邱天成，劉筱菁，薛竹林，李自力

(北京大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院·口腔醫(yī)院，口腔頜面外科 國(guó)家口腔疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心 口腔數(shù)字化醫(yī)療技術(shù)和材料國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室 口腔數(shù)字醫(yī)學(xué)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

面部表情是人與人之間交流的重要途徑，約55%的交流是依賴于非言語(yǔ)的面部表情完成的[1]。面部表情最早且最廣泛被應(yīng)用于評(píng)價(jià)面神經(jīng)功能，House-Brackmann系統(tǒng)是一種應(yīng)用最廣泛的面神經(jīng)功能評(píng)價(jià)系統(tǒng)，其按照面部表情肌的運(yùn)動(dòng)情況分為6級(jí)，較好地評(píng)價(jià)了面神經(jīng)功能，但是該分級(jí)較為主觀、適用范圍較窄，且組間及組內(nèi)差異均較為顯著[2]。近年來(lái)，二維乃至三維運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)的出現(xiàn)有效增加了面部表情運(yùn)動(dòng)評(píng)價(jià)的客觀性，被用于正常人群、唇腭裂患者、正頜手術(shù)患者、面部腫瘤及創(chuàng)傷患者的表情對(duì)稱性和治療前后變化的研究[3-8]。

正常人群面部表情的可重復(fù)性是評(píng)價(jià)治療前后表情變化的基礎(chǔ)，但近年來(lái)國(guó)內(nèi)外報(bào)道較少[9]。本研究采用動(dòng)態(tài)三維攝像系統(tǒng)，探索正常人群做不同口周表情時(shí)面部軟組織運(yùn)動(dòng)的可重復(fù)性，以期為后續(xù)的研究奠定基礎(chǔ)。

1 資料與方法

本研究為前瞻性研究，所有研究對(duì)象在研究進(jìn)行前均獲知情同意，本研究獲得北京大學(xué)口腔醫(yī)院生物醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn),并獲得肖像權(quán)人的肖像權(quán)使用書(shū)面授權(quán)。

1.1 研究對(duì)象

征集面部結(jié)構(gòu)大致對(duì)稱、無(wú)面部運(yùn)動(dòng)及感覺(jué)神經(jīng)障礙病史的志愿者共15名，男性7名，女性8名，年齡23～30歲，中位年齡25歲。

1.2 面部表情記錄方法

研究對(duì)象反復(fù)練習(xí)閉唇笑、露齒笑、撅嘴、鼓腮動(dòng)作(圖1)。通過(guò)面部表情動(dòng)作指導(dǎo)，使研究對(duì)象的表情動(dòng)作肉眼觀具有可重復(fù)性后，進(jìn)行表情動(dòng)作的錄制。

使用3dMDfaceTMDynamic System錄制面部表情，該系統(tǒng)由4臺(tái)黑白、2臺(tái)彩色分成左右兩個(gè)部分記錄面部彩色紋理，采用紅外線發(fā)射裝置輔助記錄三維面部數(shù)據(jù)。錄制前，先使用校正板校正各個(gè)相機(jī)參數(shù)。研究對(duì)象處于自然頭位，眼睛平視前方并調(diào)整位置，使研究對(duì)象面部處于鏡頭正中，頭頸部保持不動(dòng)。開(kāi)始錄制后，語(yǔ)言提示研究對(duì)象依次完成閉唇笑、露齒笑、撅嘴、鼓腮動(dòng)作，至少間隔1周后再次重復(fù)上述錄制步驟。

1.3 數(shù)據(jù)處理

挑選每個(gè)面部表情中最有特征的6幀圖像，分別為靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)圖像(T0)、從靜止?fàn)顟B(tài)至最大運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)的中間圖像(T1)、剛達(dá)到最大運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)的圖像(T2)、最大運(yùn)動(dòng)狀態(tài)將結(jié)束時(shí)的圖像(T3)、最大運(yùn)動(dòng)狀態(tài)至靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的中間圖像(T4)及動(dòng)作結(jié)束時(shí)的靜止圖像(T5)，見(jiàn)圖2。以T0靜止?fàn)顟B(tài)為參考，將同一研究對(duì)象同一動(dòng)作前后兩次錄制的T1～T5圖像與T0時(shí)刻圖像按照額部等面部表情過(guò)程中幾乎不運(yùn)動(dòng)的部分進(jìn)行圖像配準(zhǔn)融合，得出T1～T5時(shí)刻圖像與T0時(shí)刻圖像所有對(duì)應(yīng)采集點(diǎn)的均方根(root mean square，RMS)，見(jiàn)圖3和表1。

