基于立体摄影测量法的面部软组织容积变化定量评估方案

摘要

我们提供了一种利用立体摄影测量法对软组织变化进行三维分析的详细方案。

摘要

评估牙科、正畸治疗以及正颌手术对面部软组织的影响至关重要，因为这些治疗方式会显著影响面部美观，从而影响患者的满意度。准确评价面部软组织的反应对于实现最佳治疗效果具有重要意义。三维（3D）立体摄影测量是一种可靠、无辐射、非侵入性的工具，可用于对面部软组织表面进行定量评估，能够高度精确地呈现面部结构。本方案旨在展示一种利用立体摄影测量技术对面部软组织变化进行定量评估的方法。在视频演示中，我们使用了一款三维图像分析软件。该方案包含图像准备、空间配准至三维坐标轴、感兴趣区域的选择与叠加，以及计算参与评估的两个软组织表面图像之间所夹区域的体积等步骤。本方案已通过有效性和可重复性验证，可广泛应用于临床及科研领域。

引言

面部软组织变化的评估在牙科中具有重要意义，因为面部软组织是美学和功能的重要组成部分，并被视为各牙科领域治疗计划中不可或缺的一环。通过对软组织的评估，临床医生能够预测正畸、修复和正颌外科等治疗干预措施对面部外观和面部协调性的影响¹。若仅依赖骨骼或牙齿的测量结果，可能导致治疗效果不理想，因为理想的咬合关系和/或骨骼关系的实现并不总能转化为协调或预期的面部软组织变化^2,3。

软组织分析对于个体化治疗方案的制定至关重要，因为它有助于识别面部的基本特征，预测生长和衰老的影响，并预估牙科、正畸或外科干预对面部轮廓和结构支撑的改变^4,5。具体而言，唇部支撑、面部凸度以及下面部高度的变化直接受到牙科和骨骼结构改变的影响，这些变化会显著影响患者的满意度以及美学效果的感知^2,4。在美学区域实现理想治疗效果的关键在于准确评估软组织变化，尤其是在种植和修复牙科中，维持或增加软组织体积对于保持自然的外观和功能至关重要⁶。现代三维成像与扫描技术提高了软组织测量的精确性和可重复性，有助于更准确的诊断、治疗规划及疗效评估^7,8,9。

软组织评估的金标准是通过连续三维成像来量化软组织体积变化，辅以临床检查和患者报告的症状¹⁰。其中最准确且可重复性最高的方法是连续三维立体摄影测量或激光表面扫描，该方法能够精确测量随时间推移的软组织体积变化^10,11,12。以往文献已在口腔颌面领域描述了多种用于评估面部软组织变化的定量方法，但所报告的结果仍存在高度变异性^{10,11,12,13,14,15,16,17}。然而，在大多数先前的研究中，并未包含有关具体操作步骤的详细信息，且结果的可重复性通常也未被报告。此外，目前尚无视频展示该过程的手动操作部分，而这对希望开展软组织评估的临床医生和研究人员而言具有重要的实践价值。本视频详细展示了利用面部表面成像进行半自动化、高精度且高度可重复的三维体积变化评估的方法学。

方案

本方案遵循美国国立卫生研究院机构审查委员会（NIDCR IRB #16-D-0040）制定的伦理准则进行。所有受试者均在经 NIH IRB 批准的方案（NCT02639312）下签署知情同意书，允许将三维面部照片用于科研相关出版物。所有影像采集均在美国国立卫生研究院牙科诊所使用三维成像系统完成。¹⁸。参见 材料表 有关本方案所用软件的详细信息。已获得使用本方案中3D面部照片的明确同意。

