面部掃描儀在口腔醫學的應用

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［摘要］面部掃描儀是一種非接觸式、非侵入式、能對面部軟組織進行數據測量與三維重構的儀器，在人體測量、刑事偵查、疾病診斷、人類學研究、口腔醫學等諸多領域有著廣泛應用前景。本文將對面部掃描儀的類型、工作原理及其在口腔醫學中的應用進行介紹，并對其未來發展做出展望。

［關鍵詞］面部掃描儀；口腔醫學；三維重建；人體測量

口腔醫學診療部位涉及頸部以上至發際線以下的頜面部區域，該區域軟硬組織的病變均可能造成軟組織缺損、畸形，影響患者相應部位的美觀、功能及心理健康。客觀準確地評價面部形態是診治口腔頜面部疾病的關鍵環節。傳統方法有直接人體測量法，采用卷尺、游標卡尺等工具進行測量，是一種古老、簡單且低成本的方法［１］。但該方法準確性較差、數據不易保存、可重復性較差。隨著放射學的發展，超聲、磁共振成像、計算機斷層攝影、口腔頜面錐形束ＣＴ等放射學檢查手段也逐漸應用于面部測量［２－４］。這類方法可以較好地對面部形態進行三維重建，但存在一定的電離輻射。今天，隨著光電技術和計算機科學的發展，高精度的面部掃描儀逐漸被用于醫學臨床，原始面部信息被轉換成數字信號，經過相關軟件的編輯、存儲、輸出與后處理，常被用于計算機輔助設計與計算機輔助制造（ｃｏｍｐｕｔｅｒ－ａｉｄｅｄｄｅｓｉｇｎａｎｄｃｏｍｐｕｔｅｒ－ａｉｄｅｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ＣＡＤ／ＣＡＭ），在人類學［５，６］、法醫學［６，７］、形態學［７］、認知科學、人體工程學和口腔醫學等領域均有不可或缺的作用。本文將概述面部掃描儀的類型、工作原理及其在口腔醫學中的應用，并對其未來發展做出展望。

１面部掃描儀的工作原理

三維掃描的關鍵在于物體三維數據測量，測量方法分為接觸式和非接觸式兩類。接觸式掃描儀如ＦａｒｏＥｄｇｅ三坐標接觸式測量臂（Ｆａｒｏ公司，美國）、ＰｒｏｃｅｒａＦｏｒｔｅ接觸式掃描儀（ＮｏｂｅｌＢｉｏｃａｒｅ公司，瑞典）等，多為機械三坐標測量，其探頭與物體表面接觸，易使之受壓變形，因此多用于汽車制造、零件加工、口腔模型數字化等［８，９］。非接觸式掃描儀的掃描頭則與物體保持了一定的距離，避免劃傷待測物表面或造成測量壓迫。由于人體軟組織存在可讓性，且往往存在接觸測量難以觸及的微小區域，因此主流顏面部掃描多為非接觸式光學掃描儀，其工作原理大致可分為３類：激光三角測量原理、結構光測量原理和立體攝影測量原理。精度一般在０．５ｍｍ左右，誤差為０．１４～１．３３ｍｍ［１０］。激光掃描儀主要有３ＳｈａｐｅＲ７００掃描儀（３Ｓｈａｐｅ公司，丹麥）［１１］、ＮｅｘｔＥｎｇｉｎｅ三維掃描儀（ＮｅｘｔＥｎｇｉｎｅ公司，美國）［１２］、ＦａｒｏＥｄｇｅＬＬＰ線激光掃描測量系統等。這類掃描儀采用可照射皮膚的二類激光作為投射光，通過儀器發出激光與面部反射激光之間的時間差，應用三角測量原理來測得紅外線的位移即該點的深度信息，進而實現三維重建［１３］。激光掃描儀測量準確性高，但造價較高，掃描用時較久（８～３０ｓ），存在眼安全問題，同時對物體表面粗糙度、過大角度等較為敏感［９］，因此在臨床上的使用較為受限。應用結構光法的面部掃描儀主要有ＦａｃｅＳｃａｎ三維掃描儀（３ＤＳｙｓｔｅｍ公司，德國）［９］、３ＤＳＳ－ＳＴＤ－Ⅱ三維掃描儀（上海數造科技有限公司，中國）［１４］、ＥｉｎＳｃａｎＰｒｏ三維掃描儀（先臨三維公司，中國）等。工作時，這類掃描儀的光學投影裝置會發出特定編碼的結構光，投射至面部后產生移相，隨后攝像機電荷耦合元件（ｃｈａｒｇｅ－ｃｏｕｐｌｅｄｄｅｖｉｃｅ，ＣＣＤ）同步獲取調制后的二維光條畸變圖形，將光信號轉換為電信號，獲得待測面結構信息，經計算機系統解算二維光條的圖像坐標，直接或間接地獲得面部外形［１５］。結構光技術掃描速度快、景深大、精度好，臨床應用廣泛，但對環境光和金屬表面敏感，部分產品采集黑色、透明、反光面信息時需要噴粉，患者舒適感低［１６］，成本高、需要多角度復雜校準。立體攝影測量基于雙目／多目視覺原理，采用攝影機模擬人雙眼視物，利用視差恢復物體三維信息。典型產品有３ｄＭＤＦａｃｅＳｙｓｔｅｍ三維顏面部掃描儀（３ｄＭＤ公司，美國）、ＦａｃｅＣａｍｅｒａＰｒｏ（Ｂｅｌｌｕｓ３Ｄ公司，美國）、Ｄｉ３Ｄ系統［２］（Ｄｉ－ｍｅｎｓｉｏｎａｌＩｍａｇｉｎｇ公司，英國）等，借助兩臺或者多臺位置確定的立體攝像機（包括獲取紋理信息和位置信息的相機）進行被動式光學三維掃描；也可同時主動投射非結構光，消除環境光譜干擾，拍攝兩張或多張立體相片，由立體像對上的像點位置信息解算待測點在三維空間的位置，從而獲得面部深度信息，繪制三維圖像［１７］。該方法可以無創掃描面部，一次掃描即可獲得相對完整的圖形，目前普遍認為３ｄＭＤ系統有著較高的準確性和可靠性［１８－２０］，有學者研究了３ｄＭＤＦａｃｅ系統的實際測量精度，發現其有著良好的可重復性，且認為該系統實現的精度是非專業人士在人體測量中能達到的最低專業標準［１８］。但這類設備占用空間大、難以轉移，每日需進行標定，操作敏感性高，對有光澤的表面掃描表現較差［１９］，且不能很好地掃描毛發等細微結構，因此仍需進一步研究與改進。

