國丹妮，潘韶霞△，衡墨笛，屈 健，魏秀霞，周永勝

(北京大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院·口腔醫(yī)院，1. 修復(fù)科，2.義齒加工中心 國家口腔疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心 口腔數(shù)字化醫(yī)療技術(shù)和材料國家工程實(shí)驗(yàn)室 口腔數(shù)字醫(yī)學(xué)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

三維面部掃描技術(shù)的應(yīng)用為實(shí)現(xiàn)三維美學(xué)預(yù)測及治療設(shè)計(jì)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)[1-5], 日漸廣泛應(yīng)用于多個(gè)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。面部掃描作為一種非接觸、非侵入式技術(shù)手段，具有掃描時(shí)間短、節(jié)省臨床時(shí)間、可簡化治療流程、增加美學(xué)和功能預(yù)期性的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)與計(jì)算機(jī)斷層掃描影像(cone beam computed tomography，CBCT)重建軟組織技術(shù)相比，無放射暴露風(fēng)險(xiǎn)，軟組織成像精確度高，可重建出高質(zhì)量真實(shí)彩色三維圖像[6]。因此，整形美容外科、口腔正畸科、口腔正頜外科等已應(yīng)用此技術(shù)輔助用于美學(xué)預(yù)測、診斷治療方案制定及療效評價(jià)[7]。而口腔修復(fù)治療與面部形態(tài)全面識別及綜合分析息息相關(guān)，因此結(jié)合面部掃描技術(shù)構(gòu)建“虛擬患者”將成為修復(fù)治療領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。無牙頜種植修復(fù)面臨兼具美觀及口腔功能重建的治療難點(diǎn)，需綜合評估牙槽嵴、頜骨和頭面部軟組織信息。目前，面部掃描數(shù)據(jù)可與多種數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，完成前牙美學(xué)修復(fù)設(shè)計(jì)[8]，虛擬排牙[9]，部分實(shí)現(xiàn)修復(fù)體臨床試戴功能[10]，制作即刻全口義齒[11]，便于醫(yī)生、技工、患者有效溝通[12]。與既往應(yīng)用不同的是無牙頜種植修復(fù)需重點(diǎn)考慮頜位關(guān)系、豐滿度等口頜重建關(guān)鍵要素的數(shù)字化重建以及修復(fù)設(shè)計(jì)，因此需建立三維“虛擬患者”貫通術(shù)前設(shè)計(jì)與最終修復(fù)。面部掃描數(shù)據(jù)是建立無牙頜修復(fù)三維“虛擬患者”的關(guān)鍵，其與頜骨、口腔掃描，虛擬牙列的精確匹配決定了預(yù)期修復(fù)效果的準(zhǔn)確性。面部掃描數(shù)據(jù)精確配準(zhǔn)主要受面部掃描儀精度和數(shù)據(jù)配準(zhǔn)方法這兩個(gè)關(guān)鍵因素影響。常用面部掃描儀誤差值為140～1 330 μm[13]，對正常面型人群面部掃描儀測量精度為0.3～0.4 mm，可滿足口腔修復(fù)所需精度要求 (0.5 mm)[14]。三維數(shù)據(jù)配準(zhǔn)需依賴相應(yīng)的標(biāo)志點(diǎn)或固定的同一表面，既往研究有采用面部解剖標(biāo)志點(diǎn)對齊[15]、面部不動(dòng)區(qū)域?qū)R[16]、增加面部特征點(diǎn)對齊[17]、增加口內(nèi)特征標(biāo)記對齊[18]或多種方法結(jié)合[19]完成配準(zhǔn)。但是既往研究多針對同一狀態(tài)下患者面部掃描數(shù)據(jù)，而無牙頜種植修復(fù)需要將體現(xiàn)咬合記錄關(guān)系的面部掃描(開口器牽拉)與反映美學(xué)參考信息的面部掃描(大笑)精確配準(zhǔn)，兩種面部掃描數(shù)據(jù)的面部軟組織形態(tài)差異較大，因此需要適宜的配準(zhǔn)方法。本研究旨在比較不同配準(zhǔn)方法完成大笑和開口器牽拉兩種狀態(tài)下獲取的三維面部掃描數(shù)據(jù)配準(zhǔn)的誤差，探究適宜的配準(zhǔn)方法，為完善無牙頜種植修復(fù)患者面部掃描流程提供參考建議。

