專利名稱：基于三維視覺測量的對稱特征顏面贗復體制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種顏面贗復體制備方法，特別是一種將非接觸三維視覺測量、 反求工程及快速成型的集成技術用于顏面修復的基于三維視覺測量的對稱特征 顏面贗復體制備方法，屬于機械工程和醫(yī)學工程技術領域。
背景技術：
由于頜面器官的特殊解剖形態(tài)、組織結構及其他影響因素，顏面大面積缺 損通過外科手術方法有時無法達到滿意的修復效果，目前采取贗復體進行治療 在整個顏面缺損治療方法中占有相當大的比例。然而，近幾十年來，顏面贗復 體的制作技術一直停留在傳統(tǒng)的印模制取和技師手工雕刻階段，即采用各類印 模材料取得患者的缺損區(qū)的缺損狀況，翻制模型后，再由技師憑經(jīng)驗進行手工 的蠟形雕刻，充填后完成。這種傳統(tǒng)的方法存在一些缺點印模材料會對組織 產(chǎn)生一定的刺激性，并可能引起軟組織移位，造成模型偏差；傳統(tǒng)的技工操作 方法存在制作工藝復雜、制作周期長、美學效果差等一系列問題，贗復體的制 作很大程度上要依賴于技師的個人美術方面的能力；另外，傳統(tǒng)方法在贗復體 的定位，與組織面貼合，邊緣處理，以及形態(tài)學上都存在欠缺。
隨著計算機技術的發(fā)展，計算機輔助設計和制造(CAD/CAM)、反求工程(RE)、 快速原型(RP)等新技術應用于顏面缺損的贗復領域。這種方法替代了原來的取 模方法而獲得精確的缺損區(qū)信息；顯著提高了贗復體的制作效率和仿真質量； 同時簡化了手工制作過程，減少了技師工作強度；促進了醫(yī)患之間的交流，使 術前的預測形象更具體，已成為贗復體設計制作的發(fā)展方向。國內(nèi)外學者嘗試 各種不同方法進行顏面贗復體制作，但都存在不同程度的缺陷。在獲取缺損顏 面數(shù)據(jù)方面，目前使用的方法有1、 CT、MRI，其存在的缺點是空間分辨 率低、測量精度差，尤其對軟組織的重建有一定的欠缺；CT和MRI掃描時的放 射線對人體有一定損害，且測量方法獲取數(shù)據(jù)時間長，臨床使用的成本高；2、激光掃描技術，其存在的缺點是測量速度較慢，無法滿足測量過程中人體姿 態(tài)和表情變化對測量快捷性的要求；激光光源對人眼潛在的傷害，都限制了該 種方法在人體測量及面部整修中的應用。已有技術中，日本的Tsutsumi在 "A CAD/CAM technique for fabricating facial prostheses: a preliminary report" (International Journal of Prosthodont.1997. Sep-Oct,10(5): 467-472) —文中將CAD/CAM技術應用于顏面缺損修復治療，他使用激光掃描儀 獲取缺損面部的三維形態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和幾何重構后得到缺損處的CAD 模型，再利用平板印刷方法建造出贗復體的樹脂原型；日本的MitsuhiroTsuji 在"Fabrication of a maxillofacial prosthesis using a computer-aided design and manufacturing system" (Journal of Prosthodontics，Vol 13，No 3(S印tember)，2004: 179-183)—文中，通過類似技術方法制作了缺損眼眶部位 的贗復體；國內(nèi)第四軍醫(yī)大學潘景光、吳國鋒在"三維重建單側眼眶部缺損的 面部數(shù)字化模型"(口腔頜面修復雜志，2005年11月第6巻第4期)一文中，采 用線結構光技術，對單側眼眶部缺損患者面部進行活體檢測，重建睜眼狀態(tài)的缺 損面部三維數(shù)字化模型；上海第九人民醫(yī)院黃雪梅在"Fabricating auricular prostheses based on r鄰id prototyping and the Free Form modelling system ，， (the International Journal of Advanced Manufacturing Technology ， (2004) 24: 873 - 878)—文中，采用患者CT數(shù)據(jù)進行了單側耳缺 損CAD/CAM技術修復。但這些研究均處于探索階段，如在制作單側眼眶部缺損 的贗復體方面，獲取完好眼睚的鏡像所需鏡面使用的方法是使用手工選取額 頭，鼻尖等點構成鏡面，這樣得到的眼眶鏡像誤差就比較大。因此整個顏面缺 損修復系統(tǒng)仍存在一定的空白，離臨床應用也還有相當長的距離。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術的不足和缺陷，本發(fā)明采用先進的數(shù)字技術，提供一種 將非接觸三維視覺測量、反求工程及快速成型的集成技術用于個性化面部對稱 特征顏面贗復體制備方法，適用于對稱特征顏面一方缺損一方完好的受損部分