1. 图像准备

1. 系统会采集三张图像：右侧、正面、左侧，并自动将这些图像处理为单个3D图像。如果自动拼接失败，请确保图像按指定顺序拍摄，且体位正确（相机角度、睁眼、闭口）。如果图像显示已正确采集，请按照软件提示手动添加标记点，确认无误后点击重试拼接。
2. 如需在不改变空间方向的前提下操作图像，请使用左侧菜单中带有眼睛 图标的工具： 移动、旋转、倾斜、缩放。
3. 使用框选裁剪 快速删除所选矩形框外的所有无关区域。
   注意：如需更精确的编辑，可使用画笔区域选择功能，手动选择需删除的区域，并可通过调整画笔大小实现精细修整。
4. 通过文件 菜单中的保存 选项保存已编辑的图像。

2. 基线图像与三维坐标轴网格的配准

注意：基线图像由研究设计确定。该图像将作为参考，用于后续对每个受试者的图像进行配准。中线对称性的建立方法如下：

1. 从顶部工具栏选项中选择"轴网格"，以显示所有平面的三维轴网格。
2. 点击顶部工具栏中的对齐视图 ，将图像对齐至最接近的90°正面视角。
3. 从左侧工具栏中选择旋转活动表面 （立方体图标），并旋转图像，直至其被垂直（Y）轴均匀平分。
4. 从顶部工具栏的"区域"选项下的"工具"菜单中使用绘制区域选择工具，按住鼠标左键并移动光标，在图像的前表面拖动画笔以高亮选中面部区域。
5. 选中后，从顶部工具栏的"表面"菜单中点击查找对称性 ，以自动将图像沿其中心的垂直轴对齐。
6. 在顶部工具栏的"区域"菜单下的"选择"选项中使用清除区域 ，以取消选中该区域。
7. 为校正图像旋转并建立前后方向以进行配准，首先通过选择顶部工具栏中的在两个视口中分别显示一个表面 选项，将图像显示在两个视口中 。
8. 使用左侧工具栏中的旋转工具（眼睛图标） 以及顶部工具栏中的对齐功能  获得侧视图。在侧视图窗口中，使用左侧工具栏中的翻转活动表面（立方体图标）调整图像，使头部位置与网格垂直对齐。接着，从左侧工具栏中选择平移活动表面（立方体图标），在侧视图中移动图像，使其居于主垂直轴上。请务必保存已配准的图像。

3. 标志点标注

注意：选择基于软组织解剖标志点的配准方法而非基于表面的方法，以更好地应对表面可用性的差异，这种差异受图像质量限制，并且仅限于未受手术影响的区域。每幅图像的标志点标注顺序应保持一致。如果可能，应标注位于手术影响区域之外的患者特异性标志点，例如瘢痕或痣。标志点的选择应根据每次评估的关注区域而定。

1. 按照本方案操作时，请使用以下标记点（参见 图1):
   1. 内眦（en）：每侧眼裂的内侧端。先标注左侧，后标注右侧。在正视图中验证标注位置是否正确。
   2. 外眦/外眼角点（ex）：每侧眼裂的外侧端点。先标注左侧，再标注右侧。在正视图中验证位置是否正确。
   3. 眉间（g）：额眶软组织轮廓最前方的中点。在左右侧位像上确定该标志点的位置，然后在正位像上验证其中线对齐情况。
2. 使用以下方法标注解剖标志 放置标记点 选项从 "工具" 菜单的 "标志物" 顶部工具栏中的选项或从 放置标记点 左侧工具栏中的选项（顶部箭头图标）。 每次对所有待比较的图像进行标注时，务必以相同的顺序标记解剖标志点。如需调整已放置标志点的位置，请选择该标志点 选择标记点 从左侧工具栏中选择选项（底部箭头图标），然后选择 放置标记点 可拖动所选标记的选项，按住左键将其拖至正确位置。
3. 保存标记图像。

4. 基线图像中感兴趣区域的选择及体积测量

1. 在正面视图中，选择 选择多个点以形成闭环 来自左侧工具栏 工具并在感兴趣区域的周边放置点。
2. 完成环路后，选择 添加到区域 b通过在屏幕上右键单击后出现的菜单。
3. 使用 绘制区域选择 工具从 "工具" 菜单的 "面积" 使用顶部工具栏中的选项，通过添加或擦除感兴趣区域的部分来优化选区。
4. 在侧方和下颌下视角中执行相同的步骤，以覆盖该区域。
5. 一旦满意，使用 复制选定区域 选项从 "区域" 顶部工具栏中的菜单 创建一个掩膜。
   注意：在本方案中，感兴趣区域定义为正颌手术影响的区域，其范围由内外眦、眉间及颈颏角界定。