1 資料與方法

1.1 研究對象

招募15例2019年1月到2020年1月在北京大學(xué)口腔醫(yī)院修復(fù)科就診的上頜無牙頜或終末期牙列要求種植修復(fù)的患者作為研究對象，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)共納入10例受試者。

納入標(biāo)準(zhǔn)：(1)上頜要求種植固定修復(fù)；(2)頜位關(guān)系基本正常；(3)可獲得大笑和開口器牽拉兩種狀態(tài)下的三維面部掃描數(shù)據(jù)；(4)自愿參與研究，簽署知情同意書。

排除標(biāo)準(zhǔn)：(1)急、慢性顳下頜關(guān)節(jié)紊亂綜合征患者，有口頜面化療史，黏膜慢性炎癥、增生等或其他可能將實(shí)驗(yàn)過程復(fù)雜化的口腔病理狀態(tài)者；(2)局部或全身情況不適宜種植修復(fù)者。

本研究開始前已在中國臨床試驗(yàn)注冊中心(Chinese Clinical Trial Registry, ChiCTR)注冊(注冊號：ChiCTR-2000038501), 并且已經(jīng)北京大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)倫理委員會審查批準(zhǔn)(PKUSSIRB-202057115)， 本研究嚴(yán)格遵守赫爾辛基宣言(World Medical Association Declaration of Helsinki, version 2013)， 所有受試者均已簽署知情同意書。

1.2 設(shè)備和軟件

FaceScan三維顏面部掃描儀購自德國3D System公司，結(jié)構(gòu)光原理，掃描速度0.2～0.8 s，精度0.2 mm，掃描范圍270°～320°；三維逆向工程軟件Geomagic Qualify 2012購自美國Raindrop公司。

1.3 研究方法

1.3.1獲取數(shù)據(jù)

受試者坐位，距離FaceScan攝像頭150 cm，自然頭位，雙眼平視前方，分別在自然大笑位和開口器牽拉暴露上、下頜牙列或蠟堤位完成面部掃描(圖1)， 獲取大笑位和開口器牽拉時(shí)面部掃描數(shù)據(jù)，以O(shè)BJ格式存儲。將面部掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Qualify 2012分析軟件，其中自然大笑位面部掃描數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)面部掃描(Ref面部掃描)，開口器牽拉暴露口內(nèi)面部掃描數(shù)據(jù)為測量面部掃描(Test面部掃描)。Ref面部掃描與Test面部掃描統(tǒng)一局部坐標(biāo)系，定義瞳孔連線方向?yàn)閤軸，患者左方為正；鼻翼耳屏線方向?yàn)閦軸，朝向患者面部后方為正(圖2)。

A，facial scan data of natural laughter；B，facial scan data with opener traction.

1.3.2數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

分別采用5種方法對Ref面部掃描和Test面部掃描進(jìn)行配準(zhǔn)。

1.3.2.1面部解剖標(biāo)志點(diǎn)對齊(anatomical landmarks-N, AN) 選擇左、右內(nèi)眥，外眥，耳屏和鼻根共7個(gè)面部軟組織解剖標(biāo)志點(diǎn)，通過N點(diǎn)對齊完成兩個(gè)面部掃描數(shù)據(jù)的重疊。

1.3.2.2面部不動(dòng)區(qū)域?qū)R(partial region-ICP, R-ICP) 選擇受試者額部和鼻根，進(jìn)行選中區(qū)域迭代最近點(diǎn)算法(interactive closest point, ICP)配準(zhǔn)，最佳擬合對齊完成兩個(gè)面部掃描數(shù)據(jù)的重疊。

