王宇婷, 王震东, 严 斌， 张卫兵， 王 林



综 述

基于白光的三维表面成像技术在临床及科研应用的研究进展

王宇婷, 王震东, 严 斌， 张卫兵， 王 林

三维表面成像； 三维立体摄影； 口腔正畸； 正颌外科; 美容美体

基于白光的三维表面成像技术在可见光下利用2个及以上的照相机或摄像头对被测物体进行多角度拍摄，并将图像处理合并，形成具有长、宽、深3个维度信息的立体形态，同时逼真地展现被测物体表面形态和色泽特征。

1 三维表面摄影技术发展简史

在三维立体摄影技术出现以前，医疗图像采集和科学研究普遍基于二维平面图像。随着CT/CBCT和MRI的出现，三维立体成像逐渐发展起来。虽然CT/CBCT和MRI对被测物体内部软硬组织测量的敏感性和准确度较高，但在被测物表面结构特征的采集上相对薄弱。三维表面成像技术弥补了这一不足。它通过在三维空间里对被测物体表面数据进行采集、处理和分析，生成被测物体表面形态、结构、纹理、色泽的三维图像，从而直观逼真地反映被测物的表面特征。

从1940年开始，三维表面成像技术已经可以对被测物体表面复杂性进行测量，其主要技术支持包括立体摄影测量技术、差分图像技术、摩尔云纹测量技术、液晶扫描、光亮度扫描、激光扫描、结构光、立体光刻成像技术以及录像机系统等。但由于拍摄过程耗时较长、生成图像兼容性较差、拍摄成本较高等因素的局限，应用于工程机械领域居多，一直未能常规应用于医学临床。

在过去的十几年间，由于光学通讯系统的发展，计算机生成精确三维图像以及处理大批量数据的效率提高，大大缩短了拍摄时间，使三维表面成像技术逐渐应用于临床诊疗和实验研究。目前市面上已有的三维表面摄影系统有3dMD、Axisthree、Canfiel、Canfield和 Di3D等，根据其各自特点有不同的适用范围[1]。

2 基于白光的三维表面成像技术特点及评价

2.1 成像原理 基于白光的三维表面成像技术是依据三维立体摄影技术，采用可见光将特定的光栅条纹投影到被测对象表面，借助2个或2个以上相机从多个方向对光栅干涉条纹进行同步拍摄，利用光学拍照定位技术和光栅测量原理，在极短时间内获得被测物表面的完整点云，生成同一被测物在不同角度上的多幅数字图像，并对获取的图像信息进行处理和计算，得到物体表面上各点精确的三维坐标[2]，从而生成包含物体表面信息的三维立体图像。2.2 特点与优势 与现有的其他三维立体摄影技术相比，基于白光的三维表面成像技术具有以下特点：⑴拍摄时间短。拍摄在1～2 ms内完成，可有效避免患者表情动作带来的伪影和误差，尤其适合婴幼儿、儿童及其他不合作患者的拍摄[1,3-4]。⑵非介入，无损伤。避免激光扫描过程中对眼睛造成的刺激[5]，避免CT成像过程中的辐射损伤[6]，在自然光下进行拍摄，图像采集过程中拍摄装置与身体无接触，避免由于器材重量或器材插入造成的软组织形变；患者采取最自然舒适的坐姿和头位，减少闭眼和仰卧等带来的误差，拍摄过程中患者无不适感[7]。⑶直观逼真地反映被测物表面特征。利用可见光投射被测物，可获取被测物体的真彩图像，直观地显示患者皮肤的凹凸起伏、表面色泽、纹理等，尤其适用于整形美容诊疗及皮肤表面问题的研究[8-9]。⑷图像重叠、分析、计算更方便快捷。软件算法对图像进行重叠、配准，可直观显示前后图像的变化，并进行距离、长度和体积的相关计算，为制定和选择合理的治疗方案、评估治疗效果、追踪效果稳定性、研究生长变化规律、研究累及外观的进行性病变等提供了有力的技术支持[10]。⑸可与其他技术合并使用。可视化软件可将3D表面图像与CT、CBCT或数字化研究模型相融合，生成兼有内外软硬组织的三维立体物象，建立人体组织生物力学模型，可追踪患者的生长变化并模拟手术过程[1,11]。⑹记录三维动态影像。市面上的一些三维表面成像系统(如3dMDdynamic动态4D系统)可对三维表面图像畸形连续记录，生成动态三维图像，为颅颌面部的动态分析提供依据[1]。2.3 精确度与准确度评价 在准确度和精确度方面，Lübbers等[12]在人体头部模型上对比了使用标准的滑动卡尺、卷尺测量与3dMD测量的结果，两种方法测量结果的平均误差为0.2 mm。Aynechi等[13]对10例成人患者进行了人体学测量和白光三维摄影测量，发现二者具有相似的准确度和精确度；个别组数据差异有统计学意义，但该差异尚不具备临床意义(>2 mm)。Metzger等[14]认为，基于白光三维成像系统在软组织表面成像的准确度上明显优于CBCT。当前的研究普遍认为，白光三维表面成像技术具有较高的可信度[13-16]。

