Anatomical Validity and Reliability of a Structured-light 3D Scanner and Ultrasonographic Imaging Systems for Analyses of the Soft Tissues of the Infraorbital Region

Abstract

얼굴 노화는 모든 사람에게 자연스럽고 피할 수 없는 과정이다. 오늘날의 사회에서는 인간의 평균수명 연장과 삶의 질 향상으로 실제 나이보다 젊어 보이고, 노화방지에 대한 관심이 증가하고 있으며, 이를 위한 다양한 미용성형시술이 시행되고 있다. 대표적인 시술방법으로는 보툴리눔독소와 필러 주사법이 있지만, 잘못된 주사는 얼굴비대칭, 혈종으로 인한 멍과 부종, 심할 경우 실명에 이르기까지 심각한 부작용을 초래할 수 있다. 시술 전, 환자의 물렁조직(피부, 피부밑조직) 두께, 근육 및 주요 혈관의 위치를 정확히 파악하는 것은 성공적인 시술을 위한 필수요건이지만, 현재까지 이와 관련된 해부학적 정보는 대부분 맨눈해부 및 3D 스캔 방법을 통해 시신으로부터 얻은 자료라는 한계가 있다. 최근에는 초음파 기술의 발전으로, 초음파기기를 얼굴 진단에 적용하고자 하는 다양한 연구가 시도되고 있다. 따라서 본 연구에서는 대상자로부터 얻은 초음파영상 데이터와 시신으로부터 얻은 3D 스캔 데이터의 신뢰도 및 타당성을 비교분석 하고자 한다. 얼굴부위 중 노화의 현상이 주로 시작되는 눈확아래부위를 대상으로, 물렁조직 두께, 근육 및 주요 혈관의 위치를 분석하였다. 초음파연구에서는 88명의 한국인 대상자(남성 49명, 여성 39명, 평균나이 27.5세)를 모집하였다. 광대뼈의 눈확아래모서리, 동공중간선, 안쪽 및 가쪽눈구석을 기준으로 설정된 8개의 얼굴표지점(P1 – P8)을 대상자의 얼굴의 표시하였으며, 각각의 표지점에서 초음파 영상을 촬영하였다. 3D 스캔 연구에서는 38구의 한국인 시신(남성 22, 여성 16, 평균나이 72.5세)을 사용하였다. 스캔 영상의 중합(superimpose)을 위해 왼쪽얼굴에서만 해부를 하였으며, 3D 스캔은 다음과 같이 3단계로 진행하였다: 1) 해부 전 온전한 얼굴 스캔 2) 피부만 제거한 후 피부밑조직층 스캔 3) 피부밑조직만 제거한 후 얼굴표정근육 스캔. 시신 얼굴에도 동일하게 8개의 얼굴표지점을 설정하고, student’s t-test를 이용해 성별에 따른 상관성을 분석하였으며, 결과는 시각적으로 이해하기 쉽도록 box plot을 이용해 표현하였다. 초음파 분석에서 피부는 P1과 P6, 피부밑조직은 P3와 P8, 근육의 경우 눈둘레근은 P7과 P8, 위입술콧방울올림근은 P1, 작은광대근은 P4 표지점에서 남녀간의 유의한 차이가 발견되었다(P<0.05). 3D 스캔 분석에서 피부밑조직은 P8과 P10, 눈둘레근은 P4와 P8, 위입술올림근은 P10, 작은광대근은 P8 표지점에서 남녀간 유의한 차이를 보였다(P<0.05). 초음파와 3D 스캔 비교분석에서는 피부 (P1과 P5 제외)와 피부밑조직의 모든 표지점에서 두 방법간 유의한 차이가 관찰되었으며(P<0.05), 대부분의 근육 표지점에서는 유의한 차이가 없었다(P>0.05). 피부와 피부밑조직의 두께는 초음파 측정값보다, 3D 스캔 측정값에서 더 큰 경향성을 관찰하였다. 이는 시신 해부의 특성상 높은 평균연령, 시신 고정과정에서 발생하는 수분 함량, 해부과정에서 불가피하게 발생하는 조직의 당겨짐 등 다양한 요소들의 작용 때문이라 여겨진다. 하지만 두 측정 방법에서 피부와 피부밑조직 두께는 모두 위에서 아래로, 안쪽에서 가쪽으로 갈수록 두꺼워지는 경향을 관찰하였으며, 이는 두 방법간 측정치에 대한 절대값의 차이는 있지만 전체적으로 높은 상관관계를 가지는 것으로 해석된다. 하지만 본 연구의 결과를 임상에 적용하기 위해서는, 앞서 시신 연구의 한계가 반영된 3D 스캔 데이터보다, 실제 대상자로부터 얻은 초음파 데이터를 적용해야 한다.

The acquisition of data of the patient´s face is a crucial step to diagnose, evaluate, and planning procedures. To achieve the best outcomes, accurate and precise information about the skin, subcutaneous tissue, and muscles must be obtained in a fast and reliable manner, avoiding possible non-desired outcomes. Imaging techniques as ultrasonographic analyses can be used to assess the characteristics and actual relations of the soft tissues on the patient’s face in a fast manner. However, to date, the most reliable data has been obtained from cadaveric dissections and studied with, for example, 3D reconstruction scanning. Therefore, the present research aims to compare the validity and reliability of the 3D scanning and ultrasonographic imaging systems for the assessment of the soft tissues in the infraorbital region. Eight facial landmarks (P1 – P8) were marked on the faces of the volunteers. Ultrasonographic facial scans of 88 Korean volunteers (49 males and 39 females; age range 19–36 years) were analyzed. The thickness of the skin and subcutaneous tissue, and the depths of the muscular components were measured using an image analysis program. 3D scanning images of 38 Korean cadavers (22 males and 16 females; age range 51 - 94 years old at the moment of dead) were analyzed. The images were scanned in 3 steps: undissected face, hemiface after skinning, and revealing the facial muscles. After the images were obtained, and the landmarks were carefully place and aligned, the images of both halves of the face were superimposed using the Morpheus Plastic Solution 3.0 software. Descriptive analyses were performed using mean ± standard-deviation values. The student’s t-test was used to identify significant differences. Box plots were used to represent the deviation and variability of the data. Significant differences between sexes by ultrasonographic imaging were found for the skin and subcutaneous tissue thicknesses, and for the depths of orbicularis oculi, levator labii superioris alaeque nasi, and zygomaticus minor muscle. For the 3D scanning system differences were found for the subcutaneous tissue thickness, and on the depth of orbicularis oculi and zygomaticus minor. When comparing the two methods significant statistically differences were found for the skin and subcutaneous tissue thicknesses, also for the depths of the orbicularis oculi, levator labii superioris alaeque nasii and levator labii superioris. A clear tendency of the measurements to represent a thicker skin and subcutaneous tissue or deeper located structure was detected in the 3D scanning when comparing with the ultrasonographic imaging. Also, a higher standard deviation and dispersion of the data was found on the 3D scanning, in the ultrasonographic imaging the data presented less variation, therefore, a higher level of agreement and reliability. Hence, the ultrasonographic imaging could be considered as one of the most safety ways to obtain information from the patients due to its high reliability and accurate visualization of the structures of the infraorbital region. The ultrasonography is not widely used on the cosmetic field yet, but it is highly recommended for minimally invasive procedures, in order to avoid undesired outcomes due to its reproducibility, accurate results and in real-time results.