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摘要1.研究背景 面部轮廓整形美容外科属于颅颌面外科学的一部分，是按照法国整形外科学家Tessier于1960年代后期创立的颅颌面外科学的基本原则和方法，通过外科手术和非手术的方法对构成面部形态的骨性结构和软组织成分进行重新的排列组合和固定，达到修复面部轮廓的先天或后天畸形，重塑略有瑕疵的面部形态的目的。这种把修复严重颅颌面畸形的方法用于对面部轮廓的美化重建的方法，由于满足了广大美容受术者们对于面部轮廓美的强烈需求而在上个世纪以来的短短几十年间就得到了突飞猛进的发展。 计算机技术，特别是计算机图像处理和图像测量技术的进步，使得通过计算机来对面部轮廓整形美容外科患者的图像资料进行测量和分析成为可能。计算机辅助图像测量分析可以为整形外科医生提供一个相对精确的术前判断和数字化的手术设计方案和标准，使得面部轮廓美容手术更加精确和客观，有利于医患双方充分沟通，方便患者选择适当的术式，更好地配合手术和围手术期处理，也为减少术后纠纷打下良好的基础。 2.目的 设计编写应用程序“计算机辅助面部轮廓整形美容测量系统(ComputeraidedFacialcontouringMeasurementSystem，CFMS)”，使其能够以面部轮廓整形美容受术者或其他人群的面部数码照片或摄像资料为素材，经过相应的校正和标定，对人体面部轮廓的相关标志如额、颧、下颌角、颏等部位进行点、线、角度的测量、分析，结合现有人体实际测量结果或正常值参数，综合分析受试者的面部轮廓的形态特征，指导面部轮廓整形美容手术的设计和分析，并根据术前测量分析结果决定手术中的截骨或磨削骨质的数量、范围等，术后对手术效果进行评判分析，对随访患者的资料进行分析并与术前、术后资料进行比较和回顾。 3.方法 (1).CFMS程序编写： 在MICROSOFTWINDOWS平台上，应用VisualC++语言进行设计，采用WINDOWS风格窗口和菜单形式，使得本系统符合大多数用户较多使用WINDOWS系统的习惯。CFMS系统主要由四个功能模块组成：图像文件操作功能模块、图像测量预处理功能模块、图像标注功能模块和图像测量功能模块。 (2).CFMS的误差分析： 在已编写CFMS软件的基础上，对于CFMS系统中存在的测量误差的原因进行分析，包括图像采集过程的影响，径向畸变、偏心畸变和薄棱镜畸变等镜头畸变，拍摄距离和标尺位置对测量精度的影响等因素进行分析，并针对这些因素，运用MatLab6.5和VisualC++语言对软件进行完善，采用透视变换矩阵标定法、非线性最小化法、直接线性变化法、两步法、双平面标定法等方法对于软件的算法进行改进，使系统的测量误差能够控制在可接受的范围之内。 (3).CFMS软件与直接测量方法的比较： 选取23名志愿受试者(男性10名，女性23名)，分别对于12项面部轮廓测量项目进行直接测量和CFMS软件测量，所得两组测量数据进行配对t检验(Pairedt-test)，计算测量的相对误差，比较两种测量结果的差异性。对两种测量结果进行相关与回归分析，论证CFMS测量结果与直接测量数据之间的关系。 (4).CFMS软件的临床应用 选取32例单纯骨性下颌角肥大患者，以下颌角宽(G0-G0)、下颌角角度(MA)、双侧下颌角点至正中矢状面距离(Go-M)等5项对于下颌角形态具有代表性的指标进行术前测量和数据分析，提出术中截(磨)骨量的建议值，术后再复查对应数据，两组数据进行配对t检验(Pairedt-test)，计算截骨量预计的相对误差，比较术前、术后数据之间的差异。对术前术后截骨数据进行相关与回归分析，寻找预计截骨量与实际截骨量之间的线性相关关系，从临床实践的角度检验CFMS系统的有效性、准确性、实用性和稳定性等。 4.结果 (1).编写形成“计算机辅助面部轮廓整形美容测量系统(ComputeraidedFacialcontouringMeasurementSystem，CFMS)”，其功能包括：数字图像的读写功能和格式转换；对原始图像进行校正；绘制基准线、网格；实现通用角度、距离等几何参数的测量；自检功能。 CFMS系统还具有以下特点：良好的开放性、可扩展性和可维护性；友好的用户界面；功能完备，精练实用；采用WINDOWS窗口风格，下拉式菜单选项，易于学习、操作和推广。 (2).