但研究者也发现，在软组织边界不够明确清晰的部位(如耳朵)，测量值的变异较大[13]。这种差异的原因主要是耳朵和软组织颏前点位于拍摄区域的边界处，由于光学特性易发生图像的扭曲失真[14]；嘴巴和唇的误差主要缘于该部位极易出现表情动作的改变[17]。另外，在头发、鼻子、未修复的唇裂边缘等凹凸起伏变化较大的部位，形成图像的准确度和精确度还有待提高[12]。

3 临床应用进展

3.1 人群特征研究 基于白光三维表面成像技术可更为准确地反映面部形态学特征，形成的图像更直观逼真，利于对比分析，且拍摄过程方便快捷，因此被研究者应用于大批量人群特征性的研究。

Liu等[18]利用白光三维表面成像技术采集了希腊人群和中国人群的面部特征，进行组间对比，发现中国人的唇部比希腊人更突出。Gor等[19]从匈牙利布达佩斯和美国休斯顿的正常人群中分别抽取了200例受试者，应用3dMD立体摄影系统采集了他们的面部(包括形态、角度、色泽等)，并建立了2个人群不同性别组的所谓“平均脸”(average face)，通过对“平均脸”的对比研究分析，发现布达佩斯女性的面部、鼻子、下颌角比休斯顿女性偏大，眼睛和颧骨也更为突出，而布达佩斯男性则比休斯顿的男性拥有更小而后缩的下颌骨。Kau等[20]认为，利用白光三维表面成像技术可高效地建立不同人群的“平均脸”，便于比较不同人群或性别间的面部形态学差异。3.2 人体对称性研究 利用白光三维表面成像技术拍摄图像后，镜像健侧生成两侧对称的图像，将原始图像和镜像图像进行拟合，在两幅图像上分别标记对应点之间的距离，该距离可直接反应相应部位的面部对称性。这是继传统测量对应点到面部中线距离的方法之后，测量面部对称性的又一新方法。

Verhoeven等[21]使用这一方法进行了单侧髁突增生患者面部软组织的不对称性的量化分析研究，并将下颌骨分离出来进行了独立分析。另外，系统软件可通过重建的软组织图像，在软件平台上进行软组织表面容积的测量，与健侧进行对比分析。沈舜尧等[22]运用此方法对半侧颜面短小综合征患者进行图像采集分析后认为，白光三维表面成像技术可用来辅助评价颜面短小综合征患者颌面部软组织的变异情况。Schaaf等[23]认为，使用该技术对斜头畸形的新生儿进行测量具有很多优越性，包括可减少定点过程中患儿的移动、可重复测量、患儿不会感到不适且测量更加客观准确。3.3 口腔正畸与正颌外科 准确的口腔及颌面部形态学检查是口腔正畸和正颌外科临床诊断和治疗的基础。正畸与正颌外科医师的工作虽然是改变硬组织位置或形态，但现代观点认为，软组织的美观协调具有更为重要的意义，甚至发展成为正畸与正颌外科医师制定治疗方案的基础和依据[14]。

传统的头影测量法是建立在二维平面图像的基础上，用X线投射三维物体难免产生投影误差，另外在定点的过程中也存在诸多可变因素，且在软组织测量方面尤为薄弱。而基于白光的三维表面成像技术不仅可以直观显示软组织表面特征，而且在距离和体积的测量上具有较高的准确性和可信度。另外，该技术拍摄的物体表面三维立体图像可与CBCT拍摄的物体内部图像进行匹配、融合，并直观模拟骨组织移位带来的软组织变化或目标软组织形态所需要的骨组织改变，这一点对于正畸和正颌外科医师具有至关重要的意义。

