尹一佳 馮捷 羅夢(mèng)奇 韓向龍（通信作者）
口腔疾病研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 國家口腔疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心 四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院正畸科 成都 610041
[摘要] 隨著患者美學(xué)要求的提高，軟組織評(píng)估對(duì)頜面部治療尤其是建立量化畸形數(shù)據(jù)庫、制定治療方案和開展術(shù)前評(píng)估愈發(fā)重要。臨床工作中，三維攝影技術(shù)如錐形束計(jì)算機(jī)斷層掃描、三維立體攝影、激光掃描等，相比二維攝影技術(shù)如頭部正、側(cè)面照片和頭影X線測量，具有精準(zhǔn)、快捷、自動(dòng)、無害的優(yōu)點(diǎn)。然而，尚無國際統(tǒng)一的三維頜面部測量標(biāo)準(zhǔn)限制了三維攝影技術(shù)的臨床應(yīng)用。由于自然頭位是目前公認(rèn)的評(píng)價(jià)面部容貌的最佳參照基準(zhǔn)，故建立三維頜面部測量標(biāo)準(zhǔn)的首要任務(wù)是建立擺正頭位的標(biāo)準(zhǔn)方法。本文著重?cái)⑹龌谌S立體攝影技術(shù)的頭位擺正方法，并將系列方法與基于錐形束計(jì)算機(jī)斷層掃描的頭位擺正方法進(jìn)行比較分析，進(jìn)而討論理想的以三維立體攝影技術(shù)為基礎(chǔ)的頭位擺正方法。
[關(guān)鍵詞] 自然頭位；三維立體攝影技術(shù)；錐形束計(jì)算機(jī)斷層掃描
[中圖分類號(hào)] R 783.5 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A
[doi] 10.7518/gjkq.2018.03.011
隨著美學(xué)和功能要求的提高，軟組織評(píng)估在頜面部治療尤其是建立量化畸形數(shù)據(jù)庫、治療方案制定和術(shù)前評(píng)估中顯得愈發(fā)重要。軟組織評(píng)估方法包括直接測量法、二維測量法、三維測量法。其中，三維攝影技術(shù)如錐形束計(jì)算機(jī)斷層掃描（cone beam computed tomography，CBCT）、三維立體攝影（three-dimensional stereophotography）、激光掃描等，比二維攝影技術(shù)如頭部正、側(cè)面照片和頭影X線測量更具優(yōu)勢(shì)，具體表現(xiàn)為更精準(zhǔn)、更快捷、更自動(dòng)、更無害，而其中又以三維立體攝影在軟組織顏色、質(zhì)感上呈現(xiàn)最優(yōu)，并可獲得患者雙眼睜開而非在激光掃描和CBCT中雙眼緊閉的圖像，同時(shí)，相比CBCT，其具有無輻射的優(yōu)點(diǎn)。
然而，三維攝影技術(shù)的臨床應(yīng)用仍受到限制，原因在于尚無國際統(tǒng)一的三維頜面部測量標(biāo)準(zhǔn)。由于自然頭位（natural head position）是目前公認(rèn)的評(píng)價(jià)面部容貌的最佳參照基準(zhǔn)，故建立三維頜面部測量標(biāo)準(zhǔn)的首要任務(wù)是建立校正自然頭位的標(biāo)準(zhǔn)方法。從另一方面來說，二維到三維，自然頭位一直是評(píng)價(jià)頜面部形態(tài)學(xué)的首要條件，然而，二維自然頭位校正方法不再適用于三維軟件，并且目前三維軟件中校正自然頭位仍然依靠醫(yī)生的主觀經(jīng)驗(yàn)，缺乏客觀依據(jù)、可重復(fù)性和準(zhǔn)確性較差。因此，如何在軟件中重建患者自然頭位是三維立體攝影技術(shù)需要解決的基本問題。
