颌面部软测量技术论文3000字(2)
颌面部软测量技术论文3000字篇二
软组织测量技术在研究颅颌面特征中的应用发展
随着人民生活水平的提高，人们对于生活质量的要求也日益增加，患者希望通过矫治牙齿或外科手术进而改善面容的要求越来越高。对于颅颌面特征的观察、记录、测量和分析，在临床诊断、治疗计划的制定和疗效的评价中有着非常重要的意义。因此，软组织测量技术的研究和发展在这一领域发挥了重要的作用。
人体测量学的起源与发展历史悠久，早在2000年前，中国即已进行人体测量工作[1]。系统的人体测量学方法是18世纪末由西欧一些国家的科学家创立，1912年,在日内瓦召开了第14届国际史前人类学与考古会议，规定了统一的人体测量学方法的国际标准，标志着人体测量学步入科学化和规范化的轨道。1914年,Matin在《人类学教科书》中详细阐述了人体测量学方法，在统一人体测量学标准方面起了极其重要的作用，人类测量学的发展为研究人体面部表面形态提供了依据。1780年,Camper设计了角度测量的方法来比较哺乳动物的侧貌。此后，Retzius又将人种进行了直颌型和突颌型的区分。1872年,Vanibeing等提出了著名的FH平面(眶耳平面)沿用至今。1907年,口腔颌面外科大师Angle提出人体面部的和谐比例关系，得到了许多学者的推崇。20世纪初，Simon提出了面部三平面冠状平面、正中矢状平面、眼耳平面及其同牙颌的关系，同时采用面部照相的方法进行面部测量研究[2]。20世纪30年代的定位头影测量技术和20世纪50年代丹麦学者提出的头影测量计算机技术已成为常用的临床测量方法。20世纪70年代以来，不仅增加了大量合乎实用的测量项目和新测点，更重要的是人体测量的工具和测量方法得到了质的飞跃，人们已能够跨越二维到三维空间研究颅颌面形态结构，使颌面部软组织测量更加准确、方便、适用。了解和熟悉颌面部软组织的表面解剖知识和各种测量分析方法，进而加快数字医学进程，已成为相关学科学者必须具有的基础知识和研究的重要课题。本文就软组织测量技术在研究颅颌面特征中的应用发展综述如下。
1 二维测量法
1.1 直接测量法：主要采用各种传统测量工具对颌面部软组织的各点、线、面之间的比例关系进行测量。国际上广泛采用的是Rudlf Matin法。该法先在被测量者面部直接用彩笔于各个测量标志作好标记，再用专用测量工具对各部位进行直线、弧线、角度、弧度等方面测量[3]。直接测量法操作简单，资料获取时间短，无需特殊复杂设备，但可能因压迫组织引起变形而使测量不精确，既不能得出整体测量的概念，又容易产生错觉。
1.2 模型测量法：采取对面部软组织取模，然后通过机械操作灌制石膏模型，在石膏模型上测量出各标志点的各项指标。此种测量法操作繁琐，直接接触颌面部因压迫软组织引起变形，影响测量的精确性，资料保存麻烦，临床上已极少采用[4]。
1.3 照片测量法：20世纪初，Simon首先提出用面部照像的方法对颜面进行研究[2]。1944年，Thaimean Degen从简单基础的立体照像术获得面部测量，并在临床应用。此法的主要价值是依据照片对被测对象的面部取得整体的认识，在此基础上研究面部各部分比例及形态结构特点，属二维测量。照片测量法在拍照前需设置一定的尺度和垂线等作为参照物，以备下一步的测量及放大倍数的确定。将摄取的底片制成幻灯片在幻灯机上放大成与活体等大的影像(1∶1)或直接按标志尺度和垂线放大成与活体等大的照片(1∶1)。在透明硫酸纸上描绘颜面及其器官轮廓并标记出各测量点，再利用图像数字化仪将全部标志点按编号输入电子计算机图像分析系统，求出各测量项目的值。照片测量法具有资料获取容易、软组织结构显示清楚及价廉等优点，但不能显示软硬组织之间的关系，不能提供三维立体结构的信息。目前临床常用照片作为资料保存，以便直观比较治疗前后的面部变化。包柏成等[5]利用自行研制的计算机辅助多环境下运行的容貌软组织测量分析系统,于1997年建立了广东籍汉族正常成人容貌正侧面软组织特征测量数据库。
