CC BY
61
УДК: 617.52-089.844-073.756.1
ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ 3D-СКАНИРОВАНИЯ ДЛЯ ОБЪЕМНОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ В ПЛАСТИЧЕСКОЙ ХИРУРГИИ ЛИЦА
А.Ф. Лесняков, М.А. Волох, М.А. Кирилловский Северо-Западный государственный медицинский университет имени И.И. Мечникова,
Санкт-Петербург, Россия
Современные методы визуализации существенно расширяют возможности анализа изображения и успешно применяются в различных областях. Цель работы заключалась в определении возможностей применения технологии 3D-сканирования, на примере оптической системы Cognitens WLS400M, для оценки результатов операции и проведения высокоточных измерений в пластической хирургии лица. Исследование проводили с участием 8 женщин в возрасте от 38 до 56 лет, решивших выполнить операцию по коррекции возрастных изменений лица. В результате исследования выяснили, что внедрение устройств и программного обеспечения, для создания объемных моделей в пластическую хирургию открывает новые возможности, которые могут с успехом применяться не только для анализа результатов, но и при планировании операций.
Ключевые слова: 3D-сканирование, лицо, возрастные изменения, коррекция, фотографирование, подтяжка лица.
Введение
Различные методы визуализации всегда использовались в пластической хирургии для оценки результатов операций и ведения документации. До широкого внедрения фотоаппаратов основным инструментом визуализации оставалась схема или художественный рисунок, которые встречаются в старых анатомических атласах. Схематические изображения имели существенные недостатки, и быстро потеряли свою актуальность с появлением фотографий.
Простота использования привела к широкому распространению метода фотографирования. Первые фото пациента до и после пластической операции на лице (рис. 1) опубликовал в начале XX века А^. Веитап [1].
Рис. 1. Фото пациентки до и после операции по коррекции возрастных изменений лица. Источник: Bettman A. G. A Classic Reprint: Plastic and Cosmetic Surgery of the Face/ A.G. Bettman // Aesth. Plast. Surg. 12:5-7, 1988
О преимуществах и недостатках методики фотографирования и его стандартах написано большое количество статей в журналах и глав в различных монографиях [2,3,4,5,6]. Основными недостатками фотографии являются невозможность в точности повторить условия фотосъемки и искажение фотоизображения связанное с оптическими системами (дисторсия).
Современные методы визуализации существенно расширяют возможности анализа изображения и теперь, проводя аналогию с рисунками и схемами, можно говорить о том, что фотографирование во многом уступает объемной визуализации.
Преимущества трехмерного моделирования используются в настоящее время в различных специальностях. Технологии, применяемые для объемной визуализации, позволяют в точности воспроизвести форму и истинные размеры исходного объекта [7]. Трехмерная модель позволяет исключить основные недостатки чертежа, рисунка или фотографии, заключающиеся в невозможности представления реальных размеров объекта, его пространственной ориентации и статичности плоскостного объекта, которая существенно ограничивает возможности его оценки.
Трехмерная модель лица, имеет следующие преимущества:
- создается объемная модель, идентичная оригиналу, с учетом мельчайших изменений рельефа покровных тканей при минимальной погрешности;
- возможности проведения анализа и выполнения высокоточных геометрических изме-
рений полученной модели любой сложности в зависимости от поставленных задач;
- большая объективность данных по сравнению с традиционной фиксацией методом фотографирования - качество данных не зависит от освещения в момент съёмки, выбранных ракурсов или применяемой оптики.
Решение этих проблем дает возможность воспринимать информацию более наглядно, чем в плоскости, оценивать объемные характеристики изучаемого объекта и детально анализировать его [8,9].
Целью работы является определение возможностей применения технологии 3D-сканирования на примере оптической системы Cognitens WLS400M для оценки результатов операции и проведения высокоточных измерений в пластической хирургии лица.
Материалы и методы исследования
Для высокоточной оценки результатов выполненных операций и возможности детального анализа полученного материала в нашей работе помимо стандартной фотодокументации использовали контрольно измерительное устройство - оптический 3D-сканер Cognitens WLS400M (рис. 2).