本文對(duì)三維立體攝影技術(shù)校正自然頭位的方法作一綜述。
1、三維立體攝影技術(shù)
三維攝影或立體攝影起源于19世紀(jì)中葉，自1832年Charles Wheatstone發(fā)現(xiàn)立體圖像以來，三維攝影術(shù)逐漸發(fā)展為數(shù)字化三維攝影術(shù)[1-2]，包括CBCT、三維激光掃描以及三維立體攝影；相比傳統(tǒng)的二維影像，CBCT可提供高質(zhì)量的軟組織影像，但其有時(shí)間較長、輻射與噪音較大的問題[3]；三維激光掃描可在相對(duì)較短的掃描時(shí)間內(nèi)，無輻射、精確重建軟組織的顏色與質(zhì)感，但由于激光對(duì)眼部具有傷害的風(fēng)險(xiǎn)，患者必須保持閉眼的狀態(tài)，且皮膚色澤與質(zhì)感仍不可能被完美地呈現(xiàn)[4]。因此，三維立體攝影技術(shù)的優(yōu)勢(shì)顯而易見，主要在于患者可保持雙眼睜開、良好的可重復(fù)性和可靠性，并可顯示出患者軟組織的質(zhì)感與顏色3個(gè)方面[5-8]。該技術(shù)的方法是使用2臺(tái)或更多的相機(jī)置于患者兩側(cè)，獲取多組包含三維結(jié)構(gòu)與皮膚紋理的圖像，經(jīng)計(jì)算機(jī)軟件整合重建頭部模型，并顯示出形態(tài)、顏色與質(zhì)感，供后續(xù)測量評(píng)估。常用的商業(yè)軟件數(shù)字化三維攝影測量系統(tǒng)（digital threedimensional photogrammetry，3dMD）即結(jié)合了主動(dòng)立體攝影與被動(dòng)立體攝影技術(shù)，以獲得高精度、高質(zhì)量的圖像。
三維立體攝影技術(shù)對(duì)顱面人體測量學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了巨大的推動(dòng)作用，出于美學(xué)與功能的要求，在術(shù)前模擬、術(shù)中監(jiān)控、術(shù)后評(píng)估軟組織變化、顱頜面部畸形的量化、頜面外科創(chuàng)傷與腫瘤術(shù)、顱面矯正與重建、正頜手術(shù)、正畸前檢查與治療方案的制定等領(lǐng)域成為有力的工具[9]。
2、自然頭位
1958年，自然頭位[10]的標(biāo)準(zhǔn)定義是：自然頭位是當(dāng)人物主體直立并處于完全放松狀態(tài)下，雙眼在沒有任何外界干擾的情況下，水平注視前方時(shí)，該主體頭部所處的位置，是一類標(biāo)準(zhǔn)的、穩(wěn)定的、可重復(fù)的生理位置，反映了個(gè)體在自然生活狀態(tài)下的頭、頜、面、頸部的真實(shí)情況。隨后，一系列概念對(duì)自然頭位進(jìn)行了補(bǔ)充，包括自適位（即主體通過頭部減弱的屈伸運(yùn)動(dòng)以達(dá)到頭部最舒適的位置）、鏡像位（即主體通過鏡像反射替代注視遠(yuǎn)處來達(dá)到自然頭位）、自然頭姿勢(shì)（即主體準(zhǔn)備自然行走時(shí)的頭部位置）、自然頭向（即主體在自然頭位狀態(tài)下經(jīng)過操作人員校正后的位置）。自然頭位的臨床應(yīng)用廣泛，其短期與長期的穩(wěn)定性和可重復(fù)性已得到數(shù)位學(xué)者的驗(yàn)證，尤其是在一些學(xué)者[11-12]的系列研究中。