贗復體的制備，包括單側眼眶部缺損、單側顳窩缺損、單側顱面部缺損、單 側上下頜面缺損、單側耳部缺損、單側鼻缺損。本發(fā)明是通過下述技術方案實 現(xiàn)的本發(fā)明包括以下步驟
1) 采用雙單目三維測量系統(tǒng)獲取患者面部外形的多視圖點云數(shù)據(jù)；
2) 對點云數(shù)據(jù)進行預處理，包括點云無用點去除、對多視圖點云進行拼合、 重采樣、坐標歸一化，得到一個完整的患者顏面測量部位的點云數(shù)據(jù)；
3) 贗復面建模在患者顏面測量部位點云數(shù)據(jù)的基礎上構建其三角面片； 找到最優(yōu)鏡面；將相應的完好部位沿最優(yōu)鏡面鏡像到缺損部位；在進行與周邊 三角面片光順后提取出所需的贗復面，同時制作出定位靠模面；
4) 贗復面和定位靠模面分別拉伸成一定厚度的贗復面片和定位靠模面片數(shù) 據(jù)，并以快速成型格式文件(stl)輸出；
5) 利用選擇性激光燒結快速成型機做出贗復面片，然后將贗復面片與患者 面部修配，修整缺損區(qū)邊緣細節(jié)，浸蠟修改缺損區(qū)皮紋,在缺損區(qū)制作固位體和 支架部分，使用定位靠模面片進行定位，制造贗復體快速模具；
6) 按照患者的膚色配置醫(yī)用硅膠，裝入贗復體快速模具，在真空復模機中 翻制贗復體。
本發(fā)明的有益效果是
1) 提高了贗復體的制作效率和仿真效果，縮短了生產(chǎn)周期；
2) 由于采用新型算法獲取最優(yōu)鏡面，提高了制作精度，減少了手工選取鏡面 所帶來的誤差；同時極大地減少了手工制作工作量；
3) 由于能在計算機上演示效果，促進了醫(yī)患之間的交流，使術前的預測形象 更具體。


圖l本發(fā)明對稱特征顏面贗復體制備方法流程圖；
具體實施例方式
下面結合附圖和人眼贗復體的制備對本發(fā)明的具體實施作進一步描述
如圖1所示，本發(fā)明包括下述步驟
1) 采用雙單目三維測量系統(tǒng)獲取患者面部外形的多視圖點云數(shù)據(jù)；
2) 點云數(shù)據(jù)的預處理包括點云無用點去除、多視圖配準、重采樣、坐標 歸一化。首先去除點云無用點，然后對多視圖點云數(shù)據(jù)進行拼合，最終融合為一 個點云，在進行均勻采樣后保存；3)贗復面建模在患者顏面測量部位點云數(shù)據(jù)的基礎上構建其三角面片； 找到最優(yōu)鏡面；將相應的完好眼部沿最優(yōu)鏡面鏡像到缺損眼部；在進行與周邊 三角面片光順后提取出所需的贗復面，同時制作出定位靠模面；
3. 1在患者顏面測量部位點云數(shù)據(jù)的基礎上構建其三角面片『(P，G);
3.2使用最近點迭代算法(ICP)來對臉部三角面片『(P，g)與其鏡像面片
『 ，2m )優(yōu)化拼合找出最優(yōu)鏡面；
設『(p,e)為臉部三角面片，p為W個點位置集，^HpW力^《1&、W 2是包含頂點鄰域信息的單純復形，點云頂點"0^， q是『(^^)的質心
通過求出點云頂點v分布的協(xié)方差矩陣c:l;(y-Q)(y-o,f的特征值
4 ^;^ 2;i3及相應的特征向量^，a,a可以確定臉部最小二乘擬合平面的法向
方向^和豎直方向^，以q為原點，^為Y軸，"3為Z軸，可以定義一個右手坐 標系統(tǒng)iVCS ,我們將『CP,0從原始坐標系統(tǒng)轉移到M7S ,以7VGS的YZ面為初 始鏡面M。，獲取臉部三角面片的初始鏡像面片『 (&,2m) ， &為W個 點的位置集&={/^(1 ')}￡及3, 1SKAS 0 是包含頂點鄰域信息的單純 復形。
據(jù)常理可知，對稱面通過質心，得到的初始鏡面與對稱面很接近，但不精確， 為改善這種情況，使用最近點迭代算法(ICP)來對臉部三角面片『(A2)與其 鏡像面片『J^,^J優(yōu)化拼合
a) 給定兩個三角面片q,&，對于q上的每個點，計算q上與之對應的最
近點；
b) 對于剛體變換，最近點對的距離均方差為最小；
c) 當最近點對的距離均方差小于某一閾值停止迭代，否則返回a)