5. 后续图像的配准、感兴趣区域的叠加及体积测量

1. 打开基线图像以及将要与基线轴网格对齐的图像（配准图像）。
2. 选择 在两个视口中分别显示一个表面 顶部工具栏中的选项。 
3. 使用 离心 使用左侧工具栏中的工具（眼睛图标）手动旋转图像，直至其方向与基线图像基本一致。
4. 目视对齐后，按照步骤3中所述的相同顺序放置标记点。
5. 选择 注册表面 来自 "表面" 顶部工具栏中的菜单并应用以下设置：移动此表面 "图像" 以适配该表面 "基线" 并使用以下方法计算比对 "具有相应名称的标志点"
6. 切换至单个视口  通过选择 "1 视口" 从顶部工具栏选择选项，并通过执行以下操作检查注册情况 按距离着色表面 来自 "距离" 菜单  在 "测量" 顶部工具栏中的菜单选项包含以下选择： 颜色整体，该表面 "基线" 到该表面的距离 "图像。"
   注意：若配准良好，未受影响或未发生改变的区域应显示最小的颜色差异。务必保存已配准的图像。
7. 通过选择返回到双视图窗口 "在两个视口中分别显示一个表面" 在顶部工具栏中选择相应选项，通过点击图像的图标标签隐藏配准图像，并使用 项目选定区域 来自 "面积" 使用顶部工具栏中的菜单，将基线对应的区域高亮显示到第二幅图像上。
8. 返回双视口视图选项，并取消选中配准图像图标，使其不可见。从 "区域" 菜单选择 隐藏 以从基线图像中隐藏选定区域。单击第二幅图像，然后选择 两个表面之间（不同物体） 选项从 "体积" 选项位于下方 "测量" 菜单
9. 返回单个视口视图，并通过点击其图标隐藏配准图像。选择 ± 体积 选项从 "表面" 菜单，然后使用以下方法测量两个选定区域之间的体积 "封闭表面" 选项从 "体积" 选项中的 "测量" 菜单中。结果可在 "日志" 窗口底部的区域。

结果

本方案详细描述了一种标准化且可重复的面部软组织变化三维评估方法。通过立体摄影测量技术，可准确量化面部肿胀情况，实现对随时间变化的表面形态的捕捉。采用基于解剖标志点的配准流程，将术后图像与稳定的基线图像对齐，从而实现手术影响区域的叠加与比较。感兴趣区域通过可重复的解剖边界进行定义，并以立方毫米（cm³）为单位计算相应体积。由于每位受试者均以其自身作为内部对照，因此在本分析中，不同受试者之间的绝对体积不可直接比较。

图1：三维容积测量的演示。本方案用于定量评估正颌手术后面部肿胀程度的示例。（A）术后一年采集的基线图像，此时术后肿胀已完全消退。该图像通过以下解剖标志点配准至三维坐标轴网格：双侧内眦和外眦、眉间，并定义感兴趣区域（ROI）。（B）术后1周采集的图像，此时大多数患者肿胀最为明显。该图像被配准至同一坐标轴网格，并将基线图像的ROI投影至该图像上。（C）基线图像与术后图像叠加，以确认配准的准确性。（D）由两个时间点的ROI生成的容积掩膜，所得容积测量值以立方毫米（cm³）表示。（E）比较两个掩膜间容积差异的热图；蓝色和绿色表示容积增加，黄色和橙色表示容积减少（相对于基线图像）。图中包含颜色编码的数值索引作为参考。两个掩膜之间的精确容积差也作为输出结果提供。请点击此处查看该图的放大版本。