２面部掃描儀在口腔臨床診療中的應用

頜面部疾病易對患者身心健康造成影響，為研究其導致面部軟硬組織發生的改變，指導臨床治療，頜面部三維形貌的測量及重建很有必要。

２．１面部掃描儀在口腔頜面外科中的應用

口腔頜面外科對各種因素導致的面部畸形已有較為成熟的治療手段，如唇腭裂患者的序列治療、骨性牙頜畸形的正頜外科手術治療等。對上述治療的評價以往多采取醫師主觀評價、患者自我感受等方式，或采取手工測量、治療前后照片對比等測量誤差較大的客觀手段，缺乏評價治療的定量標準。面部掃描儀由于其強大的圖像采集能力和可添加真實皮膚紋理信息等能力，在頜面外科診療中已有較多應用。Ｍｕ等［２０］對比了肉芽腫性唇炎（ｃｈｅｉｌｉｔｉｓｇｒａｎｕｌｏｍａｔｏｓａ，ＣＧ）治療前后的面部輪廓，發現ＣＧ患者上下唇之間的距離和上下唇唇紅緣長度有顯著差異。Ｖｅｒｚé等［２１］使用Ｃｙｂｅｒ－ｗａｒｅ３０３０ＲＧＢ激光掃描系統采集了１０例嚴重阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征患者的三維圖像，發現在正頜外科治療前后，患者面部軟組織沒有明顯變化。除此之外，在評估面部腫脹程度［２２］、分析唇腭裂治療前后差異［２３］、手術造成的鼻部形態改變［２４］等方面，均可利用面部掃描儀進行輔助診斷與治療。面部掃描儀能定量評價出現在頜面部的諸如腫脹、缺損、畸形等癥狀以及治療前后的差別，這有助于排除醫師主觀干擾，盡早明確診斷，為疾病的轉歸提出基于面部軟組織三維數據上的客觀判斷。