由于臉部三角面片的邊界不規(guī)則，直接使用ICP會導致『 (尸 ，2 )與『(戶,0)誤拼合，但如果僅從『JA,gJ中取樣確保K^，OJ與『(尸,0的子 集進行拼合,ICP算法有很好的表現(xiàn)?？紤]到在人的面部區(qū)域中鼻區(qū)的幾何特征 最具健壯性,則從『J&,^J中取樣就選取鼻區(qū)部分。
當^(^,2 )與『(尸,0拼合，『OP，0中的點位置固定不變，K&,2J 位置變化為『:(《，^J: p!^i .(乂-r)u人i,2,…,iv， ^為旋轉矩陣，r為平 移矩陣。將拼合后的的點與《(《，")上鏡像點連線的中點 戶=|(, + y:)擬合成最小二乘平面，這就是最優(yōu)鏡面M 。
3.3將相應的完好眼部沿最優(yōu)鏡面鏡像到缺損眼部；在進行與周邊三角面 片光順后提取出所需的贗復面，同時制作出定位靠模面；
4) 贗復面和定位靠模面分別拉伸成厚度為2mm的贗復面片和定位靠模面片 數(shù)據(jù)，以快速成型格式文件(stl)輸出；
5) 利用選擇性激光燒結快速成型機做出贗復面片，然后將贗復面片與患者 面部修配，修整眼瞼邊緣細節(jié)，浸蠟修改眼部皮紋，在缺損區(qū)制作固位體和支 架部分，定位靠模面片定位眼片，制造眼部贗復體快速模具；
6) 按照患者的膚色配置醫(yī)用硅膠，裝入眼部贗復體快速模具，在真空復模 機中翻制眼部贗復體。
權利要求
1一種基于三維視覺測量的對稱特征顏面贗復體制備方法，其特征在于本發(fā)明的制備方法包括下述步驟1)采用雙單目三維測量系統(tǒng)獲取患者面部外形的多視圖點云數(shù)據(jù)；2)對點云數(shù)據(jù)進行預處理，包括點云無用點去除、對多視圖點云進行拼合、重采樣、坐標歸一化，得到一個完整的患者顏面測量部位的點云數(shù)據(jù)；3)贗復面建模在患者顏面測量部位點云數(shù)據(jù)的基礎上構建其三角面片，使用最近點迭代算法(ICP)來對臉部三角面片與其鏡像面片優(yōu)化拼合找出最優(yōu)鏡面，將相應的完好部位沿最優(yōu)鏡面鏡像到缺損部位，在進行與周邊三角面片光順后提取出所需的贗復面，同時制作出定位靠模面；4)贗復面和定位靠模面分別拉伸成一定厚度的贗復面片和定位靠模面片數(shù)據(jù)，并以快速成型格式文件輸出；5)利用選擇激光燒結快速成型機做出贗復面片，然后將贗復面片與患者面部修配，修整缺損區(qū)邊緣細節(jié)，浸蠟修改缺損區(qū)皮紋，在缺損區(qū)制作固位體和支架部分，定位靠模面片定位眼片，制造贗復體快速模具；6)按照患者的膚色配置醫(yī)用硅膠，裝入贗復體快速模具，在真空復模機中翻制贗復體。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于三維視覺測量的對稱特征顏面贗復體制備方法,其 特征是所述的步驟3中的最優(yōu)鏡面M通過下述方法獲得1) 以臉部最小二乘擬合平面的法向方向％和豎直方向"3構成初始鏡面2) 通過初始鏡面M。鏡像，獲取臉部三角面片『(戶,0的初始鏡像面片3) 從K&,gJ中取樣鼻區(qū)部分與『(尸,0拼合，『(戶,0中的點位置固 定不變，『J^,2J位置發(fā)生變化為『j《,g;j;4) 將拼合后的『(p， 0的點與『:(a , gm)上鏡像點連線的中點擬合成最小 二乘平面，這就是最優(yōu)鏡面^。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于三維視覺測量的對稱特征顏面贗復體制備方法，其特征是所述的步驟4中贗復面片和定位靠模面片的厚度為2皿。
全文摘要
基于三維視覺測量的對稱特征顏面贗復體制備方法，屬于機械工程和醫(yī)學工程技術領域。本發(fā)明根據(jù)患者顏面測量部位點云數(shù)據(jù)構建臉部三角面片；通過初始鏡面的鏡像獲取它的初始鏡像面，經(jīng)優(yōu)化拼合獲取最優(yōu)鏡面；然后將相應的完好部位沿最優(yōu)鏡面鏡像到缺損部位，與周邊三角面片光順后提取出所需的贗復面，同時制作出定位靠模面；將贗復面和定位靠模面分別拉伸成一定厚度的贗復面片和定位靠模面片數(shù)據(jù)，并利用選擇性激光燒結快速成型機做出贗復面片和定位靠模面片；將贗復面片與患者面部修配，制造贗復體快速模具；在真空復模機中翻制出醫(yī)用硅膠贗復體。本發(fā)明方法可獲得精確的缺損區(qū)信息，顯著提高了贗復體的制作效率和制作精度。
文檔編號G06F17/50GK101292914SQ200810038840
公開日2008年10月29日 申請日期2008年6月12日 優(yōu)先權日2008年6月12日
發(fā)明者習俊通, 進 孫, 張富強, 熊耀陽, 陳曉波 申請人:上海交通大學