讨论

三维成像已成为牙科和颅面外科领域的护理标准，可实现高精度的软组织定量评估¹¹。先前的研究也已验证了在三维图像上解剖标志点定位的可重复性和准确性¹⁹。因此，立体摄影测量或三维面部软组织图像能够获取精确的人体测量数据，并通过纵向图像比较对软组织变化进行客观量化。

既往关于面部软组织评估的文献通常描述了一些方法，这些方法需要用户接受专门的图像分析软件培训，或结合不同的成像方式与多种软件，或标注多个解剖标志点，这可能耗费用户大量时间与精力^{11,13,14,20,21,22,23,24,25,26}。基于区域的叠加方法也被多种软件作为可选功能提供，并已在先前研究中得到应用²⁷。这是一种可替代手动标注解剖标志点的叠加工具。然而，根据作者在一项回顾性队列研究中对两种方法的实际测试经验，基于解剖标志点的叠加方法更为简便且准确度更高。

主要原因是基于区域的叠加对叠加图像之间的微小差异更为敏感，例如皮肤表面即使只有一根毛发的存在，或头部的精确朝向等。这是回顾性研究中固有的问题，若采用下文建议的更标准化的图像采集协议，则可避免该问题。然而，以往使用基于标志点叠加的研究并未提供该过程的逐步操作指南，导致其他临床医生和/或研究人员难以轻松复现。本文提出了一种用于量化体积变化的标准化框架，该框架已整合至现有的成像软件中。这是一种简便的软组织体积评估方法，无需具备图像分析领域的专业知识即可完成。

在对面部表面图像进行叠加时，常会遇到一些技术挑战，其中与面部毛发的存在有关。根据毛发的长度和厚度，面部毛发可能显著影响扫描的准确性，因为它会遮盖皮肤表面。因此，作为高灵敏度定量评估的扫描图像比对将变得不可靠。故强烈建议在获取三维面部扫描图像前，受试者应尽可能保留极少或理想情况下完全无面部毛发。同时，受试者的头发也应从面部移开，以清晰暴露面部、前额和耳朵。

此外，由于潜在的骨骼差异导致存在口呼吸模式或唇闭合不全的患者，通常倾向于保持嘴唇张开的姿势。这在连续扫描结果的比较过程中可能成为一个问题，尤其是当嘴唇位置不一致时。当需要将不同时间点获取的两次或多次扫描图像纳入对比性容积评估时，应确保嘴唇位置具有可重复性。最后，为了保证一致性和可重复性，在扫描采集过程中也应避免面部表情的影响。建议所有图像均在患者保持中性面部表情、尽可能闭合嘴唇，并使其牙齿处于习惯性咬合接触关系的状态下采集。该位置被认为是最容易在不同时间点重复实现的。

此外，还必须对受试者进行相应的指导，使其准确了解需要执行的操作以及图像采集过程的具体内容。出于同样原因，当有多个人员参与图像采集时，应对其进行培训并相互校准。这可以显著提高扫描图像的质量，进而提升定量评估的准确性。

总之，本方案为未来旨在评估不同类型治疗干预对面部美观影响以及愈合过程进展的临床评估和研究提供了实用指南，尤其适用于纵向评估的情况。此类评估在牙科多个领域中均具有重要参考价值，特别是在固定义齿、可摘局部义齿、正畸学以及正颌外科领域^{28,29,30,31,32,33,34}。针对牙体和/或骨骼组织干预后软组织反应的研究，将为这些不同治疗方式对面部软组织轮廓的影响提供有价值的信息，而软组织轮廓是整体治疗效果的重要组成部分。此外，对与年龄相关的软组织变化进行纵向评估，同样有助于了解不同类型治疗对软组织侧貌的长期影响。这些信息未来可用于个性化治疗效果模拟方法中，从而成为治疗方案设计和患者沟通的重要组成部分。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Vectra H1 相机	Canfield Scientific	N/A	手持式 3D 成像系统
Vectra 软件	Canfield Scientific	N/A	图像分析软件