正畸方面，Weinberg等[15]认为，正畸医师运用白光三维表面成像技术获取的患者颌面部三维影像如同工程师使用的“副本”，该技术可使正畸医师的工作变得简单、准确、高效，系统会形成一个随时随地可供检查的患者，方便医师模拟和监控治疗过程中产生的软组织变化，从而有利于制定最佳治疗方案，并在矫治过程中对方案进行调整。Eidson等[24]对正畸患者去除唇侧矫治器前后的唇突度变化进行测量，再一次肯定了其拍摄图像的可重复性和可对比性。正颌外科方面，van Loon等[25]利用三维表面图像与CBCT硬组织图像结合的方法测量了Le FortⅠ型截骨术后患者的鼻部形态突度和上唇体积的变化；Zhao等[26]在此基础上，结合使用CAD/CAM技术，现场进行可视化手术计划制定和效果预测，并对种植体、咬牙合板等进行可视化地设计和制作，具有微创、高效、术后美观效果好等优点；另有学者将该技术用于正颌术后长期疗效的追踪观察[27]。

3.4 唇腭裂诊疗和研究 白光三维表面成像技术具有拍摄速度快、无侵入性、无伤害性的特点，被越来越多应用于腭裂患儿的诊断和研究，又由于拍摄过程便捷、图像重叠对比方便，故方便追踪患儿的生长发育变化。

已有研究证明，将白光三维表面成像技术用于未修复唇腭裂患儿的鼻唇部形态学测量，其结果是准确可靠的[28]。有研究者利用该技术对不同类型的唇腭裂患儿进行软组织对称性的分析，发现单侧单纯唇裂患儿面部不对称程度非常轻微，并提出其在病因学和生长上与单侧唇腭裂、单侧唇裂合并牙槽嵴裂及双侧唇腭裂患儿有所不同。Bugaighis等[29]利用其创建“平均脸”，将不同类型的唇腭裂患儿与正常对照组儿童进行比较后认为，该技术可用于异常颅面部形态的检测，并提出其在唇腭裂整复手术及随后的正畸、正颌治疗中具有应用价值。另有白光三维表面成像技术辅助唇腭裂修复后瘢痕愈合情况的基因学研究的报道[9]。

3.5 口腔颌面部缺损赝复体修复 随着时代的发展，口腔颌面部缺损修复过程中对美观的要求越来越高。这要求在赝复体设计和制作之前，要准确地获取缺损部位及其附近的内外结构，同时最大限度获取患者头面部正常部位的三维数据，尤其是表面特征信息，以便于后期利用三维数据进行复制、翻转和镜像，进行修复体形态设计。

白光三维表面成像技术在赝复体设计信息获取过程中，具有扫描速度快、分辨率高、信息量大、表面重建效果好等特点，目前已被应用于颌面部缺损的赝复体辅助设计。基于白光的三维成像技术又具有技术成本低、对眼睛无伤害、生成图像直观逼真等优点，为颌面部表面信息获取提供了更有力的技术支持。Feng等[30]利用白光三维表面成像技术和计算机辅助设计技术，对颌面部超过中线的大面积缺损进行了赝复体修复，取得了很高的患者满意度，并认为与传统手工雕刻技术相比，前者具有更高的精确度和效率，且在赝复体的大小、形状、外观以及匹配度上优于传统技术。但是，由于光线到达倒凹区域的范围有限，该技术更适用于颌面部浅表缺损的赝复体辅助设计，如眼缺损、鼻缺损和耳郭缺损等[31]。

3.6 美容美体 由于白光三维表面成像技术可准确捕获物体表面形态，包括纹理、色泽等特征，且方便进行体积和对称性的测量计算，因而在美容美体方面有着较为突出的优势。

白光三维表面成像技术可用于乳房体积的测量，对于胸部整形手术具有重要的实用价值。Frigerio等[8]使用白光三维表面成像技术对比了酒色斑患者接受激光凝固法治疗前后病患区域的大小和体积改变，并认为该技术是一个非常有力的工具，可追踪记录激光对病损区域产生的影响。李彪等[32]采用3dMD获取患者面部三维图像进行图像处理和手术模拟，以患者的具体要求及个人特点为依据模拟填充效果，用软件描记确定需要填充脂肪的部位、范围及所需填充的脂肪量，提出应用3dMD可使脂肪移植填充的治疗方案设计实现个体化、可视化和精确化。

3.7 其他应用 近年来，随着三维立体成像技术的普及和三维表面摄影技术的不断成熟，基于白光的三维表面成像技术应用领域进一步拓宽。有研究证明，该技术可帮助确定并记录患者的自然头位[33]。还有学者利用白光三维表面成像技术对N95过滤口罩呼吸器使用者佩戴口罩前后的面部形态进行捕获，测量并对比了平面折叠式口罩和杯状口罩的封闭性和封闭压力，并认为在封闭性一致的情况下，平面折叠式呼吸器具有更小的封闭压力和更高的舒适度[34]。另有将其用于躯干部残疾或异常检查、自闭症临床表型检测、综合征及基因学辅助研究的报道[35-37]。

