預測頜面骨整形術后軟組織容貌變化的計算機仿真方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及計算機輔助外科技術及頌面整形醫療設備領域，尤其涉及預測頌面外 科手術后軟組織容貌變化的計算機仿真方法。
[0002]
【背景技術】
[0003] 隨著循證醫學和微創外科的發展，頌面外科中精確的術前計劃變得越來越重要。 同時在頌面部生長發育研究、創傷修復及美容整形治療過程中，軟硬組織的三維建模、測量 分析及手術效果仿真是數字化術前設計的前提和關鍵，其中軟組織容貌預測尤為重要。為 了獲取最好的手術效果，頌面外科手術常需醫生在術前能依據擬采取的術式、截骨部位、截 骨量以及骨段移動的方向，來預測患者術后的顏面形態變化結果。對整形外科而言，通過軟 組織模擬能夠對各種手術方案進行術前的評估，從而為優化手術方案提供重要的參考依 據，也是進行醫患交流，取得患者對手術方案的支持和理解的重要手段。另據報道，幾乎所 有經過術前手術模擬和容貌預測的頌面手術患者，因其術前與醫生取得了良好的溝通，積 極參與手術計劃的商定。因此在術后對手術效果普遍感到滿意。但如何在手術之前就能準 確的預測術后的軟組織容貌變化，一直是生物醫學工作者和臨床醫生們關心和研究的熱門 課題之一。
[0004] 由于人體面部皮膚軟組織的復雜結構，其生物力學性能很難測量，確定形變規律 更加復雜。它不僅取決于骨塊移動的方向、距離，而且與手術類型、手術方式有關，同時還有 一些其它因素:術區軟組織的厚度、彈性、質地;皮膚、皮下脂肪的厚度;皮下筋膜的有無及 其連接方式;軟組織的張力效應;術區周圍區域軟組織的厚度和類型;瘢痕以及患者年齡、 種族等有關。在軟組織變形過程中，需要軟組織對骨組織變形比例關系的數據庫，而該變形 規律必須通過臨床頌面患者的回顧性研究來獲得。手術仿真融合了醫學圖像學、計算機圖 形學和數學模型學等多學科。軟組織的預測模擬所建立的軟組織模型必須同時具有軟組織 的解剖結構特征和生物力學行為特性，特別是對于軟組織的復雜的非線性變形行為，需要 通過建立更加具有物理真實感的模型來模擬。有學者總結了目前國際上多種有效的形變模 型，將它們分為兩類：網格結構模型和無網格模型，前者包括長單元模型、質點-彈簧模型、 有限元方法、邊界元方法、張量-質點模型等，后者包含粒子系統、有限球方法、光滑粒子流 體動力學方法、傳遞鏈模型等。
[0005] 早期的容貌預測是通過二維的手工剪影或平面描圖實現的，其大多是建立在傳統 的X線頭影側位片基礎上，根據頌面骨骼的移動量等比的實現軟組織變化，無法反映面部 外形的三維立體變化。并且顱頌面結構復雜、其面部形態并非完全左右對稱，使得在X線投 照左右側重疊問題上影響了傳統二維手術模擬及療效預測的準確性。近十幾年來，歐美發 達國家科研機構投入了巨額資金用于顱頌面三維重建與模擬仿真系統的開發。目前，國際 上有一定知名度的幾款模擬系統包括Quick Ceph (Quick Ceph Systems, SanDiego, Calif. QC)系統、DentoFacial Planner (Dentofacial Software , Toronto, Ontario, Canada·DFP)、Orthognathic Prediction Analysis (OPAL)和Orthognathic Treatment Planner (GAC International，Birmingham，Ala)系統等。現有模擬軟件系統的主要缺陷 是：1).使用的模擬算法是基于大量幾何模型分析后的統計學結果，并未建立高精度的物 理參數模型，這種算法得出的軟組織變形效果只是生理特性的近似值；2).算法的統計學 數據多是來源于西方人種的實驗數據，并不適用于我們東方人群;3).在配準過程中的系 統誤差無疑會影響預測的精確性。利用計算機三維測量和自動化模型制造技術進行模擬預 測，即使在技術成熟的發達國家，因其高昂的價格也不易得到臨床上的普及。加上其配套設 備昂貴、難以攜帶以及購買的模塊僅可作為三維顯示而無法編輯或進一步開發等特點，更 無法在國內臨床上得到推廣。因此，尋求一種具有高度仿真性且便于臨床應用的模擬仿真 的方法有待于進一步探討。
[0006] 迄今為止，國內外仍缺乏一種理想的、全面的三維建模方法及軟組織形變模擬仿 真平臺。
[0007]
【發明內容】
[0008] 為了解決以上技術問題，本發明研發了一種適合東方人群的、針對口腔頌面和美 容整形外科的術前計劃中軟組織容貌預測與軟組織手術的仿真平臺和方法流程。