1.3.2.3面部點(diǎn)對齊與區(qū)域?qū)R結(jié)合(N-ICP) 先選擇左、右內(nèi)眥，外眥，耳屏和鼻根共7個(gè)面部軟組織解剖標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行粗配準(zhǔn)，再選擇受試者額部和鼻根進(jìn)行ICP配準(zhǔn)。

1.3.2.4增加面部特征點(diǎn)對齊(face-specific markers-N, FN) 選擇受試者面部軟組織不變區(qū)域特征標(biāo)記點(diǎn)7個(gè)，通過N點(diǎn)對齊完成兩個(gè)面部掃描數(shù)據(jù)的重疊。

1.3.2.5增加面部和口內(nèi)特征標(biāo)記對齊(face and oral specific markers-N, FON) 在1.3.2.4小節(jié)的基礎(chǔ)上，增加2個(gè)蠟堤特征標(biāo)記點(diǎn)，通過N點(diǎn)對齊完成兩個(gè)面部掃描數(shù)據(jù)的重疊。

1.3.3測量分析

1.3.3.1配準(zhǔn)誤差 平行于z軸過受試者眉心點(diǎn)建立分隔面上1/3部位的平面，選定面上1/3暴露面部皮膚為測量區(qū)域(圖3)。計(jì)算Ref面部掃描和Test面部掃描選中區(qū)域以相應(yīng)方法配準(zhǔn)后的三維偏差，記錄RMS (root mean square)值。

圖2 建立局部坐標(biāo)系 圖3 選定統(tǒng)一測量區(qū)域

1.3.3.2分組分析 (1)第1組，面部點(diǎn)對齊與區(qū)域?qū)R配準(zhǔn)效果：比較配準(zhǔn)方法AN、R-ICP、N-ICP 選中區(qū)域的三維偏差；(2)第2組，增加面部特征點(diǎn)對齊與面部解剖標(biāo)志點(diǎn)對齊配準(zhǔn)效果：比較配準(zhǔn)方法AN、FN 選中區(qū)域的三維偏差；(3)第3組，增加口內(nèi)特征標(biāo)記對齊的配準(zhǔn)效果：比較配準(zhǔn)方法FN、FON選中區(qū)域的三維偏差(圖4)。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

使用SPSS 22.0軟件，計(jì)量數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，經(jīng)Shapiro-Wilk檢驗(yàn)，各組數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布(P>0.05)， 經(jīng)箱型圖判斷數(shù)據(jù)有異常值，因此面部解剖標(biāo)志點(diǎn)對齊、面部不動(dòng)區(qū)域?qū)R、面部點(diǎn)對齊與區(qū)域?qū)R結(jié)合3種方法組間差異比較采用單因素重復(fù)測量方差分析中的Frideman檢驗(yàn)，雙側(cè)檢驗(yàn)，檢驗(yàn)水準(zhǔn)α= 0.05。是否增加面部特征點(diǎn)對齊和是否增加口內(nèi)特征標(biāo)記對齊的兩組間數(shù)據(jù)比較進(jìn)行配對t檢驗(yàn)，P<0.05認(rèn)為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

選擇面部解剖標(biāo)志點(diǎn)對齊、面部不動(dòng)區(qū)域?qū)R及面部點(diǎn)對齊與區(qū)域?qū)R結(jié)合的3種配準(zhǔn)方法，面上1/3選中區(qū)域三維偏差組間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 (χ2=16.800，df=2，P<0.001)。采用AN法[(1.501 2±0.406 1) mm]，三維偏差平均值顯著大于R-ICP法[(0.629 1±0.150 6) mm] (P=0.022) 及N-ICP法[(0.603 5±0.493 4) mm] (P<0.001)。面部點(diǎn)對齊與區(qū)域?qū)R結(jié)合的三維偏差略小于面部不動(dòng)區(qū)域?qū)R配準(zhǔn)后的三維偏差，兩者間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.539)。

