軟測量技術(shù)論文(2)
軟測量技術(shù)論文
軟測量技術(shù)論文篇二
軟組織測量技術(shù)在研究顱頜面特征中的應(yīng)用發(fā)展
摘要：
隨著人民生活水平的提高，人們對于生活質(zhì)量的要求也日益增加，患者希望通過矯治牙齒或外科手術(shù)進而改善面容的要求越來越高。對于顱頜面特征的觀察、記錄、測量和分析，在臨床診斷、治療計劃的制定和療效的評價中有著非常重要的意義。因此，軟組織測量技術(shù)的研究和發(fā)展在這一領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用。
人體測量學(xué)的起源與發(fā)展歷史悠久，早在2000年前，中國即已進行人體測量工作[1]。系統(tǒng)的人體測量學(xué)方法是18世紀末由西歐一些國家的科學(xué)家創(chuàng)立，1912年,在日內(nèi)瓦召開了第14屆國際史前人類學(xué)與考古會議，規(guī)定了統(tǒng)一的人體測量學(xué)方法的國際標準，標志著人體測量學(xué)步入科學(xué)化和規(guī)范化的軌道。1914年,Matin在《人類學(xué)教科書》中詳細闡述了人體測量學(xué)方法，在統(tǒng)一人體測量學(xué)標準方面起了極其重要的作用，人類測量學(xué)的發(fā)展為研究人體面部表面形態(tài)提供了依據(jù)。1780年,Camper設(shè)計了角度測量的方法來比較哺乳動物的側(cè)貌。此后，Retzius又將人種進行了直頜型和突頜型的區(qū)分。1872年,Vanibeing等提出了著名的FH平面(眶耳平面)沿用至今。1907年,口腔頜面外科大師Angle提出人體面部的和諧比例關(guān)系，得到了許多學(xué)者的推崇。20世紀初，Simon提出了面部三平面冠狀平面、正中矢狀平面、眼耳平面及其同牙頜的關(guān)系，同時采用面部照相的方法進行面部測量研究[2]。20世紀30年代的定位頭影測量技術(shù)和20世紀50年代丹麥學(xué)者提出的頭影測量計算機技術(shù)已成為常用的臨床測量方法。20世紀70年代以來，不僅增加了大量合乎實用的測量項目和新測點，更重要的是人體測量的工具和測量方法得到了質(zhì)的飛躍，人們已能夠跨越二維到三維空間研究顱頜面形態(tài)結(jié)構(gòu)，使頜面部軟組織測量更加準確、方便、適用。了解和熟悉頜面部軟組織的表面解剖知識和各種測量分析方法，進而加快數(shù)字醫(yī)學(xué)進程，已成為相關(guān)學(xué)科學(xué)者必須具有的基礎(chǔ)知識和研究的重要課題。本文就軟組織測量技術(shù)在研究顱頜面特征中的應(yīng)用發(fā)展綜述如下。
1 二維測量法
1.1 直接測量法：主要采用各種傳統(tǒng)測量工具對頜面部軟組織的各點、線、面之間的比例關(guān)系進行測量。國際上廣泛采用的是Rudlf Matin法。該法先在被測量者面部直接用彩筆于各個測量標志作好標記，再用專用測量工具對各部位進行直線、弧線、角度、弧度等方面測量[3]。直接測量法操作簡單，資料獲取時間短，無需特殊復(fù)雜設(shè)備，但可能因壓迫組織引起變形而使測量不精確，既不能得出整體測量的概念，又容易產(chǎn)生錯覺。
1.2 模型測量法：采取對面部軟組織取模，然后通過機械操作灌制石膏模型，在石膏模型上測量出各標志點的各項指標。此種測量法操作繁瑣，直接接觸頜面部因壓迫軟組織引起變形，影響測量的精確性，資料保存麻煩，臨床上已極少采用[4]。