表1 閉唇笑表情的T3時(shí)刻所有研究對(duì)象前后兩次測(cè)量對(duì)應(yīng)的RMS值Table 1 Corresponding RMS values of all subjects at the T3 frame of smile lip closed motion

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

將同一研究對(duì)象同一動(dòng)作前后兩次對(duì)應(yīng)時(shí)刻的RMS值進(jìn)行配對(duì)，利用Wilcoxon符號(hào)秩檢驗(yàn)分析前后兩次錄制對(duì)應(yīng)時(shí)刻面部表情圖像是否存在差異，以雙側(cè)P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

15名研究對(duì)象均完成前后2次面部表情錄制，且兩次錄制的間隔均大于1周。將同一研究對(duì)象同一面部表情T(mén)1～T5時(shí)刻圖像與T0時(shí)刻圖像按額頭區(qū)域進(jìn)行配準(zhǔn)融合，額部配準(zhǔn)區(qū)域的RMS均小于0.25 mm。

從圖像總樣本中(T1～T5)隨機(jī)選取15幀圖像，與對(duì)應(yīng)的T0圖像進(jìn)行2次RMS值測(cè)量，并將兩次的測(cè)量值進(jìn)行配對(duì)t檢驗(yàn)，結(jié)果表明前后兩次RMS的測(cè)量值差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。

前后兩次采集的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)中，閉唇笑、露齒笑以及鼓腮表情的前后兩次相對(duì)應(yīng)時(shí)刻(T1～T5)捕捉的面部圖像差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；撅嘴動(dòng)作過(guò)程中，前后兩次T2時(shí)刻對(duì)應(yīng)的面部三維圖像差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，其余時(shí)刻的圖像差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(表2)。

表2 面部表情的可重復(fù)性Table 2 Reproducibility of facial expressions

3 討論

面部表情是人類情緒的重要表達(dá)方式，是口腔頜面部的重要生理功能，也是口腔頜面部畸形整復(fù)、缺損重建的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。面部運(yùn)動(dòng)的研究始于面癱的治療評(píng)價(jià)，最早，House-Brackmann系統(tǒng)將面部表情肌的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分為6級(jí)，在一定程度上評(píng)價(jià)面神經(jīng)功能[2]，但由于評(píng)價(jià)方法較為主觀，應(yīng)用范圍局限于面神經(jīng)功能損傷的患者，結(jié)果因觀察者的主觀經(jīng)驗(yàn)而變化。與分級(jí)評(píng)價(jià)方法相比，定量評(píng)價(jià)能夠獲得面部具體標(biāo)志點(diǎn)或某區(qū)域前后兩次測(cè)量位置的差異。采用相機(jī)拍攝的二維圖像進(jìn)行表情分析是最早的定量評(píng)價(jià)方法。Johnson等[10]將直徑為5 mm的紅點(diǎn)(中心為直徑1 mm的黑點(diǎn))粘貼在患者面部的特定標(biāo)志點(diǎn)上，拍攝患者靜止時(shí)及最大程度面部動(dòng)作時(shí)的圖像，用計(jì)算機(jī)分析計(jì)算不同動(dòng)作時(shí)標(biāo)志點(diǎn)的位置及移動(dòng)的幅度。Gross等[11]使用多臺(tái)相機(jī)及單臺(tái)相機(jī)拍攝研究對(duì)象的面部表情，獲得靜止?fàn)顟B(tài)及最大面部表情狀態(tài)的圖像，并分析相同標(biāo)志點(diǎn)在三維及二維條件下運(yùn)動(dòng)幅度測(cè)量值的差異，該研究發(fā)現(xiàn)與三維圖像相比，二維圖像上標(biāo)志點(diǎn)移動(dòng)距離的測(cè)量值明顯減小，兩者差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，面下1/3標(biāo)志點(diǎn)尤為明顯。在進(jìn)行微笑動(dòng)作時(shí)，二維圖像上口角點(diǎn)及鼻小柱基底點(diǎn)的移動(dòng)距離僅為三維圖像中測(cè)量值的 57.1%±14.1%。使用二維方法研究面部表情，因忽略了面部區(qū)域(面部標(biāo)志點(diǎn))矢狀向的運(yùn)動(dòng)，會(huì)對(duì)整體的研究結(jié)果產(chǎn)生影響。Trotman等[12]使用三維相機(jī)記錄面部肌肉運(yùn)動(dòng)并定量評(píng)估，將直徑4 mm的標(biāo)記點(diǎn)粘貼在患者臉部、頭帽及與上頜相連的復(fù)合印模材上，使用4個(gè)攝像機(jī)及Motion analysis軟件分析面部運(yùn)動(dòng)時(shí)各個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況。隨著三維成像技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，動(dòng)態(tài)三維照相成為記錄和評(píng)價(jià)面部表情運(yùn)動(dòng)的新方法。