综上所述，基于白光的三维表面成像技术已越来越多地被用于医疗临床及科学研究，成为表面形态学测量的一个有力工具。可以预见，随着计算机技术和影像学技术的不断发展，该技术的功能及测量精度还会进一步完善和提高，并在更广的领域里发挥其巨大的应用价值。

[1] Trotman CA, Gross MM, Moffatt K. Reliability of a three-dimensional method for measuring facial animation: a case report[J]. Angle Orthod, 1996,66(3):195-198.

[2] 辛鹏飞, 桂海军, 陈之彪, 等. 3dMD摄影测量系统辅助颅颌面软组织畸形整复的初步报道[J]. 中国口腔颌面外科杂志, 2011,9(4):307-311.

[3] Zreaqat M, Hassan R, Halim AS. Facial dimensions of Malay children with repaired unilateral cleft lip and palate: a three dimensional analysis[J]. Int J Oral Maxillofac Surg, 2012,41(6):783-788.

[4] Riphagen JM, van Neck JW, van Adrichem LN. 3D surface imaging in medicine: a review of working principles and implications for imaging the unsedated child[J]. J Craniofac Surg, 2008,19(2):517-524.

[5] Lane C, Harrell W Jr. Completing the 3-dimensional picture[J]. Am J Orthod Dentofacial Orthop, 2008,133(4):612-620.

[6] Mayo-Smith WW, Hara AK, Mahesh M, et al. How I do it: managing radiation dose in CT[J]. Radiology, 2014,273(3):657-672.

[7] Heike CL, Upson K, Stuhaug E, et al. 3D digital stereophotogrammetry: a practical guide to facial image acquisition[J]. Head Face Med, 2010,6:18.

[8] Frigerio A, Bhama PK, Tan OT. Quantitative three-dimensional assessment of port-wine stain clearance after laser treatments[J]. Lasers Surg Med, 2013,45(10):633-638.

[9] Smith BJ, Nidey N, Miller SF, et al. Digital imaging analysis to assess scar phenotype[J]. Wound Repair Regen, 2014,22(2):228-238.

[10] Jyothikiran H, Shanthara JR, Subbiah P, et al. Craniofacial imaging in orthodontics-past present and future[J]. Int J Orthod Milwaukee, 2014,25(1):21-26.

[11] Schendel SA, Montgomery K. A Web-based, integrated simulation system for craniofacial surgical planning[J]. Plast Reconstr Surg, 2009,123(3):1099-1106.

[12] Lübbers HT, Medinger L, Kruse A, et al. Precision and accuracy of the 3dMD photogrammetric system in craniomaxillofacial application[J]. J Craniofac Surg, 2010,21(3):763-677.

[13] Aynechi N, Larson BE, Leon-Salazar V, et al. Accuracy and precision of a 3D anthropometric facial analysis with and without landmark labeling before image acquisition[J]. Angle Orthod, 2011,81(2):245-252.

[14] Metzger TE, Kula KS, Eckert GJ, et al. Orthodontic soft-tissue parameters: a comparison of cone-beam computed tomography and the 3dMD imaging system[J]. Am J Orthod Dentofacial Orthop, 2013,144(5):672-681.

[15] Weinberg SM, Naidoo S, Govier DP, et al. Anthropometric precision and accuracy of digital three-dimensional photogrammetry:comparing the Genex and 3dMD imaging systems with one another and with directanthropometry[J]. J Craniofac Surg, 2006,17(3):477-483.

[16] Incrapera AK, Kau CH, English JD, et al. Soft tissue images from cephalograms compared with those from a 3D surface acquisition system[J]. Angle Orthod, 2010,80(1):58-64.

[17] Aldridge K, Boyadjiev SA, Capone GT, et al. Precision and error of three-dimensional phenotypic measures acquired from 3dMD photogrammetric images[J]. Am J Med Genet A, 2005,138A(3):247-253.

[18] Liu Y, Kau CH, Pan F, et al. A 3-dimensional anthropometric evaluation of facial morphology among Chinese and Greek population[J]. J Craniofac Surg, 2013,24(4):e353-358.

[19] Gor T, Kau CH, English JD, et al. Three-dimensional comparison of facial morphology in white populations in Budapest, Hungary, and Houston, Texas[J]. Am J Orthod Dentofacial Orthop, 2010,137(3):424-432.