自然頭位是目前公認(rèn)的評(píng)價(jià)面部容貌的最佳參照基準(zhǔn)，因此，自然頭位的獲取是進(jìn)行面部形態(tài)頭影測量分析的首要條件[13]。整形外科、頜面外科和正畸科將自然頭位常規(guī)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)臨床檢查[10]、診斷、治療計(jì)劃的制定、治療過程中的監(jiān)測以及治療效果的最終評(píng)定中[14]。根據(jù)獲取方式的不同，自然頭位包括記錄自然頭位（即被測主體在自然放松狀態(tài)下進(jìn)行頭位的自我調(diào)節(jié)）、評(píng)價(jià)自然頭位（即有一定經(jīng)驗(yàn)并經(jīng)過訓(xùn)練的醫(yī)生通過主觀認(rèn)識(shí)，調(diào)整患者頭部使其處于自然、直立的位置）。
3、三維立體攝影技術(shù)自然頭位校正的方法
3.1 三維立體攝影測量校正自然頭位
目前，已有數(shù)位學(xué)者運(yùn)用多種輔助手段將三維立體攝影軟件中的數(shù)字化自然頭位校正至自然頭位。de Paula等[15]證實(shí)：使用微型三維動(dòng)態(tài)跟蹤傳感器輔助記錄自然頭位，可極大提高3dMD照片自然頭位的可重復(fù)性。首先，裝設(shè)傳感器的頭戴設(shè)備用于記錄6個(gè)自由度（上、下、前、后、左、右）的俯仰、橫滾和側(cè)偏角（俯仰表示頭部矢狀向變化，橫滾相當(dāng)于頭部冠狀向變化，側(cè)偏是描述頭部沿垂直軸旋轉(zhuǎn)）；接著，受試者坐直、面對(duì)鏡子，并將面部左右平分線與鏡子上的絕對(duì)垂直線對(duì)齊，保持自然頭位拍攝照片，用佩戴頭戴傳感器時(shí)測得的6個(gè)自由度與未佩戴時(shí)相同這一指標(biāo)來衡量2次拍攝之間頭位是否一致；最后，通過在軟件中測量相關(guān)軟組織標(biāo)記點(diǎn)之間的距離（鼻根點(diǎn)、鼻尖點(diǎn)、鼻下點(diǎn)、左右上下唇聯(lián)合、上下唇紅的中點(diǎn)和軟組織下齒槽座點(diǎn)）來比較有頭戴傳感器輔助的可重復(fù)性差異。結(jié)果表明：使用傳感器輔助的自然頭位相比不使用的可重復(fù)性更高。
其他研究也使用多種頭戴設(shè)備幫助重建自然頭位。如將數(shù)字化定向傳感器[16]或數(shù)字化陀螺儀[15,17]固定于患者臉部、使用陀螺儀或激光束[18]幫助患者擺正頭位、面部粘貼標(biāo)記幫助研究人員擺正圖像來獲得物理參考面[17]等，但存在頭戴設(shè)備的自重影響自然頭位[19]、頭部設(shè)備阻擋了上下唇圖像的獲取[19]以及面部標(biāo)記方法不夠便捷[10]等問題。
Weber等[20]進(jìn)行了一些改進(jìn)，取消了頭戴設(shè)備的使用。首先，令患者坐于一臺(tái)iCAT CBCT掃描儀內(nèi)，保持自然頭位。該iCAT用于發(fā)射紅外線光束至患者臉部，利用光束定位，位于前額與鼻尖的2個(gè)垂線點(diǎn)和耳前與顴骨下2個(gè)水平線點(diǎn)用墨水標(biāo)記，由此確立了垂線和水平線；隨后，運(yùn)用3dMD拍攝照片，在軟件中用4個(gè)數(shù)字化的墨點(diǎn)來建立矢狀面和水平面，冠狀面通過與二者均垂直來建立；最后，判定方法的可重復(fù)性，將2次重建的自然頭位前額與鼻部重合，比較二者2條x軸、y軸、z軸分別所成的角度，運(yùn)用此方法建立的三維自然頭位是可重復(fù)的。Weber等[20]方法的優(yōu)勢(shì)在于不需要特殊設(shè)備與軟件的輔助、也沒有射線輻射，但研究人員在患者臉部標(biāo)記墨點(diǎn)時(shí)患者可能會(huì)被轉(zhuǎn)移注意力，頭部出現(xiàn)輕微偏移，以及頭部震動(dòng)[21]；此外，標(biāo)記步驟與照相步驟分離，可能為醫(yī)生和患者帶來不便；故有研究者[22]質(zhì)疑其準(zhǔn)確性和便捷程度。由此可見，該方法雖然去除了頭戴設(shè)備對(duì)自然頭位的影響，但仍然存在標(biāo)記本身影響自然頭位的問題，以及延長操作時(shí)間的問題[23]。
