预测颌面骨整形术后软组织容貌变化的计算机仿真方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及计算机辅助外科技术及颂面整形医疗设备领域，尤其涉及预测颂面外 科手术后软组织容貌变化的计算机仿真方法。
[0002]
【背景技术】
[0003] 随着循证医学和微创外科的发展，颂面外科中精确的术前计划变得越来越重要。 同时在颂面部生长发育研究、创伤修复及美容整形治疗过程中，软硬组织的三维建模、测量 分析及手术效果仿真是数字化术前设计的前提和关键，其中软组织容貌预测尤为重要。为 了获取最好的手术效果，颂面外科手术常需医生在术前能依据拟采取的术式、截骨部位、截 骨量以及骨段移动的方向，来预测患者术后的颜面形态变化结果。对整形外科而言，通过软 组织模拟能够对各种手术方案进行术前的评估，从而为优化手术方案提供重要的参考依 据，也是进行医患交流，取得患者对手术方案的支持和理解的重要手段。另据报道，几乎所 有经过术前手术模拟和容貌预测的颂面手术患者，因其术前与医生取得了良好的沟通，积 极参与手术计划的商定。因此在术后对手术效果普遍感到满意。但如何在手术之前就能准 确的预测术后的软组织容貌变化，一直是生物医学工作者和临床医生们关心和研究的热门 课题之一。
[0004] 由于人体面部皮肤软组织的复杂结构，其生物力学性能很难测量，确定形变规律 更加复杂。它不仅取决于骨块移动的方向、距离，而且与手术类型、手术方式有关，同时还有 一些其它因素:术区软组织的厚度、弹性、质地;皮肤、皮下脂肪的厚度;皮下筋膜的有无及 其连接方式;软组织的张力效应;术区周围区域软组织的厚度和类型;瘢痕以及患者年龄、 种族等有关。在软组织变形过程中，需要软组织对骨组织变形比例关系的数据库，而该变形 规律必须通过临床颂面患者的回顾性研究来获得。手术仿真融合了医学图像学、计算机图 形学和数学模型学等多学科。软组织的预测模拟所建立的软组织模型必须同时具有软组织 的解剖结构特征和生物力学行为特性，特别是对于软组织的复杂的非线性变形行为，需要 通过建立更加具有物理真实感的模型来模拟。有学者总结了目前国际上多种有效的形变模 型，将它们分为两类：网格结构模型和无网格模型，前者包括长单元模型、质点-弹簧模型、 有限元方法、边界元方法、张量-质点模型等，后者包含粒子系统、有限球方法、光滑粒子流 体动力学方法、传递链模型等。
[0005] 早期的容貌预测是通过二维的手工剪影或平面描图实现的，其大多是建立在传统 的X线头影侧位片基础上，根据颂面骨骼的移动量等比的实现软组织变化，无法反映面部 外形的三维立体变化。并且颅颂面结构复杂、其面部形态并非完全左右对称，使得在X线投 照左右侧重叠问题上影响了传统二维手术模拟及疗效预测的准确性。近十几年来，欧美发 达国家科研机构投入了巨额资金用于颅颂面三维重建与模拟仿真系统的开发。目前，国际 上有一定知名度的几款模拟系统包括Quick Ceph (Quick Ceph Systems, SanDiego, Calif. QC)系统、DentoFacial Planner (Dentofacial Software , Toronto, Ontario, Canada·DFP)、Orthognathic Prediction Analysis (OPAL)和Orthognathic Treatment Planner (GAC International，Birmingham，Ala)系统等。现有模拟软件系统的主要缺陷 是：1).使用的模拟算法是基于大量几何模型分析后的统计学结果，并未建立高精度的物 理参数模型，这种算法得出的软组织变形效果只是生理特性的近似值；2).算法的统计学 数据多是来源于西方人种的实验数据，并不适用于我们东方人群;3).在配准过程中的系 统误差无疑会影响预测的精确性。利用计算机三维测量和自动化模型制造技术进行模拟预 测，即使在技术成熟的发达国家，因其高昂的价格也不易得到临床上的普及。加上其配套设 备昂贵、难以携带以及购买的模块仅可作为三维显示而无法编辑或进一步开发等特点，更 无法在国内临床上得到推广。因此，寻求一种具有高度仿真性且便于临床应用的模拟仿真 的方法有待于进一步探讨。
[0006] 迄今为止，国内外仍缺乏一种理想的、全面的三维建模方法及软组织形变模拟仿 真平台。
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【发明内容】
[0008] 为了解决以上技术问题，本发明研发了一种适合东方人群的、针对口腔颂面和美 容整形外科的术前计划中软组织容貌预测与软组织手术的仿真平台和方法流程。