1.4 X线头影测量：X线头影测量技术是 Broadbent于20世纪20年代初致力研究的[6],而软组织测量技术开始兴起于20世纪50年代,并且从早期的手工测量阶段发展为后期的计算机辅助分析阶段,主要是测量 X线头颅定位照相所得到的影像,对颌面部软组织标志点描绘出一定的线、角,然后进行测量分析。目前最常用的软组织测量分析方法有 Burstone[7]，Holdaway[8]，Bishara[9]等。1978年,Ok[10]将数字图像处理技术用于X线头颅片，随之而来的是20世纪80年代开发出的数字图像处理X线头影测量系统[11-13]。该类系统通过图像输入设备，可直接将X线头颅片的图像输入计算机内并进行测量分析。数字图像处理X线头影测量系统的应用，改变了以往X线投影测量必须在头影描绘图迹上进行的方法，省去了头影图迹描绘过程。特别是经过图像灰度变换、伪彩色处理和边缘增强等图像技术，提高测量标志点的清晰度，使之准确地确定各测量标志点，保证了头影测量分析的可靠性，提高了测量的精度和效率。而X线头影测量标志点的自动识别是提高X线头影测量技术精确性的有效手段，也是当前研究的热点。有关用正侧位X线片进行三维重建及测量分析的研究已有报道，但因需要特殊设备以及计算方法复杂未能得到广泛应用。张晓等[14]于20世纪90年代研究开发出了自动X线头影测量分析系统，该系统通过对X线图像的采集、处理，使标志点的定位更加准确。但是该系统的准确性受以下因素的影响：①输入输出设备的精度，扫描仪是目前较为理想的图像输入设备，可将图像资料直接转化为数字信号输入计算机并保持较高的精度;②计算机图像分辨率的高低，一般应至少达到1024×1024的空间分辨率;③X线头颅片的质量。目前该系统成功地识别了软硬组织标志点共15个，还未能实现所有标志点的自动定位。姚森等[15]于2000年又研制出一种利用计算机显示器输入测量标志点和头影轮廓的分析系统，解决了目前头影测量需专用输入设备的问题。
2 三维测量法
随着科技的进步和高新技术的应用，三维图像重建及测量技术广泛应用于医学、物理学、化学、地质学、工业检测、有限元分析等学科和领域中。其中在医学领域的应用是最早的，它不仅提高了医疗诊断水平，同时在手术规划与模拟、解剖学教育和医学研究中发挥着重要作用。而颌面部软组织三维重建和测量在口腔正畸学、正颌外科、法医学、人类学及美学等领域有着重要意义，正日益受到临床医师的重视。
2.1 CT辅助三维重建法：CT三维重建的基本原理是将X线的断层扫描二维图像数字信息通过三维软件处理，其中包含边缘提取(edge determination)和阴影技术(shading technique)处理，在二维显示器上显示三维重建的影像。1979年，Artzy和Herman首先介绍并应用于医疗诊断[16]。20世纪80年代,Marsh连续报道了颅颌面结构三维重建技术及有关对颅颌面畸形的诊断手术设计及术后评价。三维CT重建影像能从多个视角显示及观察，并能单独显示颅颌面某一分离的结构，同时具有精确的距离、表面积、体积及组织密度测量[17-18]。