1.3 照片測量法：20世紀初，Simon首先提出用面部照像的方法對顏面進行研究[2]。1944年，Thaimean Degen從簡單基礎(chǔ)的立體照像術(shù)獲得面部測量，并在臨床應(yīng)用。此法的主要價值是依據(jù)照片對被測對象的面部取得整體的認識，在此基礎(chǔ)上研究面部各部分比例及形態(tài)結(jié)構(gòu)特點，屬二維測量。照片測量法在拍照前需設(shè)置一定的尺度和垂線等作為參照物，以備下一步的測量及放大倍數(shù)的確定。將攝取的底片制成幻燈片在幻燈機上放大成與活體等大的影像(1∶1)或直接按標志尺度和垂線放大成與活體等大的照片(1∶1)。在透明硫酸紙上描繪顏面及其器官輪廓并標記出各測量點，再利用圖像數(shù)字化儀將全部標志點按編號輸入電子計算機圖像分析系統(tǒng)，求出各測量項目的值。照片測量法具有資料獲取容易、軟組織結(jié)構(gòu)顯示清楚及價廉等優(yōu)點，但不能顯示軟硬組織之間的關(guān)系，不能提供三維立體結(jié)構(gòu)的信息。目前臨床常用照片作為資料保存，以便直觀比較治療前后的面部變化。包柏成等[5]利用自行研制的計算機輔助多環(huán)境下運行的容貌軟組織測量分析系統(tǒng),于1997年建立了廣東籍漢族正常成人容貌正側(cè)面軟組織特征測量數(shù)據(jù)庫。
1.4 X線頭影測量：X線頭影測量技術(shù)是 Broadbent于20世紀20年代初致力研究的[6],而軟組織測量技術(shù)開始興起于20世紀50年代,并且從早期的手工測量階段發(fā)展為后期的計算機輔助分析階段,主要是測量 X線頭顱定位照相所得到的影像,對頜面部軟組織標志點描繪出一定的線、角,然后進行測量分析。目前最常用的軟組織測量分析方法有 Burstone[7]，Holdaway[8]，Bishara[9]等。1978年,Ok[10]將數(shù)字圖像處理技術(shù)用于X線頭顱片，隨之而來的是20世紀80年代開發(fā)出的數(shù)字圖像處理X線頭影測量系統(tǒng)[11-13]。該類系統(tǒng)通過圖像輸入設(shè)備，可直接將X線頭顱片的圖像輸入計算機內(nèi)并進行測量分析。數(shù)字圖像處理X線頭影測量系統(tǒng)的應(yīng)用，改變了以往X線投影測量必須在頭影描繪圖跡上進行的方法，省去了頭影圖跡描繪過程。特別是經(jīng)過圖像灰度變換、偽彩色處理和邊緣增強等圖像技術(shù)，提高測量標志點的清晰度，使之準確地確定各測量標志點，保證了頭影測量分析的可靠性，提高了測量的精度和效率。而X線頭影測量標志點的自動識別是提高X線頭影測量技術(shù)精確性的有效手段，也是當前研究的熱點。有關(guān)用正側(cè)位X線片進行三維重建及測量分析的研究已有報道，但因需要特殊設(shè)備以及計算方法復(fù)雜未能得到廣泛應(yīng)用。張曉等[14]于20世紀90年代研究開發(fā)出了自動X線頭影測量分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過對X線圖像的采集、處理，使標志點的定位更加準確。但是該系統(tǒng)的準確性受以下因素的影響：①輸入輸出設(shè)備的精度，掃描儀是目前較為理想的圖像輸入設(shè)備，可將圖像資料直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸入計算機并保持較高的精度;②計算機圖像分辨率的高低，一般應(yīng)至少達到1024×1024的空間分辨率;③X線頭顱片的質(zhì)量。目前該系統(tǒng)成功地識別了軟硬組織標志點共15個，還未能實現(xiàn)所有標志點的自動定位。姚森等[15]于2000年又研制出一種利用計算機顯示器輸入測量標志點和頭影輪廓的分析系統(tǒng)，解決了目前頭影測量需專用輸入設(shè)備的問題。