[0009] 解决以上技术问题的本发明中的预测颂面骨整形术后软组织容貌变化的计算机 仿真方法，包括主、从计算机系统、计算机仿真软件包和计算机操作系统，主、从计算机系统 包括位于前台的PC电脑和后台的工作站，以及与仿真配套的仿真设备，其特征在于，包括以 下步骤： (1)获取数据:术前对患者颂面部用螺旋CT机进行螺旋CT扫描，获取DIC0M数据;对患者 面部用FaceSCAN3D面部三维摄像仪进行三维立体摄像，获取0b j .格式数据； 计算机虚拟仿真的前提是建立与实际物体高度相似的三维模型，由CT数据可以精确的 建立颂面骨骼硬组织的三维模型，可将CT数据保存为DIC0M格式烤盘备用;采用FaceSCAN3D 等人体面部三维立体摄像仪可以获得具有纹理特征(可以表征皮肤色泽，质地等信息）的高 逼真度的三维面部模型，即三维立体照片，使最终的软组织形变效果在立体照片上显示出。 [0010] (2)将DIC0M数据和Obj.格式数据导入颂面手术设计仿真软件-CMF-preCADS，重建 三维颂骨、皮肤曲面模型，并与三维立体照片配准融合，建立颂面软硬组织形变物理模型， 即三维有限元和质点-弹簧模型联合体，模拟面部皮肤的线性弹性形变规律； 在分割模块（segmentation)中利用CT数据，使用阈值选取(Thresholding)、区域增长 (Region Growing)等工具操作分离颂骨、皮肤蒙罩(Mask)，再使用Calculate 3D完整重建 颂骨和面部皮肤三维几何表面模型，其重建的关键因素是选择正确的阈值范围，颂骨通常 为220~2900,皮肤为-700~-200 Houns Field单位，其中皮肤蒙罩需要使用"充填孔洞" filling hole和一次迭代"平滑"smoothing工具，使得重建的皮肤曲面完整平滑，无台阶和 伪影，便于与三维立体照片做精确配准融合。
[0011] CT重建面部模型与三维立体照片的配准技术，使用的是7点手动注册+ ICP (iterative closest point，迭代最近点）自动算法，配准融合后的两个模型误差精度可以 达到0.80mm以内，远在临床上肉眼可以分辨的误差范围内。模型配准后，即进入建立高逼真 度的颂面软硬组织形变物理模型的软件模块中。
[0012] (3)在步骤(2)中的建立的三维颂骨模型上分割移位的骨折断端、或按正颂外科标 准术式分离骨段，复位或移位骨断到一个初步位置； 此初步位置由术者根据自己以往的临床经验判断，利用软件Simulation模块中提供的 旋转(rotation)和平移(translation)工具，选定需要移动的骨断，使用鼠标手动操作或设 定移位参数(以局部坐标系的XYZ轴来确定方位），完成颂面骨骼虚拟手术。
[0013] (4)按照编程的算法，再用软件计算出颂骨硬组织移动后相应的软组织曲面变化； CMF-preCADS软件具有模拟软组织形变的功能模块:按照编程算法和预设的参数，计算 出颂骨硬组织移动后相应的软组织曲面变化，并将变化的结果显示在高逼真度的三维立体 照片上。本软件中建立的模型可以转化为基于三维有限元和质点-弹簧模型联合算法的高 精度物理模型。
[0014] (5 )医患双方共同测量和确定变形后的软组织容貌； 依据美学黄金分割原理，面部三庭五眼脸长与脸宽的美学比例以及现代审美标准，医 患双方共同客观测量和主观判定协商，对变形后的软组织容貌是否满意，是否达到对称、协 调、美观。
[0015] 利于医患交流、理解，患者术前积极参与手术计划的制定，并提出自己的合理建 议，医患双方共同修改骨骼移动的距离和位置，并预测容貌外形，直到达到双方都满意的术 后效果，即制定了最终的手术方案(包括截骨线的位置角度，骨断需要移动旋转的距离角度 参数，预成型钛板的内固定配置等）。
[0016] (6)将骨断移位后的重建三维模型保存为STL格式文件，再导入手术导航系统 BrainLAB所附带软件I-plan中做术前导航计划，在术中指导虚拟计划的精确实施;最终达 到加强医患沟通和理解，提高患者满意度的目的。
[0017] 设计好的模型带有需要移位骨断的信息，将其与实时导航设备结合能将术前的虚 拟计划在手术中准确实施，即得到我们最终希望的软组织面容;另外，虚拟计划也可以通过 外科导板技术来实施，即在(4)计划阶段，利用CAD软件设计复位导板，在3D打印出导板实体 在术中指导截骨位置和移位骨断。
[0018] (7)术后3-6月对患者面部再次进行三维立体摄像，获取患者术后真实的面容数 据，利用Geomagic软件对比验证，术前预测模型与术后真实面容的相似度，相似度在95