攝影測(cè)量系統(tǒng)在頜面部的可信度

1頭部模型測(cè)量

利用普通數(shù)碼相機(jī)對(duì)已確定標(biāo)志點(diǎn)的模型進(jìn)行不同方位圖像的獲取，并按照三維系統(tǒng)要求選取一定數(shù)目的圖像并錄入軟件。經(jīng)過軟件測(cè)量分析后，便可得到面部各標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo)值（X，Y，Z），以及任意兩個(gè)標(biāo)志點(diǎn)之間的距離值。頭部模型的圖像攝取、三維軟件處理均由同一人完成，由此排除其他干擾因素。采用標(biāo)準(zhǔn)臨床測(cè)量工具（電子游標(biāo)卡尺）來直接量取頭部模型上兩標(biāo)志點(diǎn)之間的距離，由3人在同一時(shí)間段內(nèi)完成，每人測(cè)量5次，3人共獲取15組數(shù)值，取其平均數(shù)作為兩標(biāo)志點(diǎn)間的真實(shí)距離值。為了評(píng)估三維攝影系統(tǒng)對(duì)模型測(cè)量的工作精度，可采用以下兩種方式，具體如下。1）標(biāo)志點(diǎn)測(cè)量誤差：在不同狀態(tài)下，重復(fù)獲取面部各標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。通過對(duì)相應(yīng)坐標(biāo)值之間的差異進(jìn)行比較，來分析誤差來源及影響程度。差值越小，則表明定點(diǎn)重復(fù)性越高。通過融合分析，每個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo)經(jīng)過轉(zhuǎn)化、旋轉(zhuǎn)后，將所有軟件測(cè)量的相應(yīng)標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行匹配。若存在一個(gè)矩陣滿足所有的對(duì)應(yīng)標(biāo)志點(diǎn)轉(zhuǎn)化，那么就為無效假設(shè)，提示標(biāo)志點(diǎn)定位誤差為零。2）距離測(cè)量誤差：雖然三維坐標(biāo)無法應(yīng)用于直接測(cè)量方式中，但模型上任意兩個(gè)標(biāo)志點(diǎn)之間的距離值可以用來與三維測(cè)量數(shù)據(jù)作比較。三維距離值通過iWitness軟件來獲取，兩個(gè)標(biāo)志點(diǎn)之間的距離根據(jù)公式進(jìn)行計(jì)算，與其他文章所用的目標(biāo)登記誤差相同[8-9]。本實(shí)驗(yàn)所用軟件可由點(diǎn)擊鼠標(biāo)完成距離值的獲取，大大簡(jiǎn)化計(jì)算過程。若相應(yīng)距離值相同則說明距離誤差為零，差值越小代表準(zhǔn)確性越高。

2結(jié)果

2.1精確性分析

2.1.1操作誤差在圖像定點(diǎn)過程中的不準(zhǔn)確可造成操作誤差，由一位操作者通過對(duì)同一組圖像的重復(fù)定點(diǎn)來評(píng)估操作者誤差的大小。數(shù)據(jù)分析采用在圖像非縮放狀態(tài)與縮放狀態(tài)下分別定點(diǎn)測(cè)量20次，并計(jì)算同一標(biāo)志點(diǎn)在不同次數(shù)的定位狀態(tài)下兩標(biāo)志點(diǎn)之間的距離值。在非縮放狀態(tài)下操作者的平均誤差為0.20mm，最小值為0.001mm，最大值為0.486mm（圖1）。與非縮放狀態(tài)下操作者的平均誤差相比，縮放狀態(tài)下的誤差明顯減小（P<0.05），平均誤差為0.09mm，最小值為0.001mm，最大值為0.230mm（圖2）。2.1.2攝像誤差通過選取不同組別的圖像來評(píng)估攝像因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，選擇20組不同角度的圖像，每組圖像包含有2~5張圖像，并且要求所有面部標(biāo)志點(diǎn)至少出現(xiàn)在其中的2張圖像上，從而滿足標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo)獲取與重建。由于iWitness指南已明確提出，只要標(biāo)志點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)獲取完畢，即使增加圖像數(shù)量也不會(huì)顯著增大精確度，故圖像數(shù)量并不會(huì)對(duì)攝像誤差產(chǎn)生影響。攝像誤差分析見圖3，平均誤差為0.283mm（0.005~0.584mm）。將圖1所示的操作者誤差（0.20mm）考慮在內(nèi)，對(duì)同一研究對(duì)象的不同角度攝像所得數(shù)據(jù)的誤差為0.083mm。配對(duì)t檢驗(yàn)示，與同一組圖像的測(cè)量結(jié)果相比較，不同組別的圖像對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P>0.05）。Fig3Imagecapturederrorof3Dsystem（includingoperatorerror）2.1.3校正誤差與測(cè)試攝像誤差相類似，本階段也是選取不同組圖像進(jìn)行20次標(biāo)志點(diǎn)獲取，但與先前的三維攝影測(cè)量?jī)H進(jìn)行一次校正不同，每一組圖像測(cè)量前均進(jìn)行重新校正。由圖4中的數(shù)據(jù)可見，平均誤差為0.251mm（0.004~0.524mm），與僅作一次校正的攝像誤差進(jìn)行比較分析，二者間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。