通过对面部轮廓整形美容图像处理工作流程的系统分析，提出计算机辅助测量中误差产生的主要原因：一个是图像采集过程中的因素，包括摄影器材的质量和配置、摄影人员的摄影技术、摄影习惯、图像摄取的环境、图像资料在格式转换和复制、转存过程造成的数据损失；另一个是来自测量系统的原因，包括：①相机镜头畸变：A.径向畸变；B.偏心畸变C.薄棱镜畸变。②拍摄距离和标尺的影响。③其他如面部特征点坐标提取的定位误差，各个光敏元件的输出信号存在差异导致的图像失真，数字图像在离散、量化过程中引起的误差等等。 针对这些可能产生误差的因素，我们给出了一系列的解决方案，包括：①对摄影人员、器材和摄影资料的管理进行规范，确保图像资料在摄取和存储过程中损失最小化。②通过对相机标定算法的改进，包括利用透视变换矩阵的标定技术、运用非线性优化的标定技术、直接线性变化、两步法和双平面标定方法等，校正了由于镜头和摄影系统的原因产生的误差。 通过上述这些方法的处理后，我们又通过实验和计算，得出针对CFMS系统的误差计算公式，并通过这些算式对不同拍摄情景进行实际演算，绘出误差分析图表，结果表明在面部轮廓整形美容外科常用拍摄对象、拍摄距离和标尺等环境下，CFMS系统能够将测量误差控制在可以接受的范围之内，完全可以满足面部轮廓整形美容外科的测量需要。 (3).选取某高校学生中的10名男性受试者和13名女性受试者，对其面部轮廓的12项指标分别进行直接测量和CFMS软件测量。对测量结果的基本统计分析发现上述两种方法的测量结果与现有文献报道的相关人体测量数据基本吻合，配对t检验表明，直接测量与CFMS软件测量结果之间没有显著差异(p值在0.073-0.950之间)，测量相对误差在3.17％～1.00％之间，基本可以满足临床手术对准确度的要求。两种测量方法之间的相关系数、决定系数等均在0与1之间，存在正相关关系。 (4).借助CFMS系统的术前测量和预测对于手术设计的干预，下颌角缩小整形手术的效果比较明显，32例单纯骨性下颌角肥大患者术后在下颌角宽度(Go-Go)、下颌角角度(MA)、双侧下颌角点至正中矢状面(Go-M)等几个方面的数值与术前相比都具有极显著差异(P=0.000)，术后的面部轮廓外形也较满意。说明在CFMS软件的辅助下，口内入路下颌角缩小整形术的有效性。 针对预计截骨量与实际截骨量数据的统计检验可见两者差异不显著，说明预计截骨量与实际截骨量比较接近。对这两组数据的相关与回归分析，也证实了预计截骨量与实际截骨量之间存在正相关的线性关系，其回归方程的可信性检验，也表明这组方程具有统计学意义。说明本系统对于截(磨)骨量的估计与实际的截(磨)骨量之间还是有一定的对应关系。但计算所得相对误差偏大，说明该系统在截骨量的预测方面存在缺陷，只能在一定程度上满足粗略估算的需求，更精确的预测还需要借助三维CT/MRI的数据进行。 (5).存在的问题和今后的研究展望： ①由于目前尚处于课题初期，所制作的软件功能相对简单，除了测量功能外，对于图像本身的处理能力比如面部特征部位的增高、降低、增大、缩小等功能尚未开发出来，有待在今后的继续研究中继续完善； ②本课题是柳大烈教授主持的研究项目《颅颌面部修复重建三维模拟与手术导航辅助系统》的一部分，目前尚未与其他研究者的研究成果进行后期整合，还不具备三维模拟的功能，不能对手术后的面部轮廓进行实时模拟和演示，也不能对手术过程进行动态演示。期望在整个项目完成后将所有研究成果全面整合后，能够成为一套集数字图像测量分析、术中术后效果三维模拟、计算机导航和AutoCAM机械辅助手术、手术资料管理、远程会诊和手术演示功能于一体的完整系统，实现真正的数字化面部轮廓整形美容手术中心。 ③由于时间关系，目前所进行的测量精度实验和临床病例试用的样本量有限，所形成的测试结论还不能算是最终结论，尚有待更大样本、更多测量指标的实际应用来进一步证实。 5.结论 本课题通过对“计算机辅助面部轮廓整形美容外科测量系统(ComputeraidedFacialcontouringMeasuringSystem，CFMS)”的研究，形成了完整的CFMS应用软件，经过对该软件的误差分析、算法改进和实验测算，校正了本系统可能产生测量误差的因素，并对其他可能引起误差的因素给出了合理的建议。 通过对志愿者的测量和手术患者术前术后对照研究，检验了该系统的准确性。通过临床病例的测量分析和术前术后对比，验证了CFMS系统的所有功能和它在临床应用中的有效性、实用性、稳定性。研究表明CFMS系统是一套有效、精确、简单实用的应用软件，可供面部轮廓整形美容外科用于临床咨询、术前术后对照、效果评判、图像资料定量研究和临床示教等，也同样适用于需要人体形态测量和分析的其他情况。