２．２面部掃描儀在口腔正畸中的應用

正畸學與面部軟組織形貌息息相關。無論是矯正前后的面部形態，或是不同人群的面部特征，這些信息都需要我們對面部軟組織形貌做出準確的解讀。而三維面部掃描儀則提供了一種全新的解決手段，在確定面中線、分析面部對稱度［２５］、對比男女面部差異［２６］等諸多方面均有良好應用。有學者發現上下頜矢狀關系和冠狀方向的三維攝影測量值與相應的傳統頭影測量值有很強相關性，可以作為頭影測量的預測因子［２７］。有學者對比了二維側位攝影和三維掃描技術評估軟組織輪廓的效果，發現兩者的評價效果均可為臨床所接受［２８］。因此我們可以聯合三維掃描技術，在最小放射劑量原則的指導下減少患者接受的放射劑量，將放射視野限制在醫生感興趣的區域，減少對患者的傷害。除此之外，面部掃描儀也極大地簡化了正畸診療流程。正畸治療對面部軟組織的改變可以是顯著的，也可以是輕微的。對于這種改變，以往我們多依靠肉眼觀察、照片對比等手段，但面部三維信息重建提供了定量分析的可能。有學者使用３ｄＭＤ系統對上頜快速擴弓器（ｍａｘｉｌｌａｒｙｓｋｅｌｅｔａｌｅｘ－ｐａｎｄｅｒ，ＭＳＥ）展腭中縫的效果進行了研究，發現ＭＳＥ保留１年后，鼻翼平均位移量為１．５ｍｍ，右頰平均位移量為２．５ｍｍ，左臉頰平均位移量為２．９ｍｍ，軟組織出現了顯著改變［２９］。這種可視化的操作不僅使矯治方案更為靈活，也因評估和量化了不同治療方式造成的軟組織變化而使醫患溝通更為直觀、有效。

２．３面部掃描儀在口腔修復中的應用

頜面部三維掃描是面部缺損修復、美學預測、全口義齒修復等數字化修復的關鍵。在數字化修復中首先應用的三維掃描產品是諸如３Ｓｈａｐｅ掃描儀、ＯｒｔｈｏＩｎｓｉｇｈｔ掃描儀等的口內掃描儀。將牙頜模型數字化處理后，聯合ＣＡＤ／ＣＡＭ系統、快速成型技術，可以實現各類修復體（如：固定義齒、活動義齒及贗復體）的即刻制作［３０］。這種方法減少了患者就診次數，消除了傳統印模給患者帶來的不適感，但缺乏修復體對面部軟組織影響的預判，喪失了評估治療效果的一個重要維度信息———軟組織信息。而面部掃描儀創建的三維面部信息是高度真實、真彩色、富有皮膚紋理信息的，因此可以大大提升治療的精確程度和美學效果［３１，３２］。有學者應用３ｄＭＤＦａｃｅ系統研究了單側唇腭裂患者佩戴上頜可摘局部義齒修復唇腭裂的美學效果，發現治療前后面部數據如Ｕ１－ＳＮ、零子午線等存在統計學差異，即上頜可摘局部義齒可使單側唇腭裂患者面部輪廓更加和諧［３３］。也有學者聯合口內、面部掃描儀制作眼球贗復體，獲得了良好的美學修復效果［３４］。

３小結與展望

隨著口腔數字化的發展，可移植性高［３５］、成本低、方便臨床醫生獲取患者三維面部信息的便攜式設備［２２］正如雨后春筍般涌現。面部掃描儀在不斷的更新換代中，其高精度、高真實、非接觸、可重復、用時短暫、便于遠程傳輸等優點已被證實。在一些研究中，時間因素也被考慮，動態的三維視圖進一步拓寬了面部掃描儀的應用范圍［３６，３７］。當然面部掃描儀的缺點也很明確，目前市面上的面部掃描儀在潮濕表面如眼部、曲率較大如鼻部、需觸診確定的部位如下頜角等處的掃描表現不佳，部分產品無法識別黑色，導致面部信息缺失。手持式面部掃描儀采集時容易丟失追蹤區域，往往需要多次重采，造成患者的不便以及產生數據精度上的誤差。主流掃描儀多為非空間友好的，成本昂貴，且獲取的數據大，儲存消耗較高，在目前大部分地區通信標準仍為４Ｇ的情況下，面部掃描數據的云端通信就會比較耗時。部分產品技術敏感性高，實際應用時仍需培訓，難以在普通門診中推廣應用。除此之外，在個別領域內，如動態三維視圖精度是否滿足臨床需要、無牙頜修復獲得的三維面部數據與其他三維數據的配準方案是否恰當等問題仍需進一步探討［３８］。但就當下的世界發展潮流來看，數字化的牙科診療是大勢所趨，隨著５Ｇ通信的不斷發展和５Ｇ基站的全面覆蓋，可以綜合測量和分析相關美學參數，完成虛擬診斷蠟型設計，為最終修復提供可視化治療方案的三維牙科虛擬患者即將成為下一個研究熱點［１６］。可以相信在未來，面部掃描儀將在口腔醫學領域有著更廣泛的應用。

作者：楊琪 劉曉秋 單位：吉林大學口腔醫院修復科