動(dòng)態(tài)三維照相系統(tǒng)的基本原理是通過(guò)不同位置多臺(tái)相機(jī)獲得人面部不同角度的二維圖像，并由計(jì)算機(jī)將多個(gè)二維圖像整合處理，獲得面部三維圖像。若連續(xù)拍攝，可獲得代表面部整體運(yùn)動(dòng)系列的三維圖像。目前報(bào)道的基于動(dòng)態(tài)三維圖像進(jìn)行面部表情分析的方法大致分為兩種：(1)標(biāo)記點(diǎn)法：利用面部明顯解剖特征點(diǎn)，分析系列圖像相同標(biāo)志點(diǎn)三維空間的位置變化及標(biāo)志點(diǎn)移動(dòng)速度變化。Hallac等[4]利用雙側(cè)口角點(diǎn)、唇峰點(diǎn)等易辨認(rèn)標(biāo)志點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中三維空間位置的變化，測(cè)量標(biāo)志點(diǎn)運(yùn)動(dòng)距離、軌跡及時(shí)刻運(yùn)動(dòng)速度，分析唇腭裂患者術(shù)后口周標(biāo)志點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的對(duì)稱性情況。Shujaat等[7]計(jì)算了口周標(biāo)志點(diǎn)在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的平均速度，比較左右兩側(cè)標(biāo)志點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度的差異，研究了下唇正中切開(kāi)下頜骨截骨術(shù)后口周運(yùn)動(dòng)的對(duì)稱性。(2)區(qū)域分析法：無(wú)需選定特定的解剖標(biāo)記點(diǎn)，而是圈定一個(gè)感興趣區(qū)域，基于點(diǎn)云分析方法，對(duì)比區(qū)域內(nèi)所有點(diǎn)在表情不同時(shí)刻的群體差異。Alagha等[13]選取面部表情過(guò)程中具有代表性時(shí)刻的三維圖像，將各個(gè)時(shí)刻三維圖像與靜止時(shí)刻面部三維圖像利用部分普氏分析方法重疊，分析面部整體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中代表性時(shí)刻三維圖像的形態(tài)變化，研究面神經(jīng)功能損傷患者表情運(yùn)動(dòng)的可重復(fù)性。Al-Hiyali等[5]利用面部區(qū)域性分析方法研究面部不對(duì)稱患者正頜手術(shù)后面部表情運(yùn)動(dòng)對(duì)稱性情況。

標(biāo)記點(diǎn)法觀察的是運(yùn)動(dòng)中的“個(gè)體行為”，而區(qū)域分析法關(guān)注的是“群體行為”。標(biāo)志點(diǎn)法具有數(shù)據(jù)量小、處理容易、結(jié)果突出的優(yōu)勢(shì)，但是存在以下缺陷：面部具有特征性的標(biāo)志點(diǎn)，多分布于眼部、鼻部、唇部等位置，額部、頰部缺乏特征性的標(biāo)志點(diǎn)，故使用標(biāo)志點(diǎn)法會(huì)忽略一部分面部區(qū)域；鼻、唇等區(qū)域結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，使用個(gè)別標(biāo)志點(diǎn)來(lái)代替鼻、唇等區(qū)域顯得較為片面、粗糙；標(biāo)志點(diǎn)位置的確定會(huì)存在人為的誤差，Alqattan等[14]進(jìn)行了標(biāo)志點(diǎn)選取的一致性檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)男性研究對(duì)象中鼻根標(biāo)志點(diǎn)及頦前標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)，以及女性研究對(duì)象中鼻根標(biāo)志點(diǎn)、頦前標(biāo)志點(diǎn)及額部標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)在由不同研究者定點(diǎn)時(shí)，存在2.0 mm以上的誤差。區(qū)域分析法分析全面但混雜因素較多，個(gè)別點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)容易被其他干擾點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律所掩蓋，用于不同患者之間面部運(yùn)動(dòng)的比較時(shí)，需要考慮區(qū)域形貌固有的差異對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。在具體的研究過(guò)程中，往往需要結(jié)合具體需求進(jìn)行選擇。

