一种计算头部皮肤厚度与表面曲率的方法与流程

本发明涉及生物防护领域，更详细地说，是一种计算头部皮肤厚度与曲率的方法。

背景技术：

头部受伤是导致幼龄儿童死亡或残疾的重要原因。造成幼龄儿童头部受伤的几个主要原因是机动车车祸，不慎跌倒，虐待等。其中头部的皮肤作为与碰撞物直接接触的部分有着较好的缓冲作用，可以一定程度保护头部减小碰撞损伤，所以人的头部皮肤对于碰撞损伤的影响是一项很重要的课题。头部皮肤厚度与曲率直接关系到头部碰撞时的响应程度。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是计算头部皮肤厚度与曲率，得到头部的形态特征，从而可以对头部进行合理简化，有助于对头部碰撞损伤的研究。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种计算头部皮肤厚度与表面曲率的方法，包括以下步骤：

步骤1，对头部进行CT扫描，获得头部CT扫描数据。

步骤2，由头部CT扫描数据得到头部模型，并对头部模型进行形态矫正处理，消除扫描CT时产生的倾斜变形。

步骤3，根据头部皮肤吸收X射线的阈值，由头部模型中提取出头部皮肤并重建头部皮肤的三维模型。

步骤4，对头部皮肤的三维模型进行处理，保证后续轮廓线截取工作顺利进行。

步骤5，对处理后的头部皮肤的三维模型分层截取轮廓曲线，获得特征曲线，并将特征曲线离散为坐标点导出。

步骤6，对离散后的坐标点进行三次样条插值拟合与再离散得到更多的特征点，形成皮肤内侧表面与皮肤外侧表面的特征点集，以保证计算精度。

步骤7，计算头部皮肤厚度：由皮肤内侧表面与皮肤外侧表面的特征点集，选取皮肤外侧的计算点A(xA，yA，zA)与皮肤内侧的点其中皮肤内侧的点Bi为皮肤内侧表面特征点集中的点，共有n个，通过公式：

得到计算点A与n个皮肤内侧的点距离的最小值，即为皮肤外侧点A处的厚度。

步骤8，计算曲率：由步骤6中得到的皮肤内侧表面与皮肤外侧表面的特征点集，选取曲率计算点a，并在曲率计算点a四周选择最近的m个点依次命名为V1，V2，…，Vm，使这m个点依次相连形成以曲率计算点a为中心的m边形，通过以下公式计算可得m边形的空间平均曲率：

其中AM为m个周围点与曲率计算点a连线的垂直平分线在各自构成的三角形内的交点所构成的区域面积，a为所求曲率计算点a到坐标原点的向量，vj为m个点中的点Vj到坐标原点的向量，n是相应三角形的法向量；为边a，Vj-1与边Vj-1，Vj的夹角，为边a，Vj+1与边Vj+1，Vj的夹角；其中当j＝1时，Vj-1＝Vm；当j＝m时，Vj-1＝V1，Vj+1＝Vm-1；考虑点的分布情况以及计算量，周围点的点数m最佳取值范围为4到8即可。

在上述方案的基础上，步骤2所述的头部模型形态矫正处理以及步骤3所述的头部皮肤三维模型提取与重建采用Mimics软件完成。

在上述方案的基础上，步骤4所述对头部皮肤的三维模型进行处理包括对头部皮肤的三维模型进行杂质清理、表面修复以及平滑处理。

在上述方案的基础上，步骤4所述杂质清理运用自动探测与手动圈选两种方法快速清理；

在上述方案的基础上，步骤4中由于碰撞时头部的额骨，顶骨以及部分枕骨处可能受伤严重，所以截取眼眶以上的部分进行处理。其中耳部不参与头部的正面碰撞，所以可以删掉耳部。

