面部扫描仪在口腔医学中的应用

    口腔医学诊疗部位涉及颈部以上至发际线以下的颌面部区域，该区域软硬组织的病变均可能造成软组织缺损、畸形，影响患者相应部位的美观、功能及心理健康。客观准确地评价面部形态是诊治口腔颌面部疾病的关键环节。传统方法有直接人体测量法，采用卷尺、游标卡尺等工具进行测量，是一种古老、简单且低成本的方法。但该方法准确性较差、数据不易保存、可重复性较差。
    随着放射学的发展，超声、磁共振成像、计算机断层摄影、口腔颌面锥形束CT等放射学检查手段也逐渐应用于面部测量。这类方法可以较好地对面部形态进行三维重建，但存在一定的电离辐射。
    今天，随着光电技术和计算机科学的发展，高精度的面部扫描仪逐渐被用于医学临床，原始面部信息被转换成数字信号，经过相关软件的编辑、存储、输出与后处理，常被用于计算机辅助设计与计算机辅助制造（computer-aided design and computer-aided manufacturing，CAD/CAM），在人类学、法医学、形态学、认知科学、人体工程学和口腔医学等领域均有不可或缺的作用。本文将概述面部扫描仪的类型、工作原理及其在口腔医学中的应用，并对其未来发展做出展望。
    1.面部扫描仪的工作原理
    三维扫描的关键在于物体三维数据测量，测量方法分为接触式和非接触式两类。接触式扫描仪如Faro Edge三坐标接触式测量臂（Faro公司，美国）、Procera Forte接触式扫描仪（Nobel Biocare公司，瑞典）等，多为机械三坐标测量，其探头与物体表面接触，易使之受压变形，因此多用于汽车制造、零件加工、口腔模型数字化等。
    非接触式扫描仪的扫描头则与物体保持了一定的距离，避免划伤待测物表面或造成测量压迫。由于人体软组织存在可让性，且往往存在接触测量难以触及的微小区域，因此主流颜面部扫描多为非接触式光学扫描仪，其工作原理大致可分为3类:激光三角测量原理、结构光测量原理和立体摄影测量原理。精度一般在0.5mm左右，误差为0.14~1.33mm。
    激光扫描仪主要有3Shape R700扫描仪（3Shape公司，丹麦）、NextEngine三维扫描仪（NextEngine公司，美国）、Faro Edge LLP线激光扫描测量系统等。这类扫描仪采用可照射皮肤的二类激光作为投射光，通过仪器发出激光与面部反射激光之间的时间差，应用三角测量原理来测得红外线的位移即该点的深度信息，进而实现三维重建。激光扫描仪测量准确性高，但造价较高，扫描用时较久（8~30s），存在眼安全问题，同时对物体表面粗糙度、过大角度等较为敏感，因此在临床上的使用较为受限。
    应用结构光法的面部扫描仪主要有FaceScan三维扫描仪（3DSystem公司，德国）、3DSS-STD-Ⅱ三维扫描仪（上海数造科技有限公司，中国）、EinScan Pro三维扫描仪（先临三维公司，中国）等。工作时，这类扫描仪的光学投影装置会发出特定编码的结构光，投射至面部后产生移相，随后摄像机电荷耦合元件（charge-coupled device，CCD）同步获取调制后的二维光条畸变图形，将光信号转换为电信号，获得待测面结构信息，经计算机系统解算二维光条的图像坐标，直接或间接地获得面部外形。结构光技术扫描速度快、景深大、精度好，临床应用广泛，但对环境光和金属表面敏感，部分产品采集黑色、透明、反光面信息时需要喷粉，患者舒适感低，成本高、需要多角度复杂校准。
    立体摄影测量基于双目/多目视觉原理，采用摄影机模拟人双眼视物，利用视差恢复物体三维信息。典型产品有3dMD Face System三维颜面部扫描仪（3dMD公司，美国）、Face Camera Pro（Bellus3D 公司，美国）、Di3D 系统（Dimensional Imaging公司，英国）等，借助两台或者多台位置确定的立体摄像机（包括获取纹理信息和位置信息的相机）进行被动式光学三维扫描;也可同时主动投射非结构光，消除环境光谱干扰，拍摄两张或多张立体相片，由立体像对上的像点位置信息解算待测点在三维空间的位置，从而获得面部深度信息，绘制三维图像。
    该方法可以无创扫描面部，一次扫描即可获得相对完整的图形，目前普遍认为3dMD系统有着较高的准确性和可靠性，有学者研究了3dMDFace系统的实际测量精度，发现其有着良好的可重复性，且认为该系统实现的精度是非专业人士在人体测量中能达到的最低专业标准。但这类设备占用空间大、难以转移，每日需进行标定，操作敏感性高，对有光泽的表面扫描表现较差，且不能很好地扫描毛发等细微结构，因此仍需进一步研究与改进。
    2.面部扫描仪在口腔临床诊疗中的应用
    颌面部疾病易对患者身心健康造成影响，为研究其导致面部软硬组织发生的改变，指导临床治疗，颌面部三维形貌的测量及重建很有必要。
    2.1 面部扫描仪在口腔颌面外科中的应用