2 三維測量法
隨著科技的進步和高新技術(shù)的應(yīng)用，三維圖像重建及測量技術(shù)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、地質(zhì)學(xué)、工業(yè)檢測、有限元分析等學(xué)科和領(lǐng)域中。其中在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用是最早的，它不僅提高了醫(yī)療診斷水平，同時在手術(shù)規(guī)劃與模擬、解剖學(xué)教育和醫(yī)學(xué)研究中發(fā)揮著重要作用。而頜面部軟組織三維重建和測量在口腔正畸學(xué)、正頜外科、法醫(yī)學(xué)、人類學(xué)及美學(xué)等領(lǐng)域有著重要意義，正日益受到臨床醫(yī)師的重視。
2.1 CT輔助三維重建法：CT三維重建的基本原理是將X線的斷層掃描二維圖像數(shù)字信息通過三維軟件處理，其中包含邊緣提取(edge determination)和陰影技術(shù)(shading technique)處理，在二維顯示器上顯示三維重建的影像。1979年，Artzy和Herman首先介紹并應(yīng)用于醫(yī)療診斷[16]。20世紀80年代,Marsh連續(xù)報道了顱頜面結(jié)構(gòu)三維重建技術(shù)及有關(guān)對顱頜面畸形的診斷手術(shù)設(shè)計及術(shù)后評價。三維CT重建影像能從多個視角顯示及觀察，并能單獨顯示顱頜面某一分離的結(jié)構(gòu)，同時具有精確的距離、表面積、體積及組織密度測量[17-18]。1990年以后，德國西門子等國外一些知名公司相繼開發(fā)了具有三維重建功能的螺旋CT機，其原理為采用連續(xù)掃描的方式，同步采集體積數(shù)據(jù),獲得三維信息與傳統(tǒng)CT相比,其優(yōu)勢為三維影像清晰，面部三維圖像直觀,對某一特定目標的完整記錄只需一次掃描，降低了放射量，縮短了檢測時間。20世紀80年代開始CT輔助建立三維圖像和頭顱模型被引入到顱頜面部畸形的診斷和治療中。目前，三維CT影像重建技術(shù)不僅可以清楚地反映顱頜面部骨質(zhì)結(jié)構(gòu)特點，同時還可以進行軟組織成像，形成面部皮膚的表面影像，利于觀察骨的變化和面部畸形的關(guān)系。本法的缺點是患者需處于較高劑量的X線中，不適合顱頜面外科及正頜外科患者的長期觀察和評價。設(shè)備費用昂貴，不利于普及。
2.2 超聲波三維圖像測量：超聲波圖像是利用超聲波的反射而建立的圖像系統(tǒng)，因此，反射的超聲波必須被檢測出來并轉(zhuǎn)化為數(shù)字化信息。這一方法的最大缺點是超聲波不能穿越空氣，不管是反射還是傳播。這種方法還需一個特殊的探測器用來產(chǎn)生三維圖像。
2.3 三維立體成像技術(shù)：利用CCD攝像頭或數(shù)碼相機以及計算機系統(tǒng)獲取三維立體圖像，也稱計算機立體視覺技術(shù)。獲得的圖像是真正的立體三維圖像，即有三維數(shù)值。圖像可以旋轉(zhuǎn)，可從不同側(cè)面觀看等。
