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Die herkömmlichen routinemäßig ein-gesetzten Verfahren zur Vermessungvon Patienten mit angeborenen odernach Unfällen erworbenen skelettalenFehlstellungen im Kiefer-Gesichts-Be-reich, die zur Diagnostik und Therapie-planung herangezogen werden, beru-hen auf schädelbezüglich in einen Arti-kulator eingesetzten Gipsmodellen derOber- und Unterkieferzahnreihen, seit-lichen Fernröntgenbildern (FRS) und,bei bestimmten Dysgnathien, frontalen

Fernröntgenbildern (FRF). Zur Analy-se und Planung der Gesichtsharmonieanhand der Gesichtsweichteile dienenseitlich und frontal im Verhältnis 1 :1zum Patienten aufgenommene Foto-grafien. Röntgenbilder und Fotografienwerden über kephalometrische Punkteund Winkel ausgewertet und mit empi-risch ermittelten, festgesetzten Norm-werten verglichen. Um die zu erwar-tenden Veränderungen des Gesichtspräoperativ sichtbar zu machen, wer-den manuell nach ErfahrungswertenFotomontagen aus den Fotografien an-gefertigt [5, 6, 12].

Ausgehend von diesen traditionel-len zweidimensionalen Verfahren wur-

Mund Kiefer GesichtsChir (1998) 2 [Suppl 2] : S130–S134 © Springer-Verlag 1998

3D-Erfassung der Gesichtsoberfläche durch Topometrie unter der Verwendung von projizierten WeißlichtstreifenKatja Schwenzer1, C. Holberg1, J. Willer2, G. Mast1, M. Ehrenfeld1

1 Klinik und Poliklinik für Mund-Kiefer-Gesichtschirurgie (Prof. Dr. Dr. M. Ehrenfeld), Ludwig-Maximilians-Universität München2 Willer und Steinbichler GmbH, Reutlingen

Dr. Dr. Katja Schwenzer, Klinik und Poliklinikfür Mund-Kiefer-Gesichtschirurgie, Ludwig-Maximilians-Universität München, Lindwurm-straße 2a, D-80337 München

Zusammenfassung

Die dreidimensionale Erfassung der Ge-sichtsoberfläche wird bei den bisher zurVerfügung stehenden Verfahren dadurcherschwert, daß die zumeist punktuell ar-beitenden optischen Meßsysteme häufiglange Meßzeiten haben. Aus diesemGrund kommt es zu Bewegungsartefaktenz. B. durch Augenzwinkern. Auch die An-fertigung von Gipsmodellen als Vermes-sungsgrundlage ist aufgrund der Weich-teilverformung keine Lösung. Zur kon-taktfreien Erfassung der Gesichtsober-fläche ist ein System wünschenswert, wel-ches eine kurze Meßzeit hat, komplexeOberflächen erfassen kann und auch beigeöffneten Augen unschädlich ist. Diehier beschriebene Methode stellt eineNeuentwicklung aus einem in der indu-striellen Vermessungstechnik etabliertenHochleistungsvermessungsverfahren zurdetailgenauen Oberflächenerfassung dar.Strukturiertes Weißlicht wird auf die zuerfassende Oberfläche projiziert unddurch Videokameras erfaßt. Die Ober-fläche wird über Triangulation durch ei-ne spezielle Computersoftware errechnet.Im Unterschied zu herkömmlichen Ver-fahren zeichnet sich die Streifenprojekti-onsmethode durch berührungsfreie Mes-sung, flächenhafte Erfassung mit hoherPräzision (ca. 500 000 simultane Meß-punkte) und kurze Meßzeiten (ca. 1,7s)aus. Probanden und deren Gesichtsmo-delle nach Gesichtsabformung (n = 15)wurden vergleichend und seriell (n = 5)vermessen, um die Reliabilität, die Vali-dität und die Eignung der Methode fürFragestellungen im Mund-Kiefer-Ge-sichts-Bereich zu evaluieren. Es zeigtesich, daß sich die Methode für die dreidi-mensionale Erfassung der Gesichts-weichteile eignet. Erste Untersuchungenan Patienten vor und nach Dysgnathie-operationen wurden unternommen. Eineprospektive Langzeitstudie mit prä- undpostoperativ erfaßten Dysgnathiepatien-ten zur Datensammlung wurde begonnen.Zunächst werden die Gesichtsweichteil-veränderungen infolge von definiertenskelettverlagernden Eingriffen erfaßt.Später, nach Koppelung dieser Daten mitdreidimensionalen Knochendaten, soll-ten Aussagen z. B. bezüglich der Frageder Vorhersage der Weichteilverände-rungen infolge Dysgnathieoperationenmöglich sein.