[0009] 解決以上技術問題的本發明中的預測頌面骨整形術后軟組織容貌變化的計算機 仿真方法，包括主、從計算機系統、計算機仿真軟件包和計算機操作系統，主、從計算機系統 包括位于前臺的PC電腦和后臺的工作站，以及與仿真配套的仿真設備，其特征在于，包括以 下步驟： (1)獲取數據:術前對患者頌面部用螺旋CT機進行螺旋CT掃描，獲取DIC0M數據;對患者 面部用FaceSCAN3D面部三維攝像儀進行三維立體攝像，獲取0b j .格式數據； 計算機虛擬仿真的前提是建立與實際物體高度相似的三維模型，由CT數據可以精確的 建立頌面骨骼硬組織的三維模型，可將CT數據保存為DIC0M格式烤盤備用;采用FaceSCAN3D 等人體面部三維立體攝像儀可以獲得具有紋理特征(可以表征皮膚色澤，質地等信息）的高 逼真度的三維面部模型，即三維立體照片，使最終的軟組織形變效果在立體照片上顯示出。 [0010] (2)將DIC0M數據和Obj.格式數據導入頌面手術設計仿真軟件-CMF-preCADS，重建 三維頌骨、皮膚曲面模型，并與三維立體照片配準融合，建立頌面軟硬組織形變物理模型， 即三維有限元和質點-彈簧模型聯合體，模擬面部皮膚的線性彈性形變規律； 在分割模塊（segmentation)中利用CT數據，使用閾值選取(Thresholding)、區域增長 (Region Growing)等工具操作分離頌骨、皮膚蒙罩(Mask)，再使用Calculate 3D完整重建 頌骨和面部皮膚三維幾何表面模型，其重建的關鍵因素是選擇正確的閾值范圍，頌骨通常 為220~2900,皮膚為-700~-200 Houns Field單位，其中皮膚蒙罩需要使用"充填孔洞" filling hole和一次迭代"平滑"smoothing工具，使得重建的皮膚曲面完整平滑，無臺階和 偽影，便于與三維立體照片做精確配準融合。
[0011] CT重建面部模型與三維立體照片的配準技術，使用的是7點手動注冊+ ICP (iterative closest point，迭代最近點）自動算法，配準融合后的兩個模型誤差精度可以 達到0.80mm以內，遠在臨床上肉眼可以分辨的誤差范圍內。模型配準后，即進入建立高逼真 度的頌面軟硬組織形變物理模型的軟件模塊中。
[0012] (3)在步驟(2)中的建立的三維頌骨模型上分割移位的骨折斷端、或按正頌外科標 準術式分離骨段，復位或移位骨斷到一個初步位置； 此初步位置由術者根據自己以往的臨床經驗判斷，利用軟件Simulation模塊中提供的 旋轉(rotation)和平移(translation)工具，選定需要移動的骨斷，使用鼠標手動操作或設 定移位參數(以局部坐標系的XYZ軸來確定方位），完成頌面骨骼虛擬手術。
[0013] (4)按照編程的算法，再用軟件計算出頌骨硬組織移動后相應的軟組織曲面變化； CMF-preCADS軟件具有模擬軟組織形變的功能模塊:按照編程算法和預設的參數，計算 出頌骨硬組織移動后相應的軟組織曲面變化，并將變化的結果顯示在高逼真度的三維立體 照片上。本軟件中建立的模型可以轉化為基于三維有限元和質點-彈簧模型聯合算法的高 精度物理模型。
[0014] (5 )醫患雙方共同測量和確定變形后的軟組織容貌； 依據美學黃金分割原理，面部三庭五眼臉長與臉寬的美學比例以及現代審美標準，醫 患雙方共同客觀測量和主觀判定協商，對變形后的軟組織容貌是否滿意，是否達到對稱、協 調、美觀。
[0015] 利于醫患交流、理解，患者術前積極參與手術計劃的制定，并提出自己的合理建 議，醫患雙方共同修改骨骼移動的距離和位置，并預測容貌外形，直到達到雙方都滿意的術 后效果，即制定了最終的手術方案(包括截骨線的位置角度，骨斷需要移動旋轉的距離角度 參數，預成型鈦板的內固定配置等）。
[0016] (6)將骨斷移位后的重建三維模型保存為STL格式文件，再導入手術導航系統 BrainLAB所附帶軟件I-plan中做術前導航計劃，在術中指導虛擬計劃的精確實施;最終達 到加強醫患溝通和理解，提高患者滿意度的目的。
[0017] 設計好的模型帶有需要移位骨斷的信息，將其與實時導航設備結合能將術前的虛 擬計劃在手術中準確實施，即得到我們最終希望的軟組織面容;另外，虛擬計劃也可以通過 外科導板技術來實施，即在(4)計劃階段，利用CAD軟件設計復位導板，在3D打印出導板實體 在術中指導截骨位置和移位骨斷。
[0018] (7)術后3-6月對患者面部再次進行三維立體攝像，獲取患者術后真實的面容數 據，利用Geomagic軟件對比驗證，術前預測模型與術后真實面容的相似度，相似度在95