2.3.1云紋影像測量法：云紋影像測量法又稱莫爾條紋法或立體測量法。1970年由英國學(xué)者Meadous和日本學(xué)者高崎宏分別發(fā)明的一種光學(xué)圖像測量技術(shù)[19-20]?；驹硎歉鶕?jù)兩個稍有參差的光柵相互重疊時產(chǎn)生光線幾何干涉，從而會形成一系列含有面外位移信息的云紋進行測量。光線經(jīng)匯聚、折射，透過基準光柵;基準光柵的影像投射到三維物體表面，由于物體表面的凹凸而受到三維調(diào)制，基準光柵的影像形成變形光柵。這兩重光柵之間產(chǎn)生幾何干涉，形成含有面外位移信息的云紋;透過基準光柵的不同角度觀察時，即可看到物體表面的干涉云紋。選擇合適的光學(xué)系統(tǒng)裝置，可使干涉云紋成為物體表面的等高線。用光學(xué)記錄裝置拍攝記錄等高云紋圖，即可獲得所需測量數(shù)據(jù)。測量系統(tǒng)由光柵投影光源、人體頭顱定位裝置、記錄裝置和計算機圖像分析系統(tǒng)組成。被測個體拍攝前在面部涂搽香粉或白色戲劇油彩，目的是增強條紋反差，使拍攝的云紋圖片條紋清晰，提高對比度。拍攝前用頭顱固定裝置固定頭部并確定眶耳平面與地面平行;然后開啟光源及光柵震動系統(tǒng)進行拍照;將莫爾條紋圖像拍成照片，直接在照片上或?qū)⒄掌?jīng)數(shù)字化儀輸入計算機后進行測量、數(shù)據(jù)處理及計算分析。最后由繪圖儀自動描繪出立體感較強的顏面不同角度的透視立體圖和剖面圖，打印機輸出所需參數(shù)和高程圖。胡林等[21]開發(fā)研制了適用于常規(guī)口腔頜面部檢查的莫爾條紋攝影實驗裝置，編制了莫爾條紋處理的計算機程序，并結(jié)合計算機自動制圖技術(shù)進行了顏面部三維測量分析和透視立體圖的重建。該法不接觸人體，能記錄特定部位的形態(tài)和大小，比較治療前后的細微變化。云紋影像測量法準確、可靠，與立體攝影法有同樣高的精度;單張照片可記錄面部的三維信息，獲取信息量大;能準確記錄特定部位的形態(tài)與大小，以及比較治療前后的微細變化，是一種很有前途值得推廣的生物測量技術(shù)。然而,莫爾條紋法仍存在諸多缺陷，此方法并不十分適用于過于平緩或陡峭的平面，靈敏度較低。
2.3.2 近景立體攝影測量術(shù)：近景立體攝影測量術(shù)是近代生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域先進的測量技術(shù)之一。主要運用解析幾何的原理，借助于立體攝影機和立體測圖儀完成，屬于生物立體測量術(shù)。立體攝影測量是運用了雙目視覺的原理，即雙眼將觀察到的物體稍有不同的兩影像送入大腦，通過綜合，形成有深度、長度和寬度的立體像。同樣，在立體鏡下，可將兩張位置不同的立體像對并列，使左眼所見的左片與右眼所見的右片形成適當?shù)年P(guān)系，則能清楚地再顯示出深度。使用立體測圖儀并結(jié)合現(xiàn)代計算機技術(shù)，可得出三維定量資料。近景立體攝影測量術(shù)的基本方法是在建立高精度控制框架(控制網(wǎng))的基礎(chǔ)上，用照相機或攝像機從不同角度攝取立體像，然后對立體像對進行技術(shù)處理，并輸入計算機作統(tǒng)計學(xué)處理及分析。應(yīng)用近景立體攝影測量術(shù)可實現(xiàn)美容手術(shù)方案設(shè)計、整形效果術(shù)前模擬、模型參數(shù)自動測量、圖像存儲美學(xué)分析等功能。為臨床研究形態(tài)學(xué)和定量修復(fù)提供了先進、可靠、精確的科學(xué)分析處理手段,故立體攝影測量術(shù)已成為頜面部軟組織精密測量手段之一。白玉興等[22]利用四個高精度的數(shù)碼相機獲取頜面部軟組織的三維信息,自行研制和開發(fā)出應(yīng)用于面部重建和測量的數(shù)字化立體攝影測量硬件及軟件系統(tǒng)，同時完成面部軟組織三維測量分析和旋轉(zhuǎn)觀察。
