尹一佳 馮捷 羅夢奇 韓向龍（通信作者）
口腔疾病研究國家重點實驗室 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，軟組織評估對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)前評估愈發(fā)重要。臨床工作中，三維攝影技術(shù)如錐形束計算機斷層掃描、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、快捷、自動、無害的優(yōu)點。然而，尚無國際統(tǒng)一的三維頜面部測量標準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的評價面部容貌的最佳參照基準，故建立三維頜面部測量標準的首要任務(wù)是建立擺正頭位的標準方法。本文著重敘述基于三維立體攝影技術(shù)的頭位擺正方法，并將系列方法與基于錐形束計算機斷層掃描的頭位擺正方法進行比較分析，進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)；錐形束計算機斷層掃描
[中圖分類號] R 783.5 [文獻標志碼] 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)前評估中顯得愈發(fā)重要。軟組織評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)如錐形束計算機斷層掃描（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，具體表現(xiàn)為更精準、更快捷、更自動、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，相比CBCT，其具有無輻射的優(yōu)點。
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準。由于自然頭位（natural head position）是目前公認的評價面部容貌的最佳參照基準，故建立三維頜面部測量標準的首要任務(wù)是建立校正自然頭位的標準方法。從另一方面來說，二維到三維，自然頭位一直是評價頜面部形態(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，缺乏客觀依據(jù)、可重復(fù)性和準確性較差。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，但其有時間較長、輻射與噪音較大的問題[3]；三維激光掃描可在相對較短的掃描時間內(nèi)，無輻射、精確重建軟組織的顏色與質(zhì)感，但由于激光對眼部具有傷害的風(fēng)險，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個方面[5-8]。該技術(shù)的方法是使用2臺或更多的相機置于患者兩側(cè)，獲取多組包含三維結(jié)構(gòu)與皮膚紋理的圖像，經(jīng)計算機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)合了主動立體攝影與被動立體攝影技術(shù)，以獲得高精度、高質(zhì)量的圖像。
三維立體攝影技術(shù)對顱面人體測量學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了巨大的推動作用，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]的標準定義是：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，該主體頭部所處的位置，是一類標準的、穩(wěn)定的、可重復(fù)的生理位置，反映了個體在自然生活狀態(tài)下的頭、頜、面、頸部的真實情況。隨后，一系列概念對自然頭位進行了補充，包括自適位（即主體通過頭部減弱的屈伸運動以達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處來達到自然頭位）、自然頭姿勢（即主體準備自然行走時的頭部位置）、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的評價面部容貌的最佳參照基準，因此，自然頭位的獲取是進行面部形態(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、治療計劃的制定、治療過程中的監(jiān)測以及治療效果的最終評定中[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)下進行頭位的自我調(diào)節(jié)）、評價自然頭位（即有一定經(jīng)驗并經(jīng)過訓(xùn)練的醫(yī)生通過主觀認識，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：使用微型三維動態(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、面對鏡子，并將面部左右平分線與鏡子上的絕對垂直線對齊，保持自然頭位拍攝照片，用佩戴頭戴傳感器時測得的6個自由度與未佩戴時相同這一指標來衡量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)軟組織標記點之間的距離（鼻根點、鼻尖點、鼻下點、左右上下唇聯(lián)合、上下唇紅的中點和軟組織下齒槽座點）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]以及面部標記方法不夠便捷[10]等問題。
Weber等[20]進行了一些改進，取消了頭戴設(shè)備的使用。首先，令患者坐于一臺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個垂線點和耳前與顴骨下2個水平線點用墨水標記，由此確立了垂線和水平線；隨后，運用3dMD拍攝照片，在軟件中用4個數(shù)字化的墨點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記墨點時患者可能會被轉(zhuǎn)移注意力，頭部出現(xiàn)輕微偏移，以及頭部震動[21]；此外，標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)備對自然頭位的影響，但仍然存在標記本身影響自然頭位的問題，以及延長操作時間的問題[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，通過拍攝的參考板建立坐標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，該參考板正對測量儀并通過鉛垂線保持絕對垂直，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、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、改進參考板，使其同時具有物理參考垂線和自然頭位校準的鏡像定向功能，這樣得以去除人工操作，并將其命名為自動定向校準（orientation-calibrated）的立體攝影測量。通過檢測6個自由度的偏差，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個因素：激光準直測量的精確度、三維表面測量的可靠性、參考板的放置以及計算機定位軸的檢測；同時，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用頭戴設(shè)備或面部繪制或放置參考點；2）同時，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，患者頭部位置隨機使基于此的畸形評估測量等不準確[26]（有學(xué)者認為仰臥位下[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水平面等在評估CBCT掃描軟組織模型時不再可用，目前缺少可靠的外部參考[27]；4）由于CT掃描時間相對較長（20~40 s），患者難以長時間維持同一姿勢，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，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，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用一個執(zhí)行3D姿態(tài)估計的計算機視覺縮放算法（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，還未運用到患者的試驗。首先，頭顱模型面部固定7個直徑4 mm的陶瓷球形標記物作為標志點，頭顱模型保持自然頭位并固定在一個底座上，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，相機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記點中心所在的位置被轉(zhuǎn)化為二維坐標（xi，yi），運用POSIT即可算出將其轉(zhuǎn)化為三維坐標（xi，yi，zi），此時，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)計學(xué)意義，同時，2位操作者之間差異也無統(tǒng)計學(xué)意義，其可重復(fù)性較好。該方法具有簡單、準確、成本低廉、無遮擋、不影響唇部位置的優(yōu)點[28-29]。
4、總結(jié)與展望
將三維攝影技術(shù)應(yīng)用于軟組織的評估與診斷中，有助于遠程診療、輔助治療，良好醫(yī)患溝通的實現(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估系統(tǒng)，而評估系統(tǒng)必然是以自然頭位為基準的。
然而，相比記錄自然頭位，對于評價自然頭位的研究較少[30]，這主要緣于三維評價自然頭位受醫(yī)生主觀經(jīng)驗影響較大。但其優(yōu)勢在于不僅不需要在患者的面部放置工具或標定標志點，也不用主觀辨別特定的標志點；在CBCT圖像中，頭部模型不會留下頭面部外部設(shè)備的圖像，同時，也不會影響患者的重要軟組織標志、更不會使面部軟組織變形。將記錄自然頭位方法與評價自然頭位方法相結(jié)合，可提出一種結(jié)合兩者優(yōu)勢的新方法。首先，運用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志點作為水平標志點與垂直標志點，過這些標志點作水平面與矢狀面，垂直于這2個面為冠狀面，可在軟件中自動擺正頭位，并驗證其精確度與可重復(fù)性。該方法的優(yōu)勢在于操作簡單、快捷，相比評價自然頭位不依賴于操作者的經(jīng)驗，相比許多記錄自然頭位不依賴于頭部設(shè)備及物理標志點的使用，特定標志點的辨別簡單、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一步的研究。
5 參考文獻（略）
（本文編輯 王姝）
