基于微笑表情幾何特征修飾的顏面贗復體優化模型的構建方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種顏面贗復體優化模型的構建方法，屬于機械工程和醫學工程技術 領域。
【背景技術】
[0002] 傳統逆向工程建模技術主要任務是完整幾何特征的再現和再設計，而非完備幾何 特征的測量數據建模技術側重于通過分析已知數據的信息特點，來推知缺損區域數據的信 息，最大限度地恢復缺損區原貌，在醫學工程、產品設計與制造、虛擬現實、人體測量、文物 保存等領域有很大的應用發展潛力，已成為近年來的一個研宄熱點。特別是在顏面整形和 缺損修復醫學領域，據統計，我國每年因腫瘤、外傷、先天畸形等原因造成頒面部缺損發病 率為0.24%;而戰爭中，頒面部戰創傷高達全部戰傷的23%。利用非完備幾何特征的測 量數據建模技術，可以準確地構建贗復體的三維設計模型。二十世紀九十年代以來，隨著多 種仿真贗復材料的研制成功，磁附著固位技術，種植體技術和力學分析系統的建立以及計 算機顏面贗復體輔助設計與制作系統的問世，顏面缺損的贗復已不再是簡單的缺損修復， 形態、色彩、質感、功能仿真修復以及功能重建已成為顏面贗復的主要發展趨勢，頒面贗復 技術已被發達國家列為口腔修復學標志性技術。微笑作為人類所特有的一種復雜的面部表 情，是容貌美的一個重要組成部分。自然、和諧的微笑被認為是容貌美的集中動態體現，帶 有微笑表情的顏面形態贗復己成為顏面缺損治療的主要目標之一。
[0003] 顏面贗復體可分成對稱特征和非對稱特征兩種。對稱特征顏面贗復體：顏面的 中心對稱面可以用來將健康顏面的數據鏡像到缺損區。2009年加拿大布雷西亞大學的 Sansoni等在"3Dimagingacquisition,modeling,andprototypingforfacialdefects reconstruction"（ProceedingsofSPIEThreeDimensionalImagingMetrology 2009，SanJoseCA，2009:l-8) -文中采用鼻尖、額頭中及鼻梁標記點組成中心對稱面 進行人眼贗復，但標記點的可靠性將影響最終計算的結果。2010年意大利博洛尼亞大 學的Ciocca等在''Immediatefacialrehabilitationincancerpatientsusing CADCAMandrapidprototypingtechnology:apilotstudy"（SupportiveCarein Cancer, 2010, 18(6) :723-728) -文中使用通用逆向工程軟件Rapidform(Korea,INUSCo.) 來進行鏡像操作，但這些商用軟件界面設計復雜，為顏面缺損修復的醫生所不容易掌握。 對于非對稱特征顏面贗復體的修復，全鼻缺損是較常見的臨床病例。2009年意大利博洛尼 亞大學的Ciocca等在"CAD/CAMbilateralearprosthesesconstructionforTreacher Collinssyndromepatientsusinglaserscanningandrapidprototyping"(Computer MethodsinBiomechanicsandBiomedicalEngineering，2009， （1):1-8.)-文中使 用鼻手術前預先掃描的鼻數據來進行鼻贗復體的重建，但患者一般不保存手術前的三維 數據。2013 年博洛尼亞大學的M.Fantini等在"DesignandRapidManufacturingof anatomicalprosthesisforfacialrehabilitation"（InternationalJournalon InteractiveDesignandManufacturing(IJIDeM), 2013, 7 (1) : 51-62.) 