1990年以后，德国西门子等国外一些知名公司相继开发了具有三维重建功能的螺旋CT机，其原理为采用连续扫描的方式，同步采集体积数据,获得三维信息与传统CT相比,其优势为三维影像清晰，面部三维图像直观,对某一特定目标的完整记录只需一次扫描，降低了放射量，缩短了检测时间。20世纪80年代开始CT辅助建立三维图像和头颅模型被引入到颅颌面部畸形的诊断和治疗中。目前，三维CT影像重建技术不仅可以清楚地反映颅颌面部骨质结构特点，同时还可以进行软组织成像，形成面部皮肤的表面影像，利于观察骨的变化和面部畸形的关系。本法的缺点是患者需处于较高剂量的X线中，不适合颅颌面外科及正颌外科患者的长期观察和评价。设备费用昂贵，不利于普及。
2.2 超声波三维图像测量：超声波图像是利用超声波的反射而建立的图像系统，因此，反射的超声波必须被检测出来并转化为数字化信息。这一方法的最大缺点是超声波不能穿越空气，不管是反射还是传播。这种方法还需一个特殊的探测器用来产生三维图像。
2.3 三维立体成像技术：利用CCD摄像头或数码相机以及计算机系统获取三维立体图像，也称计算机立体视觉技术。获得的图像是真正的立体三维图像，即有三维数值。图像可以旋转，可从不同侧面观看等。
2.3.1云纹影像测量法：云纹影像测量法又称莫尔条纹法或立体测量法。1970年由英国学者Meadous和日本学者高崎宏分别发明的一种光学图像测量技术[19-20]。基本原理是根据两个稍有参差的光栅相互重叠时产生光线几何干涉，从而会形成一系列含有面外位移信息的云纹进行测量。光线经汇聚、折射，透过基准光栅;基准光栅的影像投射到三维物体表面，由于物体表面的凹凸而受到三维调制，基准光栅的影像形成变形光栅。这两重光栅之间产生几何干涉，形成含有面外位移信息的云纹;透过基准光栅的不同角度观察时，即可看到物体表面的干涉云纹。选择合适的光学系统装置，可使干涉云纹成为物体表面的等高线。用光学记录装置拍摄记录等高云纹图，即可获得所需测量数据。测量系统由光栅投影光源、人体头颅定位装置、记录装置和计算机图像分析系统组成。被测个体拍摄前在面部涂搽香粉或白色戏剧油彩，目的是增强条纹反差，使拍摄的云纹图片条纹清晰，提高对比度。拍摄前用头颅固定装置固定头部并确定眶耳平面与地面平行;然后开启光源及光栅震动系统进行拍照;将莫尔条纹图像拍成照片，直接在照片上或将照片经数字化仪输入计算机后进行测量、数据处理及计算分析。最后由绘图仪自动描绘出立体感较强的颜面不同角度的透视立体图和剖面图，打印机输出所需参数和高程图。胡林等[21]开发研制了适用于常规口腔颌面部检查的莫尔条纹摄影实验装置，编制了莫尔条纹处理的计算机程序，并结合计算机自动制图技术进行了颜面部三维测量分析和透视立体图的重建。该法不接触人体，能记录特定部位的形态和大小，比较治疗前后的细微变化。云纹影像测量法准确、可靠，与立体摄影法有同样高的精度;单张照片可记录面部的三维信息，获取信息量大;能准确记录特定部位的形态与大小，以及比较治疗前后的微细变化，是一种很有前途值得推广的生物测量技术。然而,莫尔条纹法仍存在诸多缺陷，此方法并不十分适用于过于平缓或陡峭的平面，灵敏度较低。