[20] Kau CH, Richmond S, Zhurov A, et al. Use of 3-dimensional surface acquisition to study facial morphology in 5 populations[J]. Am J Orthod Dentofacial Orthop, 2010,137(4 Suppl):S56.

[21] Verhoeven TJ, Nolte JW, Maal TJ, et al. Unilateral condylar hyperplasia: a 3-dimensional quantification of asymmetry[J]. PLoS One, 2013,8(3):e59391.

[22] 沈舜尧, 辛鹏飞, 代杰文, 等. 3dMD摄影测量系统在半侧颜面短小诊断中的初步应用[J]. 口腔颌面外科杂志, 2012,22 (4):261-264.

[23] Schaaf H, Malik CY, Streckbein P, et al. Three-dimensional photographic analysis of outcome after helmet treatment of a nonsynostotic cranial deformity[J]. J Craniofac Surg, 2010,21(6):1677-1682.

[24] Eidson L, Cevidanes LH, de Paula LK, et al. Three-dimensional evaluation of changes in lip position from before to after orthodontic appliance removal[J]. Am J Orthod Dentofacial Orthop, 2012,142(3):410-418.

[25] van Loon B, van Heerbeek N, Bierenbroodspot F, et al. Three-dimensional changes in nose and upper lip volume after orthognathic surgery[J]. Int J Oral Maxillofac Surg, 2015,44(1):83-89.

[26] Zhao L, Patel PK, Cohen M. Application of virtual surgical planning with computer assisted design and manufacturing technology to cranio-maxillofacial surgery[J]. Arch Plast Surg, 2012,39(4):309-316.

[27] Maal TJ, de Koning MJ, Plooij JM, et al. One year postoperative hard and soft tissue volumetric changes after a BSSO mandibular advancement[J]. Int J Oral Maxillofac Surg, 2012,41(9):1137-1145.

[28] Tse R, Booth L, Keys K, et al. Reliability of nasolabial anthropometric measures using three-dimensional stereophotogrammetry in infants with unrepaired unilateral cleft lip[J]. Plast Reconstr Surg, 2014,133(4):530e-542e.

[29] Bugaighis I, Mattick CR, Tiddeman B, et al. 3D asymmetry of operated children with oral clefts[J]. Orthod Craniofac Res, 2014,17(1):27-37.

[30] Feng ZH, Dong Y, Bai SZ, et al. Virtual transplantation in designing a facial prosthesis for extensive maxillofacial defects that cross the facial midline using computer-assisted technology[J]. Int J Prosthodont, 2010,23(6):513-520.

[31] 熊耀阳, 陈晓波, 焦 婷, 等. 结构光三维测量轮廓技术及快速成型技术在颌面赝复中的应用[J]. 中国组织工程研究与临床康复, 2008,12(9):1705-1708.

[32] 李 彪, 沈国芳, 赵泽亮, 等. 三维摄影系统应用于颌面部脂肪个体化设计移植填充治疗的初步报告[J]. 中国口腔颌面外科杂志, 2012,10(4):298-305.

[33] Hsung TC, Lo J, Li TS, et al. Recording of natural head position using stereophotogrammetry: a new technique and reliability study[J]. J Oral Maxillofac Surg, 2014,72(11):2256-2261.

[34] Niezgoda G, Kim JH, Roberge RJ, et al. Flat fold and cup-shaped N95 filtering facepiece respirator face seal area and pressure determinations: a stereophotogrammetry study[J]. J Occup Environ Hyg, 2013,10(8):419-424.

[35] Gabor LR, Chamberlin AP, Levy E, et al. Digital stereophotogrammetry as a new technique to quantify truncal deformity: a pilot study in persons with osteogenesis imperfecta[J]. Am J Phys Med Rehabil, 2011,90(10):844-850.

[36] Aldridge K, George ID, Cole KK, et al. Facial phenotypes in subgroups of prepubertal boys with autism spectrum disorders are correlated with clinical phenotypes[J]. Mol Autism, 2011,2(1):15.

[37] Wilamowska K, Wu J, Heike C, et al. Shape-based classification of 3D facial data to support 22q11.2DS craniofacial research[J]. J Digit Imaging, 2012,25(3):400-408.

210029 江苏 南京，南京医科大学口腔医学研究所(南京医科大学附属口腔医院 正畸科)

王宇婷(1990-)，女，江苏徐州人，硕士研究生.

王 林，210029，南京医科大学口腔医学研究所(南京医科大学附属口腔医院 正畸科)，电子信箱：lw603@njmu.edu.cn

10.3969/j.issn.1673-7040.2016.10.011

2016-05-28)