Schlüsselwörter

3-D Digitalisierung · Gesichtsoberfläche ·Optoelektronisch · CAD/CAM · Weich-teil

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Abb.1. Funktionsprinzip des Meßverfahrens. Das Objekt wird mit einem Projektor beleuchtet undvon einer Kamera beobachtet. Durch Triangulation wird für jeden Kamerapunkt eine x-y-z-Koor-dinate berechnet

den einerseits Möglichkeiten derWeichteilvorhersage durch den Ver-gleich von prä- und postoperativenseitlichen Fotografien und Röntgenbil-dern [13, 14, 17] sowie virtuellen ausFRS und FRF zusammengesetztengroben räumlichen Modellen ent-wickelt [10]. Auf den Grundlagen derstreng seitlichen Weichteil-Knochen-Vermessung beruht auch eine derzeitauf dem Markt befindliche soft-tissue-prediction-software (Dentofacial Plan-ner) [16]. Hierbei wird die Weich-teildynamik im Bereich des Unterkie-fers auch bezüglich der Autorotationdes Unterkiefers z. T. gut erfaßt undvorhergesagt. Planungen, die das Mit-telgesicht und die Nasenregion betref-fen, können jedoch nicht adäquat prä-operativ abgebildet werden [1, 2, 11,15].

Bei allen Verfahren, die bisher rou-tinemäßig verwendet werden, kommennur zweidimensionale Datengrundla-gen zum Einsatz. Das bedeutet, daß nurdas seitliche Profil, sowohl bei der Pla-nung als auch der präoperativen Visua-lisierung der Gesichtsweichteile, dar-gestellt werden kann. Es müssen je-doch auch Halb-, Viertelprofile usw.beachtet werden, da diese die aus übli-chen Blickwinkeln in erster Liniesichtbaren Ansichten sind. Kaum einunvorbereiteter Patient kennt, außerunter Zuhilfenahme mehrerer Spiegeloder Fotografien, sein streng seitlichesProfil.

Um dem Problem der Dreidimen-sionalität gerecht zu werden, wurdenbereits in den 80er Jahren Moiré-Stei-fen in unterschiedlichen Untersuchun-gen verwendet, z.B. um Asymmetriensichtbar zu machen. Diese konzen-trisch angeordneten Weißlichtstreifen,die auf eine Oberfläche, z. B. ein Ge-sicht, projiziert werden, können so z.B. im Seitenvergleich Abweichungender Oberflächenstruktur sichtbar ma-chen [7–9].

Neuere, auf dreidimensionaler Ba-sis erfassende optoelektronische Ver-fahren arbeiten zumeist mit Laserabta-stung [3, 4]. Hierbei werden Ober-flächen schrittweise abgetastet, somitdreidimensional erfaßt und abgebildet.Probleme, die hier auftreten, beruhenoft auf langen Meßzeiten bei punktuelloder linear arbeitenden Systemen. UmBewegungsartefakte bei langen Meß-

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Three-dimensional registration of the facial surface usingprojected white light stripes (TRICOLITE – triangulation with coded light technique)

Katja Schwenzer, C. Holberg, J. Willer, G. Mast, M. Ehrenfeld

Summary

Three-dimensional registration ofthe facial surface by methods whichare currently in use is difficult be-cause of the long measuring times re-quired by point-based imaging sys-tems. Artifacts caused by movementappear, e.g., blinking. Also the pro-duction of a facial plaster-cast mod-el for measuring is not an adequatesolution. In order to acquire data ofthe facial surface in a contact-freemanner, a system is needed that hasshort measuring times, is able torecord data of complex surfaces andat the same time does no harm to theopen eyes. The method describedhere represents a new developmentof an industrial high tech CAD/CAMsystem. Unlike customary point-based imaging systems, the stripeprojection method works using en-tire planes. Structured light is aimedat the surface to be measured,recorded by videocamera and calcu-lated by triangulation; then the dif-ferent views are combined by com-puter. The system has an optic sensorthat can record approximately

500 000 measuring points withinseconds (ca. 1.7s). Test persons’faces and plaster-cast models ofthem (n = 15) were measured com-partively and serially (n = 5) to testthe validity and reliability of themethod for maxillofacial procedures.These investigations show that thismethod is appropriate for recordingthree-dimensional soft-tissue pro-files. First studies on patients beforeand after dysgnathia operations wereundertaken. A prospective long-termstudy for collecting data on pre- andpostoperative dysgnathia patientshas been begun. Initially, it willrecord the changes in facial soft tis-sue on the basis of skeletal displace-ment. Later, predictions about thesoft-tissue changes subsequent todysgnathia surgery can be workedout on the basis of stored datamatched with three-dimensionalbone data.