2.3.2 近景立体摄影测量术：近景立体摄影测量术是近代生物医学领域先进的测量技术之一。主要运用解析几何的原理，借助于立体摄影机和立体测图仪完成，属于生物立体测量术。立体摄影测量是运用了双目视觉的原理，即双眼将观察到的物体稍有不同的两影像送入大脑，通过综合，形成有深度、长度和宽度的立体像。同样，在立体镜下，可将两张位置不同的立体像对并列，使左眼所见的左片与右眼所见的右片形成适当的关系，则能清楚地再显示出深度。使用立体测图仪并结合现代计算机技术，可得出三维定量资料。近景立体摄影测量术的基本方法是在建立高精度控制框架(控制网)的基础上，用照相机或摄像机从不同角度摄取立体像，然后对立体像对进行技术处理，并输入计算机作统计学处理及分析。应用近景立体摄影测量术可实现美容手术方案设计、整形效果术前模拟、模型参数自动测量、图像存储美学分析等功能。为临床研究形态学和定量修复提供了先进、可靠、精确的科学分析处理手段,故立体摄影测量术已成为颌面部软组织精密测量手段之一。白玉兴等[22]利用四个高精度的数码相机获取颌面部软组织的三维信息,自行研制和开发出应用于面部重建和测量的数字化立体摄影测量硬件及软件系统，同时完成面部软组织三维测量分析和旋转观察。
2.3.3 激光扫描：激光三维扫描测量技术提供了一种非介入性面部三维重建的方法,是目前国际上最先进的软组织测量技术[23]，Moss于 1987年采用氦氖激光获取面部的三维信息，其基本原理为激光三角法测距原理。激光束由激光发生器投照在被测者面部，被测者面部的凹凸不平致激光发生变形，产生一种表面质地和颜色的图形信息，通过一个线阵列(CCD)数码相机获取，然后通过计算机进行数据转换、运算等，显示出能任意方向旋转、比较逼真的颜面立体形态图，并可给出各种测量参数以供参考。早期的激光扫描所需时间较长，约15min，目前的激光扫描仪获取图像则只需要约6s,而且精确度可达 0.5mm以内。姚森等[24]研制出了颜面形态高精度激光三维扫描和立体形态重构系统。他们在三维扫描测量仪中设计了一个装配有激光二极管和线阵列光电偶合元件CCD的旋转框，该旋转框在沿着头颅作圆周运动的同时，可沿长轴作精细的轴向运动，准确采集出颜面部每个部分的立体信息。该方法三维测量精度高、立体重构快捷、逼真、操作简单、使用范围广，但不能扫描面部较深的倒凹，扫描过程患者需闭眼。
2.3.4 结构光： 结构光是一种光学测量技术，其基本原理为25种不同密度的光投照在面部后发生变形，通过线阵列摄像机捕获变形的光点,经计算机软件系统识别后，利用三角形相似的原理计算确定每个光点的坐标，最后整合所有的数据资料形成三维面像图。其优点是获取数据速度快、准确度高，但因受头颅定位仪的限制，在头面部的使用不便。黄红强等[25]提出了一种基于彩色编码结构光新型三维成像技术，实验装置包括结构光发生器，图像采集系统，图像处理系统以及三维信息提取系统。这种方法以颜色作为物体三维信息的加载和传递工具，以彩色CCD摄像机作为图像获取器件，通过计算机软件处理，对颜色信息进行分析、解码、最终获取物体的面形三维数据，并以人的嘴唇模型为对象进行了具体实验，获得了较满意的结果。
2000年，美国开发出了一种新产品―瞬间成像三维立体数码照相系统。它所照的照片是带有立体数码信息的，对所拍摄的物体和人像的每一个点都以三维坐标的形式编码，即以 X、Y、Z轴的数据点表示，也就是对每一个点来说，除了在二维定义下的长、宽概念，还有深度的概念，而且每一个点的三维坐标精度可达0.2mm以内。
3 展望
随着医学的进步和社会的发展，颌面部软组织的测量将应用于各个学科领域，不仅在口腔颌面外科和整形美容外科有着良好前景，在人类学、考古学、法医鉴定等众多相关领域有着非凡的应用潜力。因此，促进新测量方法的研发和应用势在必行，目前如激光全息测量法已在临床报道使用[26]。而更加高效、精确、便捷、完善的颌面部软组织测量方法仍在研究中，相信在不久的将来可以问世。
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