О
Рис. 2. Оптическая система Cognitens ШЬ8400М
Сенсорный блок устройства состоит из трех четырехмегапиксельных цифровых камер со светодиодной подсветкой и проектора, помещённых в жёсткий углепластиковый корпус. В системе реализован принцип фотограмметрии, используется восстановление трехмерного изображения
посредством проецирования на сканируемую поверхность псевдослучайного контрастного изображения с высокомощным подсвечиванием с помощью встроенных светодиодов и последующим импульсным захватом изображения (табл. 1).
Таблица 1 Основные характеристики системы Cognitens WLS400M
Оптимальное расстояние до объекта (фокусное расстояние)
Размер поля зрения на середине диапазона по расстоянию
Шаг сканирования (плотность точек)
Точность определения формы по одному снимку
Продолжительность оптической экспозиции
Для обработки полученного материала применялся персональный компьютер с установленной операционной системой MS Windows и оригинальным программным обеспечением CoreView™ и Polyworks Inspector™.
Система обеспечивает сбор высоконадежной размерной информации от измеряемых объектов независимо от их геометрических и компоновочных особенностей. Для последующего анализа, путем сопоставления полученного материала, формируются высококачественные 3D-модели. Интуитивно-понятный интерфейс позволяет выполнять геометрический анализ с выводом результатов в текстовом и графическом виде с возможностью построения цветовых картограмм.
Для наглядной демонстрации принципа действия и визуализации результата с использованием цветовых картограмм проводили тестовое сканирование лица с «надуванием щек». При этом первая серия сканирования лица была выполнена в положении покоя, затем пациента попросили «надуть» щеки и выполняли вторую серию сканирования. Полученные образы совмещали и анализировали (рис. 3).
При оценке несовмещенных двухмерных моделей не наблюдается принципиального отличия в изменении плоскостей при надувании щек. Такая проблема является актуальной и для фотоизображения. Совмещение моделей позволяет с большой точностью объективно оценить степень отклонения, при изменении положения мягких тканей лица, используя анализ девиации на основе визуализации результата в виде цветовой картограммы.
780 ± 105 мм 500 х 500 мм 0.24 мм 0.025 мм 10 мс
оо<хх>о<хх><>о<хх>о<хх><>о<хх>о<х>о<>о<хх>о^
3.1 Лицо в покое 3.2. Щеки надуты З.З.Совмещение моделей
Рис. 3. Анализ результатов сканирования при «надувании» щек
Исследование проводили с участием 8 пациентов женского пола в возрасте от 38 до 56 лет, решивших выполнить операцию по коррекции возрастных изменений лица.
Пациенткам перед выполнением операции проводилось стандартное фотографирование и объемное сканирование с использованием оптической системы Cognitens WLS400M (рис. 4).
Рис. 4. Фотографирование и объемная визуализация у пациентки до операции
Через 8-12 месяцев после проведения операции пациентам была повторно выполнена объемная визуализация и фотографирование в аналогичных проекциях для оценки полученного результата и сравнения с исследованием, проведенным до операции (рис. 5).
Рис. 5. Фотографирование и объемная визуализация у пациентки через 8 месяцев после операции
Следует отметить, что послеоперационный период у всех исследованных пациентов протекал без осложнений, которые могли бы ухудшить результаты операции или увеличить сроки реабилитации.
После выполнения измерений данные заносились в программу Polyworks Inspector™ для последующей обработки.
Методика объемного наложения позволяла проводить сравнение данных полученных до и после операции, используя анализ девиаций на основе цветовой картограммы отклонений (рис. 6).
Рис. 6. Цветовая картограмма отклонений (в мм.)
000000000<>0<>00<>0<>0<><Ю<>0<>0<><>0<^^
При сравнении за основу были приняты данные полученные до проведения операции, относительно которых были рассчитаны отклонения. Диапазон значений от -1 мм до +1 мм зелёного цвета соответствует полному геометрическому соответствию объектов (значение «0») или незначительному изменению формы в пределах 1 мм. Отрицательные значения соответствовали отклонению кнутри от исходного объекта и обозначались синим оттенком (отрицательная девиация). В свою очередь положительные значения, соответствующие оттенкам красного, показывали отклонение кнаружи от исходного объекта (положительная девиация).