Hsung等[24]不使用頭戴設(shè)備，也不在面部繪制或放置參考點(diǎn)，通過拍攝的參考板建立坐標(biāo)系來矯正軟件中重建的頭位網(wǎng)狀模型。第一步，用立體攝影測量儀記錄參考板的數(shù)字化網(wǎng)狀模型，該參考板正對(duì)測量儀并通過鉛垂線保持絕對(duì)垂直，通過紅外線光束平面以及設(shè)置在測量儀中間的鏡子保持絕對(duì)平行。第二步，導(dǎo)出參考板數(shù)字網(wǎng)狀模型的參數(shù)，來調(diào)整隨后記錄的患者面部圖像的俯仰、橫滾與側(cè)偏角度。該方法雖精準(zhǔn)、可重復(fù)，但仍需要一定的人工操作。在此基礎(chǔ)上，Hsung等[25]優(yōu)化方案、改進(jìn)參考板，使其同時(shí)具有物理參考垂線和自然頭位校準(zhǔn)的鏡像定向功能，這樣得以去除人工操作，并將其命名為自動(dòng)定向校準(zhǔn)（orientation-calibrated）的立體攝影測量。通過檢測6個(gè)自由度的偏差，此方法為目前精確度最高的自然頭位記錄方法，其精確度涉及4個(gè)因素：激光準(zhǔn)直測量的精確度、三維表面測量的可靠性、參考板的放置以及計(jì)算機(jī)定位軸的檢測；同時(shí)，3位操作者的檢測結(jié)果說明該方法具有高度可重復(fù)性。此外，一旦校準(zhǔn)完成，隨后的三維掃描記錄自然頭位就和普通照相一樣，患者可以在沒有任何附加裝置的情況下呈現(xiàn)最自然的頭位；并且，在校正后，設(shè)備自動(dòng)在記錄下的定向軸系基礎(chǔ)上拍攝頭位圖像，期間不涉及任何人工操作，由此消除了校正之后的階段由于操作者不同所帶來的誤差。
3.2 三維立體攝影輔助校正CBCT圖像至自然頭位
CBCT是口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中重要的頭影測量設(shè)備，其廣泛應(yīng)用于頜面外科、正畸科的評(píng)估診斷中，故獲取患者CBCT圖像自然頭位數(shù)據(jù)同樣非常重要。但應(yīng)用CBCT圖像校正自然頭位仍具有以下4個(gè)方面的問題：1）由于CBCT掃描的特殊性，不能同三維立體攝影一樣運(yùn)用頭戴設(shè)備或面部繪制或放置參考點(diǎn)；2）同時(shí)，CBCT使用方式與三維立體攝影不同，患者頭位可能是在平躺、坐姿或站姿的情況下記錄的，掃描時(shí)，患者頭部位置隨機(jī)使基于此的畸形評(píng)估測量等不準(zhǔn)確[26]（有學(xué)者認(rèn)為仰臥位下[19]以及使用了頭部固定裝置[20]獲得的頭位并非生理頭位）；3）二維的顱內(nèi)參考線，比如Frankfort水平面等在評(píng)估CBCT掃描軟組織模型時(shí)不再可用，目前缺少可靠的外部參考[27]；4）由于CT掃描時(shí)間相對(duì)較長（20~40 s），患者難以長時(shí)間維持同一姿勢(shì)，故在CT圖像中擺正頭位較為困難。