Key words

3-D digitization · Facial surface ·Optoelectronic · CAD/CAM · Softtissue

Abb. 2. Testperson während derMessung. Auf dem Gesicht sinddie projizierten Streifen erkenn-bar

zeiten zu vermeiden, werden z.T. Ge-sichtsabformungen als Vermessungs-grundlage benutzt, wobei der Vorteilder direkten Datenerfassung nicht ge-geben ist und damit Ungenauigkeitenauftreten. Die Notwendigkeit, Laser-schutzvorrichtungen anzubringen, istein weiterer Nachteil. Zur kontaktfrei-en Gesichtsoberflächenerfassung istdaher ein System mit möglichst kurzerMeßzeit wünschenswert, das bei geöff-neten Augen unschädlich ist und die

Daten komplexer Freiformflächen prä-zise akquirieren kann.

Material und Methode

Die Projektor-Kamera-Triangulation (TRICO-LITE) ist ein in der industriellen Vermessungs-technik etabliertes Hochleistungsvermessungs-verfahren zur detailgenauen Oberflächenerfas-sung. Hierbei wird strukturiertes Weißlicht aufdie zu erfassende Oberfläche projiziert und überVideokamera erfaßt. Die optischen Achsen vonProjektor und Kamera liegen in einer Ebene und

stehen in einem Winkel zueinander. Über einerechnergesteuerte hochpräzise Linienmaskewird vom Projektor ein spezieller Lichtkode er-zeugt, der eine eindeutige Zuordnung der Mu-ster im Kamerabild erlaubt. Die 3D-Konturver-messung erfolgt über eine Triangulationsrech-nung, welche auf alle Bildpunkte der Videoka-mera angewendet wird, soweit diese im Projek-tionsfeld des Projektors liegen. Durch die Tri-angulation lassen sich aus den Pixelkoordinatenund dem entschlüsselten Lichtkode über einespezielle Computersoftware die Koordinatendes korrespondierenden Oberflächenpunkts be-züglich eines karthesischen Koordinatensy-stems berechnen. Die Aufnahmedauer einer Ka-meraansicht beträgt ca. 1,7s. Es können simul-tan ca. 500 000 Meßpunkte erfaßt werden (Abb.1–3). Um die Reliabilität, Reproduzierbarkeitund Präzision des Verfahrens für den Einsatz imMund-Kiefer-Gesichts-Bereich zu testen, wur-den 15 Probanden im Alter zwischen 12 und 37Jahren sowie deren Gesichtsmodelle nach Ge-sichtsabformung vergleichend vermessen. Zu-sätzlich wurden je ein Gesicht und ein Gipsmo-dell in Serien von 5 aufeinanderfolgenden Mes-sungen abgebildet.Evaluationskriterien waren:

• Komfort während der Messung• Reproduzierbarkeit• Präzision

Ergebnisse

Keine der untersuchten Personen emp-fand die optoelektronische Untersu-chung als unangenehm oder belastend.Auch Kinder ließen sich problemlosohne Auftreten von Artefakten ver-messen.

Die nach 5 konsekutiven direktenGesichtsvermessungen desselben Ge-sichts erhaltenen Daten zeigten nahezukeine Abweichungen. Nur in derMund- und Halsregion wurden Diffe-renzen < 1mm gefunden, die wahr-scheinlich auf Artefakte durch unter-schiedlichen Tonus in der perioralenMuskulatur, den Karotispuls oderSchlucken zurückzuführen waren. Diedurch Vermessung derselben Gipsmas-ke erhaltenen Punktwolken (n = 5) wa-ren erwartungsgemäß exakt überein-stimmend (Abb.4).

Der Vergleich der direkten Ge-sichtsvermessungen mit den nach Ver-messung der zugehörigen Gipsmaskeerhaltenen Daten durch Überlagerungder entsprechenden Punktwolken er-gab durchschnittlich deutliche Abwei-chungen in flexiblen Regionen wie Na-senspitze, Mundbereich und Wange.Im Bereich des Kinns traten durch-

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Abb.3. Links verschiedene Ansichten des erfaßten Gesichts (Rohdaten), rechts aus den Ansichtenzusammengesetzte Punktwolke des Gesichts

Abb.4. Links übereinander gelagerte Punktwolken aufeinanderfolgender Gesichtsvermessungen (n= 5). Es traten Differenzen < 1mm in der Halsregion auf. Rechts übereinander gelagerte Punktwol-ken eines Gipsmodells (n = 5). Es traten keine Differenzen auf

schnittliche Abweichungen von 4,8 mmauf. Nur sehr geringe Abweichungenweit unter 1mm zeigten sich in unfle-

xiblen Bereichen wie der Glabella unddem knöchernen Nasenrücken (Abb.5).

