立体摄影测量在口腔修复学中的应用进展

蒋文翔，陈奕曈

（浙江大学医学院附属口腔医院/浙江大学口腔医学院，浙江 杭州 310006）

颌面部软组织三维成像在考古学、美学、人体测量学、法医学、口腔颌面外科学、口腔正畸学等领域有着广泛的应用。近年来，随着光电技术和信息技术的进步，制造精度的提高和成本的降低，越来越多的方法可以用于颌面部软组织三维重建和测量，包括电子计算机断层扫描、核磁共振、三维激光扫描、立体摄影测量（stereophotogrammetry）等。其中，立体摄影测量技术因其无创伤性、高速和高精确等特点越来越受到口腔临床医生及研究者的青睐。基于此，本文就立体摄影测量的发展历史、优缺点、应用进展、发展前景进行综述，以期为临床口腔美学修复提供参考。

1 立体摄影测量的发展历史

颌面部软组织三维重建和测量最早可以追溯到古埃及和古希腊时期的雕塑和绘画艺术，经历了直接测量、模型测量和摄影测量（photogrammetry）的3个阶段。直接测量简单、廉价，但是精度不高，尤其难以测量复杂精密、空间分布的颌面部软组织。模型测量是对面部制取印模，灌制模型，在模型上绘出等高线，再进行手工或计算机辅助测量，该方法廉价，可反复进行，但是操作繁琐，患者接受性较差，取模时可引起软组织变形。因此，临床中需要有一种简单、不引起物体变形、精确、可长期保存的测量方法。摄影测量的出现满足了这一需要。

摄影测量是一种利用电磁波对物体的形态、空间关系、运动和变形等信息进行获取、记录和转化的科学和技术。常见的电磁波包括可见光、红外线、微波、X射线等。19世纪40年代，研究者开始使用平面摄影结合类似等高线的制图方法，重建面部三维形态，但这种测量方法需要大量冗杂辛苦的工作，而且耗资不菲。立体摄影测量（stereophotogrammetry）是一种光学三维成像技术，它利用两台以上相机组成立体相机组，得到物体多个角度的照片，从而建立物体表面三维形态。立体摄影测量有被动式和主动式两种类型。被动式三维成像技术采用非结构照明方式，通过匹配不同视觉方向的二维图像来重建物体三维形态，该种方式计算量很大，准确度不能保证。1952年，Zeller利用这种方法进行面部软组织的拍摄和测量，但由于测量误差较大以及设备庞大昂贵，没有得到广泛的应用。主动式三维成像技术采用预定的光源照射物体，利用光学效应计算光与物体的距离，极大改善了成像的准度、精度、速度和重复性。到了70年代，一种基于粗光栅阴影法的摄影测量技术——莫尔等高法开始出现并得到了广泛的应用。莫尔等高法因其成像快、装置轻巧、操作简便、价格低廉，精度与当时的立体摄影技术相当，且可与计算机技术结合进行数字化处理和分析，迅速运用于法医学、临床医学、口腔医学等各个领域。此后又逐渐发展出三维激光扫描技术、结构光扫描技术等。目前使用较为广泛的面部立体摄影测量和重建的产品大多基于主动式光学成像技术，代表成品有C3D成像系统、Genex 3D摄像系统、DSP400系统、Di3D系统和3dMD表面成像系统等。

2 立体摄影测量的优缺点

立体摄影测量技术在颌面部软组织测量方面有很多优点，包括：①非介入性、安全、无创、可对非治疗性人群进行研究；②图像采集快，无运动伪影，不受面部表情变化影响，有利于标志点辨认；③数据存储方便，查询便捷，数据可用于随后的形态学研究；④测量速度快，精度高，节约人力和时间；⑤无接触，可使患者处于自然解剖位置；⑥配套模拟软件及治疗方案，医患沟通方便，患者配合度较高。但目前该技术也存在一些局限性，比如无法捕捉毛发，影响前额、耳朵、胡子等部位的成像，此外油性皮肤、化妆品会影响成像质量，此外颌面部标志定点也可能有误差。