2.3.3 激光掃描：激光三維掃描測量技術(shù)提供了一種非介入性面部三維重建的方法,是目前國際上最先進的軟組織測量技術(shù)[23]，Moss于 1987年采用氦氖激光獲取面部的三維信息，其基本原理為激光三角法測距原理。激光束由激光發(fā)生器投照在被測者面部，被測者面部的凹凸不平致激光發(fā)生變形，產(chǎn)生一種表面質(zhì)地和顏色的圖形信息，通過一個線陣列(CCD)數(shù)碼相機獲取，然后通過計算機進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、運算等，顯示出能任意方向旋轉(zhuǎn)、比較逼真的顏面立體形態(tài)圖，并可給出各種測量參數(shù)以供參考。早期的激光掃描所需時間較長，約15min，目前的激光掃描儀獲取圖像則只需要約6s,而且精確度可達 0.5mm以內(nèi)。姚森等[24]研制出了顏面形態(tài)高精度激光三維掃描和立體形態(tài)重構(gòu)系統(tǒng)。他們在三維掃描測量儀中設(shè)計了一個裝配有激光二極管和線陣列光電偶合元件CCD的旋轉(zhuǎn)框，該旋轉(zhuǎn)框在沿著頭顱作圓周運動的同時，可沿長軸作精細的軸向運動，準確采集出顏面部每個部分的立體信息。該方法三維測量精度高、立體重構(gòu)快捷、逼真、操作簡單、使用范圍廣，但不能掃描面部較深的倒凹，掃描過程患者需閉眼。
2.3.4 結(jié)構(gòu)光： 結(jié)構(gòu)光是一種光學(xué)測量技術(shù)，其基本原理為25種不同密度的光投照在面部后發(fā)生變形，通過線陣列攝像機捕獲變形的光點,經(jīng)計算機軟件系統(tǒng)識別后，利用三角形相似的原理計算確定每個光點的坐標，最后整合所有的數(shù)據(jù)資料形成三維面像圖。其優(yōu)點是獲取數(shù)據(jù)速度快、準確度高，但因受頭顱定位儀的限制，在頭面部的使用不便。黃紅強等[25]提出了一種基于彩色編碼結(jié)構(gòu)光新型三維成像技術(shù)，實驗裝置包括結(jié)構(gòu)光發(fā)生器，圖像采集系統(tǒng)，圖像處理系統(tǒng)以及三維信息提取系統(tǒng)。這種方法以顏色作為物體三維信息的加載和傳遞工具，以彩色CCD攝像機作為圖像獲取器件，通過計算機軟件處理，對顏色信息進行分析、解碼、最終獲取物體的面形三維數(shù)據(jù)，并以人的嘴唇模型為對象進行了具體實驗，獲得了較滿意的結(jié)果。
2000年，美國開發(fā)出了一種新產(chǎn)品―瞬間成像三維立體數(shù)碼照相系統(tǒng)。它所照的照片是帶有立體數(shù)碼信息的，對所拍攝的物體和人像的每一個點都以三維坐標的形式編碼，即以 X、Y、Z軸的數(shù)據(jù)點表示，也就是對每一個點來說，除了在二維定義下的長、寬概念，還有深度的概念，而且每一個點的三維坐標精度可達0.2mm以內(nèi)。
3 展望
隨著醫(yī)學(xué)的進步和社會的發(fā)展，頜面部軟組織的測量將應(yīng)用于各個學(xué)科領(lǐng)域，不僅在口腔頜面外科和整形美容外科有著良好前景，在人類學(xué)、考古學(xué)、法醫(yī)鑒定等眾多相關(guān)領(lǐng)域有著非凡的應(yīng)用潛力。因此，促進新測量方法的研發(fā)和應(yīng)用勢在必行，目前如激光全息測量法已在臨床報道使用[26]。而更加高效、精確、便捷、完善的頜面部軟組織測量方法仍在研究中，相信在不久的將來可以問世。
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