一文中使用鼻數 據庫可以根據患者顏面形貌選擇合適的參考鼻。國內學者也進行了相關的研宄。2010年 第四軍醫大學董巖博士在"漢族人外鼻三維形態數據庫的建立與應用"（博士學位論文，第 四軍醫大學，2010.) -文中篩選現有CT數據分別建立了漢族人外鼻三維形態數據庫以滿 足計算機輔助設計鼻贗復體的需要。2010年中國協和醫科大學張晉光博士等在"三維形態 分析技術在半側顏面短小患者頭面部軟組織三維測量及外耳再造的研宄"（博士學位論文， 中國協和醫科大學，2010.) -文中運用三維形態分析技術進行了半側顏面短小患者頭面部 軟組織三維測量及外耳再造的研宄。2012年上海交通大學邱憬博士等在"頒面缺損結構 光三維測量與螺旋CT掃描圖像的配準"（JournalofClinicalRehabilitativeTissue EngineeringResearch, 2010, 14(39).) -文中將螺旋CT掃描重建與三維打印快速成型技 術相結合應用于顏面缺損贗復。揚州大學孫進博士團隊對顏面部缺損的數據采集和處理技 術進行了深入的研宄，取得了一系列成果。其中2011年孫進博士的"基于三維視覺測量的 對稱特征顏面贗復體制備方法"（專利授權號：CN101292914B)和"基于三維視覺測量的非 對稱特征顏面贗復體制備方法"（專利授權號：CN101292915B)分別獲得國家發明專利。以 上的研宄考慮人體顏面的柔性以及表情變化還很少報道。2006年潘景光博士在"頒面缺損 結構光三維測量與螺旋CT掃描圖像的配準"（博士學位論文，第四軍醫大學，2006.) -文中 對單側眶缺損患者進行結構光掃描，在Geomagic軟件中對單側眶缺損患者的數字化模型 進行鏡像、變形構建眼眶部贗復體。其中潘景光博士采用相位測量輪廓術對正常人面部微 笑表情狀態進行動態過程的三維測量，為重建微笑表情的面部三維數字化模型進行了初步 的研宄。由此可見，目前國內外的研宄更多地專注于贗復體基本形狀的修復，而距離融合表 情修飾的顏面形態贗復也還有相當長的距離。
[0004] 由于人體顏面組織通常表現為準不可壓縮性、非線性-塑性-粘彈性等生物力學 特性，特別是受表情的影響，在運動過程中會產生變形。人是一個活動的組織，在采集三維 掃描和捕捉過程中不可能始終保持表情不變，而根據單一瞬間的顏面數據處理得到的贗復 體模型往往不夠生動，顯得呆板。
【發明內容】
[0005] 為了克服現有技術的不足和缺陷，本發明采用先進的數字技術，提供一種基于微 笑表情幾何特征修飾的顏面贗復體優化模型的構建方法，該方法能夠提高贗復體的仿真效 果。
[0006] 本發明的人目的是通過以下技術方案實現的，基于微笑表情幾何特征修飾的顏面 贗復體優化模型的構建方法，包括以下步驟：
[0007] 1)基于數據融合的顏面贗復體基礎模型的構建；
[0008] 2)基于微笑表情幾何特征修飾的缺損區3D數據的重建；
[0009] 3)基于非剛性對齊的顏面贗復體優化模型的構建。
[0010] 優選的，所述步驟（1)中的基于面數據與體數據融合是指顏面表層數據與凹坑 (或有遮擋）的區域體數據的基于薄板樣條的非剛性對齊，其中前者由面結構光掃描儀所 米集，后者為CT掃描儀所米集；
[0011] 其中所述面結構光掃描儀采集的顏面表層數據的方法是指對于不同視角采集的 深度圖像，通過基于柵格結構探測環進而實現基于環的多視圖深度圖像對齊、基于空間等 間隔劃分的方法來消除重疊區域、采用體素融合的方法消除孔洞構建顏面表層數據；
[0012] 所述CT掃描儀采集的凹坑或有遮擋的區域數據的方法是指利用基于截面閾值的 區域增長法實現CT體數據重構。
[0013] 優選的，所述步驟（2)中的缺損區3D數據的重建方法為：
[0014] (1)所述面結構光掃描儀采集的顏面表層數據進行投影獲取到2D圖像集合；
[0015] (2)構建帶有微笑表情幾何特征修飾的缺損區3D數據：選擇帶有微笑表情的