D面部形态学模型构建

以FaceGen Modeller［version Demo 3.14］软 件（免费版）提供的亚洲和欧洲人种女性不同年龄（25岁和60岁）平均脸（Average Face）图像数据库为基础，生成不同年龄3D头部模型obj格式文件。将3D头部模型分别导入Geomagic Studio12软件和ZBrush 4R8软件，经裁剪和去除模型头部的“FG”标志后生成不同年龄3D面部形态学模型obj格式文件。导入3ds Max［version 2017］软件，完成亚洲和欧洲人种女性不同年龄3D面部形态学模型构建。见图1。

1.2 日光渲染

图1 亚欧人种女性25岁和60岁3D头部模型Fig.1 25 and 60 years old 3D head model of Asian and European females

1.2.1 渲染条件：在3ds Max软件上将模拟日期设定为2019年6月21日（夏至日，SEA最大），模拟时间为CST 7：00到18：00，间隔15 min，时区设置为东八区；地理位置设置为三亚北纬18.416°，东经109.773°，北向设置为0；天气条件设定为晴朗无云；模型中心位置坐标均为系统坐标（0，0，0）。

1.2.2 渲染方法：采用3ds Max软件的日光系统，将太阳光和天光结合在一起。本研究中采用的太阳光组件为美国照明工程协会（Illuminating Engineering Society of North America，IES）太阳光，天光组件为IES天光。将构建好的日光模拟系统投射于亚洲和欧洲人种女性25岁和60岁3D面部形态学模型，调整指南针北向方向以保证模型旋转起始方向为正对太阳，顺时针旋转，每6°输出1帧动画，旋转1周360°共生成60帧动画。

1.3 眼部瞳孔灰度值计算

应用MATLAB 2018a软件打开上述渲染结果图，编写程序语句，读取渲染结果图片中左眼瞳孔暴露部位上45个像素点的灰度值及其平均值，将结果输出至Excel文件。见图2。

1.4 数据处理

采用Excel 2010和OriginPro 9软件整理数据并作图。

2 结果

2.1 不同年龄亚洲和欧洲人种女性眼部光暴露渲染图差异

亚洲和欧洲人种女性25岁和60岁年龄模型左眼瞳孔部位的阴影区域的大小随着SEA的增加逐渐增大；在相同SEA的条件下，60岁模型左眼瞳孔部位的阴影区域小于25岁模型；欧洲人种模型左眼瞳孔部位的阴影区域大于亚洲人种模型。见图3。

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

2.2 亚洲和欧洲人种女性不同年龄眼部光暴露灰度值差异

亚洲人种女性25岁和60岁年龄模型眼部日光暴露模拟灰度值在SEA＜60°时，随旋转角度变化差异不显著，仅在旋转角度为72°～96°和282°～288°之间时略有差异；当SEA为60°～80°时，具有差异的旋转角度区间逐渐增大，在旋转角度180°～360°区间范围内，从282°～288°增加至282°～330°，且差异逐渐增大；当SEA为80°～85°区间范围内，25岁模型眼部日光暴露模拟灰度值在旋转角度0°～78°和294°～360°范围内均低于60岁模型。而欧洲人种女性25岁和60岁年龄模型眼部日光暴露模拟灰度值在SEA＜30°时，随旋转角度变化差异不大，仅在旋转角度为288°～294°之间时略有差异；当SEA为30°～65°时，具有差异的旋转角度区间逐渐增大，在旋转角度180°～360°区间范围内，从288°～294°增加至288°～336°，且差异逐渐增大；在SEA65°～77°区间范围内，25岁模型眼部日光暴露模拟灰度值在旋转角度0°～66°和318°～360°范围内均低于60岁模型；当SEA＞77°时，25岁和60岁年龄模型眼部眼部日光暴露模拟灰度值一直保持在最低值范围内，且几乎无差异。

25岁年龄模型中，当SEA＜30°时，亚洲和欧洲模型眼部日光暴露模拟灰度值随旋转角度变化差异不大；当SEA为30°～68°时，两模型眼部日光暴露模拟灰度值具有差异的旋转角度区间逐渐增大；当SEA为68°～85°范围内，亚洲模型眼部日光暴露模拟灰度值逐渐减小直至最低值。而60岁年龄模型中，当SEA＜60°时，亚洲和欧洲模型眼部日光暴露模拟灰度值随旋转角度变化差异不大；当SEA为60°～76°时，两模型眼部日光暴露模拟灰度值具有差异的旋转角度区间逐渐增大，且欧洲模型眼部日光暴露模拟灰度值逐渐减小，直至最低值；当SEA为76°～85°范围内时，亚洲模型眼部日光暴露模拟灰度值逐渐减小。见图4。

3 讨论

据统计，在有视力问题的个体中，女性约占67%，其中大多数年龄在50岁以上，且女性有较高的失明率［8-10］。白内障占全球所有失明原因的一半以上，全球范围内女性白内障患病率高于男性［11］，因此，本研究选择了女性作为研究对象。

图4 不同SEA亚欧人种女性25岁和60岁模型眼部光暴露灰度值差异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

由于获取同一人群不同年龄面部特征图像十分困难，且难以对同一研究对象进行具有完全可比性的前瞻性研究，难以保证个体的代表性，故本研究采用了FaceGen［12-13］软件中提供的亚洲和欧洲人种女性25岁和60岁3D平均脸作为研究对象，该软件演绎了不同人种的平均脸不同年龄面部形态的变化过程，更具有人种及年龄面部形态学代表性。尽管本研究属于计算机模拟非实证性研究，但本研究组的前期研究［5］证明了渲染模拟与实测研究具有人工设置时间和经纬度的灵活性和模拟条件的一致性，消除了实地监测时天气状态和地面附近建筑物对光入射眼角度等的影响，能够很好地表达眼部光暴露随SEA和旋转360°时的变化规律。

眼部接收的入射光线会受到眉弓和眉间部位、面颊颧骨、鼻部等解剖结构的遮挡。本研究中，基于模型的渲染结果发现，亚洲和欧洲人种女性25岁和60岁模型之间面部形态学差异导致不同SEA下不同年龄模型眼部日光暴露模拟灰度值差异。当模型面向背对太阳方向时，25岁和60岁模型眼部日光暴露模拟灰度值相近，因此，推测亚洲和欧洲人种不同年龄模型之间的眼部日光暴露模拟灰度值的差异主要是由眉弓和眉间部位的解剖形态学差异引起。面部形态会随着年龄的增长发生明显的变化，尤以额头部分变化显著，眉间及颞部明显出现进一步凹陷，眼周部位下睑及鼻泪沟凹陷［14］，导致亚洲和欧洲人种女性60岁模型眼部日光暴露模拟灰度值大于25岁模型。说明在相同的日光条件下，同样处于户外环境，老年人群眼部光暴露危险性大于年轻人群，提示由年龄导致的面部形态变化有可能在加剧眼部光损伤过程中起一定作用。本研究还发现，由于欧亚人种之间存在面部形态学差异，欧洲人种眉骨发达，眼眶上脊突出，眼裂较长，鼻梁高耸，而亚洲人种则眉骨、眼角间距、脸部和鼻子较宽，鼻梁较为塌陷［15］，尽管欧洲人种女性不同年龄模型眼部日光暴露模拟灰度值差异较大，而亚洲人种女性年龄模型之间眼部日光暴露模拟灰度值差异较小，但在相同年龄条件下，亚洲人种眼部光暴露危险性仍大于欧洲人种。