Сопоставляя результаты исследований, выполненных до и после операции, получали спектральную картину лица (рис. 7).
Рис. 7. Снимки спектральной картины объемной модели лица, полученной в результате сопоставления измерений до и через 12 месяцев после операции в программе Polyworks™
Результаты и их обсуждения
При оценке изменений после операции во всех наблюдениях отмечалась положительная девиация в скуловой и периорбитальной области. Отрицательная девиация отмечалась в области носогубной складки, шейно-подбородоч-ного угла, области шеи и щек (табл. 2).
Девиация появляется из-за перераспределения мягких тканей при выполнении операции. Анализируя различия в степени девиации применительно к конкретной области лица, можно делать вывод как та или иная техника воздействует на изучаемую зону. Это позволяет объективно оценивать эффективность хирургической техники при решении конкретных задач.
При анализе изображений, полученных различными способами, ставились следующие задачи: измерение антропометрических показателей, оценка результатов операции, измерение площади отдельно взятой области лица, количественное определение девиации плоскости лица в различных областях.
При работе с изображением, полученным с помощью фотографирования не имея «эталонного» объекта или дополнительного программного обеспечения невозможно произвести антропометрические измерения. Оболочка Polyworks™ позволяет произвести любые антропометрические измерения объемного объекта с точностью до 1\10 мм.
Оценка результатов операции возможна как по фотографии, так и на объемной модели. Следует отметить, что оценка фотографического изображения будет более субъективной и менее наглядной из-за плоскостного восприятия. Пользуясь количественным определением девиации плоскости лица, при анализе результатов проведенной операции, мы получаем объективные числовые значения, которые могут говорить об эффективности проведенной процедуры, а спектральная картина лица более наглядно отражает произошедшие изменения.
На фотографическом изображении измерить площадь определенной области лица невозможно. При работе с исследуемым объектом в программе Polyworks™ произвести измерение площади любого выделенного участка лица возможно с минимальной погрешностью.
Выводы
Метод объемной визуализации позволяет качественно повысить точность и достоверность анализа послеоперационных результатов в пластической хирургии лица.
Получение материала не в плоскостном, а в объемном варианте способствует более детальному изучению послеоперационных изменений с возможностью локальной оценки различных субъединиц лица.
Таблица 2
Степень девиации различных областей лица. П - правая половина лица; Л - левая половина лица
Степень девиации в различных областях лица и шеи в мм
Периорбитальная область Скуловая область Носогубная складка Шейно-подбородочный угол Область шеи Область щек
П Л П Л П Л П Л П Л
Протокол 1 Протокол 2 Протокол 3 Протокол 4 Протокол 5 Протокол 6 Протокол 7 Протокол 8 +2,2 + 1,0 + 1,8 +2,2 + 1,1 + 1,7 + 1,0 +2,5 +2,0 + 1.5 +2,0 +2,5 + 1.2 + 1,8 + 1.0 +2,3 +2,0 + 1,8 + 1,8 +2,0 +2,1 + 1,8 + 1,9 +2,0 +2,0 + 1,5 + 1,6 +2,2 +2,1 + 1,8 + 1,9 +2,0 -0,8 0 -1,5 -1,2 -1,4 -1,0 -2,0 -2,8 -0,8 0 -1,8 -1,2 -1,3 -1,2 -2,2 -3,0 -9,0 -6,5 -5,0 -6,5 -3,0 -6,8 -5,5 7,3 -2,0 -2,3 -1,8 -2,0 -2,0 -1,6 -2,3 -2,1 -2,0 -1,5 -1,6 -2,0 -1,9 -1,6 -2,2 -1,7 -1,0 -2,2 -1,5 -1,8 -1,9 -2,0 -1,3 -1,5 -1,0 -2,1 -1,5 -1,7 -1,9 -2,1 -1,4 -1,5
Внедрение устройств и программного обеспечения, для создания объемных моделей в пластическую хирургию открывает новые возможности, которые могут с успехом применяться как при анализе результатов, так и при планировании операций.