由于本研究的目的主要是評(píng)價(jià)口周運(yùn)動(dòng)的可重復(fù)性，且口周運(yùn)動(dòng)牽動(dòng)的面部解剖點(diǎn)眾多，若一一設(shè)計(jì)標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行分析，結(jié)果過(guò)于繁雜，且標(biāo)志點(diǎn)定位的組間一致性較差，因而區(qū)域分析法更加適合。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，閉唇笑及鼓腮動(dòng)作具有較高的可重復(fù)性，露齒笑動(dòng)作的可重復(fù)性稍差，而撅嘴動(dòng)作前后兩次錄制的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，這與Sawyer等[9]的研究結(jié)果類似，但與Ju等[15]的研究結(jié)果有差異，其使用3D Motion Capture System間隔15 min記錄2次動(dòng)態(tài)面部運(yùn)動(dòng)，選取面部具有代表性標(biāo)志點(diǎn)，評(píng)價(jià)整體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中同一面部動(dòng)作、同一標(biāo)志點(diǎn)前后兩次運(yùn)動(dòng)幅度及運(yùn)動(dòng)速度的差異，得出露齒笑具有較好的可重復(fù)性，鼓腮運(yùn)動(dòng)次之，而撅嘴動(dòng)作的可重復(fù)性較差的結(jié)論。造成兩研究結(jié)果差異的原因可能在于：本研究前后兩次測(cè)量間隔了1周以上，且分析了運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的多個(gè)關(guān)鍵圖像整體三維區(qū)域，而非個(gè)別標(biāo)志點(diǎn)三維空間位置的比較。研究對(duì)象撅嘴動(dòng)作前后存在差異的原因可能為：(1)嘴唇可向前或向上朝向鼻底并伴有一定程度聳鼻動(dòng)作，嘴唇運(yùn)動(dòng)方向的差異可能對(duì)研究結(jié)果造成影響；(2)撅嘴時(shí)，嘴唇處于收縮狀態(tài)，恢復(fù)至靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，我們觀察發(fā)現(xiàn)多數(shù)受試者的嘴唇仍存在不同程度的收縮。與閉唇笑相比，露齒笑運(yùn)動(dòng)過(guò)程中涉及的面部表情肌更多、動(dòng)作更加復(fù)雜，且盡管進(jìn)行動(dòng)作錄制前向研究對(duì)象反復(fù)說(shuō)明，個(gè)別研究對(duì)象仍在露齒笑過(guò)程中伴隨不同程度的張口運(yùn)動(dòng)，會(huì)對(duì)前后兩次運(yùn)動(dòng)的重復(fù)性產(chǎn)生影響。此外，閉唇笑和露齒笑受研究對(duì)象心情的影響較大，于不同心理狀態(tài)下，前后兩次做面部表情時(shí)運(yùn)動(dòng)幅度可能存在差異。

本研究使用三維動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)分析面部表情的可重復(fù)性仍存在局限性，如研究對(duì)象納入較少，研究對(duì)象基本情況較為相似可能對(duì)研究結(jié)果產(chǎn)生影響。閉唇笑、露齒笑、撅嘴及鼓腮運(yùn)動(dòng)均只涉及面部中下1/3表情肌運(yùn)動(dòng)，研究未涉及面上部表情運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作，故存在片面性。今后需要進(jìn)一步擴(kuò)大樣本量，研究更多面部表情的可重復(fù)性，為將來(lái)的研究奠定基礎(chǔ)。