選擇增加面部特征點(diǎn)進(jìn)行N點(diǎn)對齊(face-speci-fic markers-N，F(xiàn)N)， 選中區(qū)域三維偏差為(0.793 5±0.223 4) mm，顯著小于僅選擇面部解剖標(biāo)志點(diǎn)對齊后的偏差(P<0.001)。

增加面部和口內(nèi)特征標(biāo)記進(jìn)行N點(diǎn)對齊，選中區(qū)域三維偏差[(0.778 1±0.258 6) mm]略小于僅增加面部特征點(diǎn)對齊后的三維偏差[(0.793 5±0.223 4) mm]，兩者間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.867，t=0.172, df=9)。

A, B, the 3D deviations of anatomical landmarks-N (AN); C, D, the 3D deviations of partial region-interactive closest point (ICP); E, F, the 3D deviations of N-ICP; G, H, the 3D deviations of face-specific markers-N (FN); I, J, the 3D deviations of face and oral specific markers-N (FON).

3 討論

本研究對于臨床無牙頜或終末期牙列的患者修復(fù)設(shè)計(jì)前的面部掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，需考慮多種因素影響。首先,待配準(zhǔn)的自然大笑位面部掃描數(shù)據(jù)和開口器牽拉面部掃描數(shù)據(jù)，面中下2/3區(qū)域軟組織有明顯形變，無法為配準(zhǔn)提供面中部的參考標(biāo)志；第二，口內(nèi)情況不相一致，包括舊修復(fù)體、蠟堤、余留天然牙3類；第三，年齡較大的無牙頜患者面部表情變化較大時(shí)，作為穩(wěn)定標(biāo)志的前額會因皺紋等出現(xiàn)變形；最后是配準(zhǔn)后的面部掃描數(shù)據(jù)擬行修復(fù)體設(shè)計(jì)，需兼顧口內(nèi)區(qū)域的配準(zhǔn)精度。因此，本研究選擇面部解剖標(biāo)志點(diǎn)對齊、面部不動(dòng)區(qū)域?qū)R、面部點(diǎn)對齊與區(qū)域?qū)R結(jié)合、增加面部特征點(diǎn)對齊及增加面部和口內(nèi)特征標(biāo)記對齊共5種擬行配準(zhǔn)方案用于比較。

本研究選擇面部掃描配準(zhǔn)常用的7個(gè)解剖標(biāo)志點(diǎn)行N點(diǎn)對齊，前額區(qū)域三維偏差平均(1.501 2±0.406 1) mm，顯著大于其他配準(zhǔn)方法，原因可能在于解剖標(biāo)志點(diǎn)均集中于面上1/3不動(dòng)區(qū)域，而通常多選擇面中1/3區(qū)域解剖標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行配準(zhǔn)，因面中1/3曲率變化明顯可有更高的配準(zhǔn)精度[20]；僅利用7個(gè)解剖標(biāo)志點(diǎn)不足以完成較大的面部掃描文件的精確配準(zhǔn)；兩種不同狀態(tài)下的面部掃描數(shù)據(jù)，患者的表情可出現(xiàn)較明顯的變化，內(nèi)、外眥及鼻根標(biāo)志點(diǎn)在選取過程中即出現(xiàn)較大誤差[21]。這一結(jié)果提示，選擇面部解剖標(biāo)志點(diǎn)可進(jìn)行初步粗配準(zhǔn)，但是應(yīng)進(jìn)一步結(jié)合其他配準(zhǔn)方法完成最終圖像重疊。