    口腔颌面外科对各种因素导致的面部畸形已有较为成熟的治疗手段，如唇腭裂患者的序列治疗、骨性牙颌畸形的正颌外科手术治疗等。对上述治疗的评价以往多采取医师主观评价、患者自我感受等方式，或采取手工测量、治疗前后照片对比等测量误差较大的客观手段，缺乏评价治疗的定量标准。面部扫描仪由于其强大的图像采集能力和可添加真实皮肤纹理信息等能力，在颌面外科诊疗中已有较多应用。
    Mu等对比了肉芽肿性唇炎（cheilitis granulomatosa，CG）治疗前后的面部轮廓，发现CG患者上下唇之间的距离和上下唇唇红缘长度有显著差异。Verze等使用Cyberware 3030RGB激光扫描系统采集了10例严重阻塞性睡眠呼吸暂停综合征患者的三维图像，发现在正颌外科治疗前后，患者面部软组织没有明显变化。
    除此之外，在评估面部肿胀程度、分析唇腭裂治疗前后差异、手术造成的鼻部形态改变等方面，均可利用面部扫描仪进行辅助诊断与治疗。面部扫描仪能定量评价出现在颌面部的诸如肿胀、缺损、畸形等症状以及治疗前后的差别，这有助于排除医师主观干扰，尽早明确诊断，为疾病的转归提出基于面部软组织三维数据上的客观判断。
    2.2 面部扫描仪在口腔正畸中的应用
    正畸学与面部软组织形貌息息相关。无论是矫正前后的面部形态，或是不同人群的面部特征，这些信息都需要我们对面部软组织形貌做出准确的解读。而三维面部扫描仪则提供了一种全新的解决手段，在确定面中线、分析面部对称度、对比男女面部差异等诸多方面均有良好应用。有学者发现上下颌矢状关系和冠状方向的三维摄影测量值与相应的传统头影测量值有很强相关性，可以作为头影测量的预测因子。
    有学者对比了二维侧位摄影和三维扫描技术评估软组织轮廓的效果，发现两者的评价效果均可为临床所接受。因此我们可以联合三维扫描技术，在最小放射剂量原则的指导下减少患者接受的放射剂量，将放射视野限制在医生感兴趣的区域，减少对患者的伤害。
    除此之外，面部扫描仪也极大地简化了正畸诊疗流程。正畸治疗对面部软组织的改变可以是显著的，也可以是轻微的。对于这种改变，以往我们多依靠肉眼观察、照片对比等手段，但面部三维信息重建提供了定量分析的可能。有学者使用3dMD系统对上颌快速扩弓器（maxillary skeletal expander，MSE）展腭中缝的效果进行了研究，发现MSE保留1年后，鼻翼平均位移量为1.5 mm，右颊平均位移量为2.5mm，左脸颊平均位移量为2.9mm，软组织出现了显著改变。这种可视化的操作不仅使矫治方案更为灵活，也因评估和量化了不同治疗方式造成的软组织变化而使医患沟通更为直观、有效。
    2.3 面部扫描仪在口腔修复中的应用
    颌面部三维扫描是面部缺损修复、美学预测、全口义齿修复等数字化修复的关键。在数字化修复中首先应用的三维扫描产品是诸如3Shape扫描仪、Ortho Insight扫描仪等的口内扫描仪。将牙颌模型数字化处理后，联合CAD/CAM 系统、快速成型技术，可以实现各类修复体（如:固定义齿、活动义齿及赝复体）的即刻制作。这种方法减少了患者就诊次数，消除了传统印模给患者带来的不适感，但缺乏修复体对面部软组织影响的预判，丧失了评估治疗效果的一个重要维度信息——软组织信息。
    而面部扫描仪创建的三维面部信息是高度真实、真彩色、富有皮肤纹理信息的，因此可以大大提升治疗的精确程度和美学效果。有学者应用3dMD Face系统研究了单侧唇腭裂患者佩戴上颌可摘局部义齿修复唇腭裂的美学效果，发现治疗前后面部数据如U1-SN、零子午线等存在统计学差异，即上颌可摘局部义齿可使单侧唇腭裂患者面部轮廓更加和谐。也有学者联合口内、面部扫描仪制作眼球赝复体，获得了良好的美学修复效果。
    3.小结与展望
    随着口腔数字化的发展，可移植性高、成本低、方便临床医生获取患者三维面部信息的便携式设备正如雨后春笋般涌现。面部扫描仪在不断的更新换代中，其高精度、高真实、非接触、可重复、用时短暂、便于远程传输等优点已被证实。在一些研究中，时间因素也被考虑，动态的三维视图进一步拓宽了面部扫描仪的应用范围。
    当然面部扫描仪的缺点也很明确，目前市面上的面部扫描仪在潮湿表面如眼部、曲率较大如鼻部、需触诊确定的部位如下颌角等处的扫描表现不佳，部分产品无法识别黑色，导致面部信息缺失。手持式面部扫描仪采集时容易丢失追踪区域，往往需要多次重采，造成患者的不便以及产生数据精度上的误差。主流扫描仪多为非空间友好的，成本昂贵，且获取的数据大，储存消耗较高，在目前大部分地区通信标准仍为4G 的情况下，面部扫描数据的云端通信就会比较耗时。部分产品技术敏感性高，实际应用时仍需培训，难以在普通门诊中推广应用。
    除此之外，在个别领域内，如动态三维视图精度是否满足临床需要、无牙颌修复获得的三维面部数据与其他三维数据的配准方案是否恰当等问题仍需进一步探讨。但就当下的世界发展潮流来看，数字化的牙科诊疗是大势所趋，随着5G通信的不断发展和5G基站的全面覆盖，可以综合测量和分析相关美学参数，完成虚拟诊断蜡型设计，为最终修复提供可视化治疗方案的三维牙科虚拟患者即将成为下一个研究热点。可以相信在未来，面部扫描仪将在口腔医学领域有着更广泛的应用。