Литература
1. Moy, R.L. Procedures in Cosmetic Dermatology: Advanced Face Lifting / R.L. Moy, E. Fincher.
- Saunders: 2006. - 208 p.
2. Белоусов, А.Е. Фотодоказательства в пластической хирургии / Белоусов А.Е.// Пластическая хирургия и косметология - 2012. - № 1.
- С. 19-29.
3. Боровиков, А.М. О методах объективизации в эстетической медицине / Боровиков А.М. // Пластическая хирургия и косметология - 2011.
- № 4. - С. 642-647.
4. Самара, Н.В. Фотодокументирование в пластической хирургии и косметологии. Рекомендации начинающим / Н.В. Самара // Пластическая хирургия и косметология - 2012. - № 2. - С. 228-230.
5. Воронин, А.А. Подготовка фотодоказательств для полиграфического использования / А.А. Воронин // Пластическая хирургия и косметология - 2012. - № 2. - С. 223-227.
6. Катаев, М.Г. Документирование образов / М.Г. Катаев // Пластическая хирургия и косметология - 2012. - № 3. - С. 395-399.
7. Friess, M. The Use of 3D Laser Scanning Techniques for the Morphometric Analysis of human Facial Shape Variation / M. Friess, L.F. Marcus, D.P. Reddy at al. // Three-Dimensional Imaging in Paleoanthropology and Prehistoric Archaeology - 2002. - Vol. 5. - № 3 - P. 1049-1074.
8. Kovacs, L. Accuracy and precision of the three-dimensional assessment of the facial surface using a 3-D laser scanner / L. Kovacs , A. Zimmermann , G. Brockmann , H. Baurecht at al. // See comment in PubMed Commons belowTrans. Med. Imaging. -2006. - Vol. 25. - № 6. - P. 742-54.
9. Kovacs, L. Three-dimensional recording of the human face with a 3D laser scanner / L. Kovacs, A. Zimmermann, G. Brockmann, M. Guhring // Journal of Plastic, Reconstructive & Aesthetic Surgery. - 2006. - Vol. 59. - P. 1193-1202.
А.Ф. Лесняков
Тел: +7 (911) 933-61-07
E-mail: lesniakovmd@gmail.com
А.Ф. Лесняков, М.А. Волох, М.А. Кирилловский Возможности применения технологии 3d-CKarnpoBaHM для объемной визуализации в пластической хирургии лица // Вестник Северо-Западного государственного медицинского университета им. И.И. Мечникова. — 2016. — Том 8, № 1. — С. 7—12.
THE POSSIBILITY OF USING 3D-SCANNING TECHNOLOGY FOR VOLUMETRIC
IMAGING IN FACIAL PLASTIC SURGERY
A.F. Lesnyakov, MA. Volokh, MA. Kirillovskiy North-Western State Medical University named after I.I. Mechnikov, Saint-Petersburg, Russia.
Modem imaging techniques significantly extend the capabilities of image analysis and successfully applied in various areas. The purpose of this work is to determine the suitability of 3D-scanning technology with optical system Cognitens WLS400M to evaluate the results of operations and high-precision measurements in plastic surgery of the face. The study was conducted with the participation of 8 women aged 38 to 56 years old, decided to perform an operation to correct age-related changes of the face. The study found that the application of hardware and software to create solid models in plastic surgery offers new possibilities that can be successfully used in the analysis of results and planning of operations.
Key words: 3D-scanning, face, aging changes, correction, photography, facelift.
Authors
A.F. Lesnyakov
Tel.: +7 (911) 933-61-07
E-mail: lesniakovmd@gmail.com
A.F. Lesnyakov, M.A. Volokh, M.A. Kirillovskiy The possibility of using 3d-scanning technology for volumetric imaging in facial plastic surgery // Herald of the Northwestern State Medical University named after I.I. Mechnikov. — 2016. — Vol. 8, № 1 — IP 7-12.