2.2準(zhǔn)確性與偏倚分析（相對(duì)于直接測(cè)量）

利用系統(tǒng)測(cè)量與直接測(cè)量?jī)煞N方法來獲取頭部模型的21項(xiàng)線性距離值，進(jìn)而評(píng)估三維圖像測(cè)量與真實(shí)值之間的差距。選取3次三維測(cè)量中的全部21項(xiàng)距離值，測(cè)量項(xiàng)目共計(jì)63項(xiàng)，分別與真實(shí)距離值相比較。結(jié)果顯示，兩者之間的差值呈近似正態(tài)分布，差異主要集中于±0.4mm之間，兩端遞減趨勢(shì)，無偏倚（圖5）。

3討論

研究頜面部的傳統(tǒng)方法都有著各自的局限性，如放射技術(shù)雖然可以準(zhǔn)確測(cè)量骨骼標(biāo)志點(diǎn)，卻無法進(jìn)行軟組織的美觀方面測(cè)量，同時(shí)其放射性對(duì)受試者的健康也有影響。直接測(cè)量法具有非侵襲性、技術(shù)簡(jiǎn)單且成本較低的優(yōu)點(diǎn)，但是其操作過程較為耗時(shí)且需要受試者的耐心配合，這對(duì)于不能合作的嬰幼兒更為困難，也就造成了臨床應(yīng)用的局限性。再者，直接測(cè)量技術(shù)除了提供最終的數(shù)據(jù)收集結(jié)果，卻無法完成對(duì)面部特征信息的全面記錄，由于有些目前看似不重要的信息并未記錄，但是隨著臨床、科研的不斷發(fā)展以及新的視點(diǎn)和視角的出現(xiàn)，這些目前被忽略的信息中可能會(huì)蘊(yùn)藏新的醫(yī)學(xué)理論，在無形中就造成了資源的巨大浪費(fèi)。這就迫切要求建立一個(gè)包括圖像及相關(guān)指標(biāo)的完整的數(shù)據(jù)庫，使臨床資料標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化，而圖像的準(zhǔn)確獲取與測(cè)量是關(guān)鍵點(diǎn)。因此，頜面部測(cè)量技術(shù)的提高重點(diǎn)在于發(fā)展非侵襲性、高效且準(zhǔn)確的間接測(cè)量技術(shù)[10]，才能夠滿足臨床與科研應(yīng)用的要求。隨著激光掃描、結(jié)構(gòu)光技術(shù)及立體攝影測(cè)量等技術(shù)的新發(fā)展，三維表面成像技術(shù)越來越多的取代了傳統(tǒng)的直接測(cè)量方式，并系統(tǒng)的應(yīng)用于人體測(cè)量學(xué)領(lǐng)域[11]。大多數(shù)的三維表面成像系統(tǒng)是基于立體攝影測(cè)量技術(shù)原理，這種技術(shù)較以往的表面成像技術(shù)具有獲取速度快、攝取范圍廣泛等優(yōu)點(diǎn)，使得臨床與科研工作應(yīng)用更為普遍[12-13]。同時(shí)，這一技術(shù)開始應(yīng)用于頭面部發(fā)育過程與治療前后的體積變化的定量研究[14]。在術(shù)前手術(shù)計(jì)劃、術(shù)后效果以及綜合征的評(píng)估等臨床工作中意義重大，而在以描述生長(zhǎng)樣式、解剖形態(tài)多樣性的自然科學(xué)領(lǐng)域當(dāng)中同樣是不可或缺的。目前，比較知名的三維測(cè)量系統(tǒng)如3dMD、Genex、Di3D、Canfield等，已較成熟的應(yīng)用臨床及科研。但其設(shè)備復(fù)雜，價(jià)格不菲，必然限制其臨床推廣。然而以三維立體攝影技術(shù)為原理的iWitness系統(tǒng)，則可以最大程度的簡(jiǎn)化設(shè)備，提高性價(jià)比。無論何種測(cè)量技術(shù)，在定量分析面部表面形態(tài)方面必須是精確與準(zhǔn)確兼顧的，這在目前應(yīng)用的系統(tǒng)亦是同樣要求。評(píng)估系統(tǒng)精確性至關(guān)重要，這是因?yàn)檩^高的組內(nèi)或組間測(cè)量誤差會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)的結(jié)果，尤其是在比較不同測(cè)量組之間的數(shù)據(jù)時(shí)更為明顯。另一方面，評(píng)估準(zhǔn)確性也是必不可少的，因?yàn)椴煌瑴y(cè)量技術(shù)獲取數(shù)據(jù)的不一致會(huì)限制這種技術(shù)所得數(shù)據(jù)的可說服性，也不能提供較有意義的對(duì)照。目前所有軟組織及顱面部測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)均選用直接測(cè)量方法作為標(biāo)準(zhǔn)，如果某種三維攝影測(cè)量技術(shù)獲取的測(cè)量數(shù)據(jù)與多種傳統(tǒng)的技術(shù)不一致，那么便可以認(rèn)為這種三維技術(shù)的準(zhǔn)確性有待提高。