一些研究巧妙地規(guī)避校正CBCT圖像至自然頭位可能出現(xiàn)的上述問題，提出以正面照片為基準(zhǔn)，首先校正3dMD頭像至自然頭位，再以矯正完成3dMD中的自然頭位為基準(zhǔn)，將CBCT的頭像校正至自然頭位的方法（表1）。如Kim等[19]建立了一種在頭顱模型的正面照上運(yùn)用一個(gè)執(zhí)行3D姿態(tài)估計(jì)的計(jì)算機(jī)視覺縮放算法（pose from orthography and scaling with iterations，POSIT），記錄重建3D自然頭位，并隨后校正CBCT圖像至自然頭位的方法。該方法在頭顱模型上完成，還未運(yùn)用到患者的試驗(yàn)。首先，頭顱模型面部固定7個(gè)直徑4 mm的陶瓷球形標(biāo)記物作為標(biāo)志點(diǎn)，頭顱模型保持自然頭位并固定在一個(gè)底座上，底座上有金屬球供CBCT圖像中校正自然頭位；其次，拍攝二維正面照片時(shí)，相機(jī)放在固定的三腳架上，并用水平儀校正保持與地面平行，拍攝后即可獲得二維照片的自然頭位；隨后，立即拍攝CBCT圖像；最后，二維正面照片與CBCT導(dǎo)入軟件后，拍攝的二維照片上標(biāo)記點(diǎn)中心所在的位置被轉(zhuǎn)化為二維坐標(biāo)（xi，yi），運(yùn)用POSIT即可算出將其轉(zhuǎn)化為三維坐標(biāo)（xi，yi，zi），此時(shí)，俯仰、橫滾和側(cè)偏的旋轉(zhuǎn)角度可校正CBCT圖像至自然頭位。通過比較有無POSIT校正的自然頭位的俯仰、橫滾和側(cè)偏的差異來判斷該方法的精確度，結(jié)果表明：2種方法的精確度差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，同時(shí)，2位操作者之間差異也無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，其可重復(fù)性較好。該方法具有簡單、準(zhǔn)確、成本低廉、無遮擋、不影響唇部位置的優(yōu)點(diǎn)[28-29]。
4、總結(jié)與展望
將三維攝影技術(shù)應(yīng)用于軟組織的評(píng)估與診斷中，有助于遠(yuǎn)程診療、輔助治療，良好醫(yī)患溝通的實(shí)現(xiàn)；三維立體攝影與CBCT具有良好的應(yīng)用前景，臨床工作中，需要建立一種基于三維攝影技術(shù)的三維頭面部測量評(píng)估系統(tǒng)，而評(píng)估系統(tǒng)必然是以自然頭位為基準(zhǔn)的。
然而，相比記錄自然頭位，對(duì)于評(píng)價(jià)自然頭位的研究較少[30]，這主要緣于三維評(píng)價(jià)自然頭位受醫(yī)生主觀經(jīng)驗(yàn)影響較大。但其優(yōu)勢(shì)在于不僅不需要在患者的面部放置工具或標(biāo)定標(biāo)志點(diǎn)，也不用主觀辨別特定的標(biāo)志點(diǎn)；在CBCT圖像中，頭部模型不會(huì)留下頭面部外部設(shè)備的圖像，同時(shí)，也不會(huì)影響患者的重要軟組織標(biāo)志、更不會(huì)使面部軟組織變形。將記錄自然頭位方法與評(píng)價(jià)自然頭位方法相結(jié)合，可提出一種結(jié)合兩者優(yōu)勢(shì)的新方法。首先，運(yùn)用3dMD系統(tǒng)拍攝重建受試者的自然頭位；接著，選取一系列高度精確標(biāo)志點(diǎn)作為水平標(biāo)志點(diǎn)與垂直標(biāo)志點(diǎn)，過這些標(biāo)志點(diǎn)作水平面與矢狀面，垂直于這2個(gè)面為冠狀面，可在軟件中自動(dòng)擺正頭位，并驗(yàn)證其精確度與可重復(fù)性。該方法的優(yōu)勢(shì)在于操作簡單、快捷，相比評(píng)價(jià)自然頭位不依賴于操作者的經(jīng)驗(yàn)，相比許多記錄自然頭位不依賴于頭部設(shè)備及物理標(biāo)志點(diǎn)的使用，特定標(biāo)志點(diǎn)的辨別簡單、易學(xué)，初學(xué)者可輕松操作。但其與其他方法相比的可重復(fù)性與精確度還有待進(jìn)一步的研究。
5 參考文獻(xiàn)（略）
（本文編輯 王姝）