Aufgrund der erhaltenen Daten istdavon auszugehen, daß sich die Me-thode sehr gut zur Erfassung des drei-dimensionalen Weichteilprofils eignet.Die Reproduzierbarkeit bei der direk-ten seriellen Gesichtserfassung ist sehrzufriedenstellend, die Präzision ist aus-gezeichnet. Die Verwendung von Gips-masken als Vermessungsgrundlagekann aufgrund der weichteilverfor-menden Wirkung in bestimmten Berei-chen als sehr ungenau bezeichnet wer-den.

Die klinische Anwendung kann u. a.darin liegen, ein System zur Weichteil-vorhersage bei der Planung skelettver-lagernder Eingriffe zu entwickeln.Hierzu werden prä- und postoperativbei definierten Eingriffen Gesichts-messungen sowie aus Spiral-CT-Auf-nahmen extrahierte Oberflächendatendurch spezielle „Matching-Verfahren“kombiniert. Die mit dem System ge-wonnenen Daten werden in einer Da-tenbank gespeichert. Nach der Spei-cherung ausreichender Datenmengensollten präoperativ Aussagen über dasWeichteilverhalten nach bestimmtenEingriffen möglich sein.

Darüber hinaus ist das Meßsystemzur Dokumentation und Verlaufskon-trolle bei anderen Krankheitsbildernund Fragestellungen einsetzbar:

• Verlaufskontrolle des Wachstums beiSpaltkindern

• Planung der Epithetik bei Gesichts-defekten

• Verlaufskontrolle bei Schwellungen• Verlaufskontrolle bei Traumapatien-

ten• Kontrolle bei Distraktionsosteogene-

se• Kontrolle nach Deckung von De-

fekten nach ablativer Tumorchirurgiedurch Transplantate

• Erforschung von Alterungsprozessen

In ersten klinischen Anwendungenwurden Patienten vor und nach skelett-verlagernden Eingriffen vermessen.

Klinischer Fall

Die Operation der Patientin mit Oberkie-ferrücklage und mandibularer Lateroprognathiewurde präoperativ in einem gängigen Weich-teilvorhersageprogramm, dem DentofacialPlanner, auf zweidimensionaler Basis geplant(Abb.6, 7).

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Abb. 5. Punktwolke weiß Ver-messung des Gipsmodells, Punkt-wolke blau direkt erfaßtes zu-gehöriges Gesicht. Die Zahlen ge-ben die mittleren Abweichungenbei n = 15 verglichenen Gesicht-Gipsmasken-Paaren an. Die stärk-sten Differenzen fallen in der Na-sen- und Kinnregion auf

Abb. 6. Links Patientin mitOberkieferrücklage und mandibu-larer Lateroprognathie, rechts die-selbe Patientin postoperativ nachOberkiefervor- und Unterkie-ferrückverlagerung und -schwen-kung

Abb. 7. Die Weichteilvorhersageunter Einsatz von auf 2D-Datenbasierender Computersoftware(Dentofacial Planner). Es fallengroße Diskrepanzen zum tatsäch-lichen postoperativen Bild (Abb.6 rechts) v. a. im Wangen- undNasenspitzenbereich auf

Abb. 8. Punktwolken der Patientin prä- und postoperativ ineinander „gematcht“, weiß präoperativ,rot postoperativ

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Hier zeigte sich, daß dieses Programm zwar,wie in der Literatur beschrieben [1, 2, 11, 15],die zu erwartende Weichteilposition des Unter-kiefers gut wiedergibt, daß jedoch im Bereichdes Mittelgesichts, insbesondere der Nasenspit-zen- und Wangenregion, deutliche Abweichun-gen im Vergleich zur tatsächlichen postoperati-ven Situation auftreten. Durch prä- und post-operative Erfassung der Gesichtsoberflächenderselben Patientin ließ sich die geplante Situa-tion exakt nachvollziehen. Die Sammlung der-artiger Daten bildet die Grundlage für ein späte-res Weichteilvorhersageprogramm. Die präope-rative (weiß) und postoperative (rot) Punktwol-ke wurden ineinandergelegt. Die Weichteilver-änderungen nach Le-Fort-I-Osteotomie undOberkiefervorverlagerung um 4mm (rot) undUnterkieferrückverlagerung und -schwenkungvon links 5mm und rechts 7mm sind sichtbar.Ein sagittaler und ein axialer Schnitt im Unter-kieferbereich durch die gematchten Punktwol-ken zeigen exemplarisch die Abweichungen inMillimetern, die bei dieser Datenform an jederbeliebigen Stelle darstellbar und vermeßbar sind(Abb.8, 9).

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Abb.9. Schnitte sagittal und imUnterkieferbereich axial durchdie „gematchten“ Punktwolken