本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯恐校�采用不同的�?shù)據(jù)獲取過程進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，來探討圖像放大、圖像攝取、軟件校正等操作對(duì)測(cè)量精確度的影響，并尋求一種高效、高精確度的工作方式來進(jìn)行臨床與科研工作：關(guān)于操作者誤差，利用圖像放大工具獲取標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo)值，可明顯降低標(biāo)志點(diǎn)的定位誤差（P<0.05），但這也并不是必須的操作，因?yàn)樵诓皇褂梅糯蠊ぞ叩那闆r下平均誤差為0.20mm，在臨床中也是可以忽略不計(jì)的。一旦操作者對(duì)標(biāo)志點(diǎn)定位不確定時(shí)，那么就推薦使用放大工具。由于選取模型圖像的不同而引起的攝像誤差約為0.283mm（其中操作者誤差0.20mm），就臨床操作上來講，這種誤差也是可以忽略的。對(duì)于同一研究對(duì)象的不同組圖像與同一組圖像的數(shù)據(jù)之間的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05），進(jìn)一步從統(tǒng)計(jì)學(xué)上說明了由攝像角度的變換而引起的圖像差異，對(duì)數(shù)據(jù)并無影響。iWitness三維攝影測(cè)量軟件操作說明提示，在不同組圖像的測(cè)量前對(duì)圖像進(jìn)行校正，可以提高標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)值以及距離值等數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，但由于校正程序?qū)嵤┑那疤崾潜仨殱M足包含有至少4張圖像，不僅耗時(shí)而且增加了操作流程。在本實(shí)驗(yàn)中，通過對(duì)20次不同組圖像的20次校正，所得到的平均誤差為0.251mm（其中操作者誤差0.20mm），與僅作1次校正的測(cè)量誤差相比較，誤差減小約0.032mm，二者間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05），而且這種由多次校正而帶來的精確度提高臨床意義也不大。由此可說明對(duì)于同一型號(hào)相機(jī)拍攝的不同組圖像，僅在數(shù)據(jù)獲取前做一次校正便可以達(dá)到應(yīng)有的精確度，從而避免了不必要的操作，提高了工作效率。而以往精確度研究并沒有能評(píng)估坐標(biāo)點(diǎn)的標(biāo)定誤差，在本研究中通過對(duì)頭部模型的三維測(cè)量完成了坐標(biāo)點(diǎn)標(biāo)定誤差的評(píng)估，并尋找到一種適合本系統(tǒng)的高效且精確度較高的應(yīng)用方法。另外，與直接測(cè)量技術(shù)相比較，發(fā)現(xiàn)三維測(cè)量值與真實(shí)值之間的差值呈近似正態(tài)分布，差異主要集中于±0.4mm之間，兩端遞減趨勢(shì)，無偏倚。然而相關(guān)文獻(xiàn)[15]卻報(bào)道了其他測(cè)量技術(shù)的不一致性。也有報(bào)道[16]指出三維測(cè)量系統(tǒng)在水平向測(cè)量項(xiàng)目中有偏大的趨勢(shì)，而在垂直向指標(biāo)中卻傾向于較直接測(cè)量數(shù)據(jù)偏小。分析出現(xiàn)測(cè)量結(jié)論不一致的原因，人體面部與頭部模型的重要區(qū)別在于軟組織具有形變能力，輕微的接觸也可以引起表面皮膚變形，進(jìn)而使測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)生改變。再者，人體面部的三維測(cè)量與直接測(cè)量雖然在同一時(shí)間段內(nèi)完成，但是也不能否定時(shí)間因素的影響，因?yàn)槿梭w面部形態(tài)可以隨著各種表情變化而變化，甚至呼吸運(yùn)動(dòng)都會(huì)使測(cè)量數(shù)據(jù)產(chǎn)生前后的不一致性。然而，頭部模型的測(cè)量并不會(huì)受此因素的影響。本研究通過一系列點(diǎn)距測(cè)量值的獲取及頭部模型坐標(biāo)點(diǎn)的定位數(shù)據(jù)分析，證實(shí)了iWitness三維攝影測(cè)量系統(tǒng)的精確度，并確立了適合于面部測(cè)量分析的系統(tǒng)應(yīng)用方法。測(cè)量數(shù)據(jù)及分析結(jié)果表明此系統(tǒng)與直接測(cè)量數(shù)據(jù)的一致性良好，且有較高的精確性，無論臨床應(yīng)用還是科學(xué)研究中都是適用的。由于具有高效性、非侵襲性并能夠獲取三維面部形態(tài)的存檔信息等優(yōu)勢(shì)，此系統(tǒng)可作為面部形態(tài)數(shù)據(jù)庫建立的重要工具，使臨床資料標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化，從而為面部畸形的臨床治療與科學(xué)研究提供良好的平臺(tái)。