在上述方案的基础上，步骤4所述的头部皮肤的三维模型处理以及步骤5中截取轮廓曲线离散为坐标点集，采用Geomagic Studio软件完成。

在上述方案的基础上，步骤5中所述的对处理后的头部皮肤的三维模型分层截取轮廓曲线，层间距为1mm。

在上述方案的基础上，步骤6所述的对头部皮肤截面轮廓线离散后的坐标点进行三次样条插值拟合与再离散得到更多的特征点采用Matlab软件编写相关计算程序完成。

在上述方案的基础上，步骤6所述再离散得到的特征点取60到90个，可以达到精度要求。

在上述方案的基础上，步骤7所述的计算头部皮肤厚度、步骤8所述的计算曲率采用Matlab软件编写相关计算程序完成。

本发明的有益效果为：可以通过得到头部皮肤碰撞点处的厚度与曲率，进一步得到头部的形态特征，以便于考量皮肤在碰撞中所起到的保护缓冲作用。

附图说明

本发明有如下附图：

图1为本发明流程图。

图2为小猪头部CT扫描图。

图3为小猪头部皮肤表面处理图。

图4为小猪头部皮肤内外表面截线图。

图5为小猪头部皮肤厚度求取示意图。

图6为曲率计算示意图。

具体实施方式

以下结合附图1～6对本发明作进一步详细说明。

下面以求取小猪头部皮肤厚度与曲率对本发明所述方法的具体实施方式作进一步说明。

一种计算小猪头部皮肤厚度与表面曲率的方法，包括以下步骤：

步骤1，对小猪头部进行CT扫描，获得头部CT扫描数据。

步骤2，由小猪头部CT扫描数据得到头部模型，并对小猪头部模型进行形态矫正处理，消除扫描CT时产生的倾斜变形。

步骤3，根据小猪头部皮肤吸收X射线的阈值，由小猪头部模型中提取出小猪头部皮肤并重建小猪头部皮肤的三维模型。

步骤4，对小猪头部皮肤的三维模型进行处理，保证后续轮廓线截取工作顺利进行。

步骤5，对处理后的小猪头部皮肤的三维模型分层截取轮廓曲线，获得特征曲线，并将特征曲线离散为坐标点导出。

步骤6，对离散后的坐标点进行三次样条插值拟合与再离散得到更多的特征点，形成皮肤内侧表面与皮肤外侧表面的特征点集，以保证计算精度。

步骤7，计算头部皮肤厚度：由皮肤内侧表面与皮肤外侧表面的特征点集，选取皮肤外侧的计算点A(xA，yA，zA)与皮肤内侧的点其中皮肤内侧的点Bi为皮肤内侧表面特征点集中的点，共有n个，通过公式：

得到计算点A与n个皮肤内侧的点距离的最小值，即为皮肤外侧点A处的厚度。

步骤8，计算曲率：由步骤6中得到的皮肤内侧表面与皮肤外侧表面的特征点集，选取曲率计算点a，并在曲率计算点a四周选择最近的m个点依次命名为V1，V2，…，Vm，使这m个点依次相连形成以曲率计算点a为中心的m边形，通过以下公式计算可得m边形的空间平均曲率：

其中AM为m个周围点与曲率计算点a连线的垂直平分线在各自构成的三角形内的交点所构成的区域面积，a为所求曲率计算点a到坐标原点的向量，vj为m个点中的点Vj到坐标原点的向量，n是相应三角形的法向量；为边a，Vj-1与边Vj-1，Vj的夹角，为边a，Vj+1与边Vj+1，Vj的夹角；其中当j＝1时，Vj-1＝Vm；当j＝m时，Vj-1＝V1，Vj+1＝Vm-1；考虑点的分布情况以及计算量，周围点的点数m最佳取值范围为4到8即可。

在上述方案的基础上，步骤2所述的小猪头部模型形态矫正处理以及步骤3所述的头部皮肤三维模型提取与重建采用Mimics软件完成。

在上述方案的基础上，步骤4所述对小猪头部皮肤的三维模型进行处理包括对头部皮肤的三维模型进行杂质清理、表面修复以及平滑处理。

在上述方案的基础上，步骤4所述杂质清理运用自动探测与手动圈选两种方法快速清理；

在上述方案的基础上，步骤4中由于碰撞时小猪头部的额骨，顶骨以及部分枕骨处可能受伤严重，所以截取眼眶以上的部分进行处理。其中耳部不参与头部的正面碰撞，所以可以删掉耳部。

在上述方案的基础上，步骤4所述的头部皮肤的三维模型处理以及步骤5中截取轮廓曲线离散为坐标点集，采用Geomagic Studio软件完成。

在上述方案的基础上，步骤5中所述的对处理后的头部皮肤的三维模型分层截取轮廓曲线，层间距为1mm。

在上述方案的基础上，步骤6所述的对头部皮肤截面轮廓线离散后的坐标点进行三次样条插值拟合与再离散得到更多的特征点采用Matlab软件编写相关计算程序完成。

在上述方案的基础上，步骤6所述再离散得到的特征点取60到90个，可以达到精度要求。

在上述方案的基础上，步骤7所述的计算头部皮肤厚度、步骤8所述的计算曲率采用Matlab软件编写相关计算程序完成。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的范围内，能够轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明权利要求的保护范围内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。