本研究選擇面部不動(dòng)區(qū)域?qū)R即利用前額局部未發(fā)生形變區(qū)域完成ICP配準(zhǔn)，三維偏差明顯減小，此結(jié)果與既往用于分析正畸治療前后面部掃描數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)方法研究結(jié)果不一致[22]，既往研究結(jié)果表明點(diǎn)重疊、額部區(qū)域重疊和軟件自動(dòng)重疊對于成人面部掃描數(shù)據(jù)配準(zhǔn)3種方法間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但更加推薦點(diǎn)重疊的方法，這可能與研究中測量三維偏差方法不同有關(guān)。ICP算法需利用眾多點(diǎn)云數(shù)據(jù)計(jì)算最佳擬合位置，具備足夠特異性的形態(tài)特征可提高其準(zhǔn)確性，因此利用面上1/3區(qū)域ICP配準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)盡量選定范圍延伸至轉(zhuǎn)折處，但部分無牙頜患者因面部皺紋改變等可能無法適用于區(qū)域配準(zhǔn)[20]。

本研究增加面部特征點(diǎn)顯著減小了配準(zhǔn)誤差，因此可考慮在面部前額不動(dòng)區(qū)域設(shè)計(jì)面部特征性標(biāo)志，用以輔助配準(zhǔn)，提高精度[17,23]。臨床實(shí)際應(yīng)用面部掃描數(shù)據(jù)配準(zhǔn)可知對于面部皺紋較深的老年患者，微笑時(shí)前額變形會影響配準(zhǔn)的準(zhǔn)確性，不適用于局部區(qū)域最佳擬合對齊。同時(shí)還需注意多種因素(如環(huán)境照明、掃描儀位置、患者姿勢及頭位、面部表情,以及是否避免頭發(fā)遮蓋面部重要區(qū)域)影響掃描的精度[24-25]。無牙頜患者修復(fù)治療需同時(shí)兼顧美學(xué)與口腔功能重建，治療前后面部中下區(qū)域形態(tài)可能出現(xiàn)明顯改變，因此本研究采用面上1/3不動(dòng)區(qū)域進(jìn)行配準(zhǔn)，適用于所有無牙頜修復(fù)。

此外，余留有天然牙列的患者，可利用口內(nèi)暴露牙列設(shè)定標(biāo)志點(diǎn)，無牙頜患者需借助固定有特征性標(biāo)記點(diǎn)的蠟堤等輔助完成面部掃描。但本研究增加了口內(nèi)特征標(biāo)記未能顯著提高配準(zhǔn)精度，可能與面部掃描數(shù)據(jù)中口蠟堤出現(xiàn)拼接變形有關(guān)，因此在適用的情況下，應(yīng)盡可能增加口內(nèi)特征標(biāo)記形態(tài)的特異性及增大特征標(biāo)記分布范圍。采用口外輔助裝置配準(zhǔn)可降低形變，提高配準(zhǔn)可靠性，但目前多見應(yīng)用于天然牙列的病例報(bào)告中[12,17-18]，且輔助裝置會部分遮擋面部區(qū)域，適用于無牙頜患者的輔助裝置尚待進(jìn)一步探究。

本研究仍存在一定的局限性，確定解剖標(biāo)志點(diǎn)的位置存在一定的選擇誤差，納入樣本量較小，配準(zhǔn)誤差結(jié)果指標(biāo)較為單一且無法分析配準(zhǔn)后誤差值在坐標(biāo)系中的方向。這些不足之處可通過選擇特征明確的解剖標(biāo)志點(diǎn)、擴(kuò)大樣本量及選擇標(biāo)志點(diǎn)測量偏差大小及方向進(jìn)行一定程度的彌補(bǔ)。

綜上所述，應(yīng)用于無牙頜種植修復(fù)設(shè)計(jì)的三維面部掃描應(yīng)注意保留盡可能多的前額區(qū)域，增加面部特征性點(diǎn)進(jìn)行粗配準(zhǔn)，再利用面部不動(dòng)區(qū)域完成最佳擬合對齊，以期提高配準(zhǔn)精度。利用面上1/3不動(dòng)區(qū)域及增加面部特征點(diǎn)完成三維面部掃描配準(zhǔn)應(yīng)用于無牙頜種植修復(fù)設(shè)計(jì)是臨床可行的。