3 立体摄影测量与口腔美学分析

从雕塑艺术家、口罩生产厂商到游戏设计师，从颌面外科医生、口腔正畸医生到口腔修复医生，无不对口腔颌面部标志点的解剖位置、线段长度、角度的正常生理范围和美学范围感兴趣。高懃等利用立体摄影测量方法对55例正常人颌面部解剖标志进行了测量，获得颌面部各标志点的三维数据；测量结果发现鼻宽度均数为39 mm，口裂宽度均数为54 mm，可以作为全口义齿修复时选择前牙的参考，即选择前牙时，应在鼻宽度数上加3～4 mm；其次，研究得到面部垂直距离的平均值，面上部为70 mm，面中部为63 mm，面下部为64 mm，且无性别差异。此值可作为咬合重建患者确定垂直距离的参考。李晶等利用三维面部成像系统采集44名年轻人休息位和姿势性微笑位的面部信息，结果发现姿势性微笑时的面部变化存在左右不对称，而且这种变化量在不同性别和不同部位中都有所不同，在鼻唇沟为主的口唇区域变化更大。

4 立体摄影测量与口腔咬合重建

在口腔咬合重建中，通常需要对患者的上下颌关系进行面弓转移，同时将口唇关系标记在石膏模型上。有了面部立体摄影测量技术，就可以将口腔颌面部软硬组织的三维影像分别获取后进行重叠，从而得到一个数字化模拟患者，在模拟患者中测量面下三分之一高度、上颌合平面参考线、前牙显露量、颊廊宽度等，进行诊断分析和模拟修复，从而更快更好地实现功能和美学相协调的咬合重建效果。Schweiger J等利用咬合记录印模和面部三维扫描技术，在计算机中进行全口义齿模拟排牙以及虚拟试牙，尝试对传统的复诊试牙步骤进行补充甚至替代。但这种方法存在的缺陷是尚不能评估下颌颌位关系和戴入义齿后的发音间隙等。Hassan B等提出了采用CADCAM方法，整合三维口扫数据与三维面扫数据，进行种植体支持的全口义齿的设计和制作的完整流程。

5 立体摄影测量与颞下颌关节紊乱病

颞下颌关节紊乱病是口腔修复中需要特别关注的一个疾病，影响修复治疗的难度、效果和预后。下颌运动轨迹记录是辅助诊断颞下颌关节病的一个辅助方法，在关节盘移位、关节囊松弛、髁突骨质异常和咀嚼肌群的紊乱等方面具有一定的诊断价值。目前临床上记录下颌运动轨迹的方法主要分为机械法、光学法、电磁法和超声波法等手段，其中最常用的方法是采用光学测量技术的计算机辅助髁突运动轨迹描记仪，也称为运动面弓。国内学者发明了一种基于计算机双目视觉和二维图像特征识别技术的下颌运动轨迹跟踪装置及控制方法，可记录下颌运动轨迹，其测量误差在100 μm以内。

6 立体摄影测量与磨牙症

磨牙症是一种口腔慢性疾病，可能引起下颌肌肉酸痛、牙齿磨损、修复体失败等临床症状。磨牙症诊断的金标准是多导睡眠图，但是该诊断技术操作复杂、费用昂贵、舒适度差。立体摄影测量技术为磨牙症的诊断提供了一个新的方向。Motta LJ等采用立体摄影测量研究了头部姿势与3～6岁儿童磨牙症发生率的关系，结果显示相比于正常儿童，磨牙症患儿有着更大的颈倾角（cervical angle），表明磨牙症患儿头部姿势改变比正常儿童大，且立体摄影测量在磨牙症诊断中有一定的潜力。

7 发展前景

目前口腔医生在临床上可以分别通过CBCT仪器、口内扫描仪和面部成像设备获得患者的颌骨、牙列和面部软组织的各种数据，那么如何将这些数据进行拟合，从而创造出一个虚拟的集合了牙-颌-面的三维虚拟患者就成了研究的热点。由于所有的数据都可以传入计算机，并保存为相同的格式，事实上这种拟合对于个体病人来说并不复杂。Rangel FA等于2008年尝试了口内扫描数据和面部三维数据的拟合，用于美学修复和正畸术中术后评估。Naudi KB等于2013年尝试了面部三维数据与CBCT数据的拟合。Joda T等于2015年报道了一种融合口内扫描数据、CBCT数据和面部三维数据创建三维虚拟牙科患者的工作流程。还有研究人员正在试图将时间引入参考系，创建四维的虚拟牙科患者。相信未来的立体摄影测量技术可以得到更大的突破，在口腔修复学领域中有更大的应用前景。