三维头部模型自然头位校正的相关研究

发布时间：2018-03-28 17:24

本文选题：赝复体　切入点：计算机辅助设计与制作　出处：《第四军医大学》2014年硕士论文

【摘要】：颌面缺损或畸形将严重损害人的颜面外形，甚至影响人的心理健康，降低其生活质量，这就对颌面缺损畸形的修复提出了迫切的要求。目前修复的方法主要包括外科手术及赝复体制作。对于一些缺损畸形范围较小的患者，应用手术的方法已经能够达到很好的治疗效果，但是对于一些大面积缺损，以及外形复杂的面部器官如眼、眶、耳、鼻，只能靠制作赝复体的方法来进行修复。传统的赝复体的制作较为复杂，步骤繁多，制作周期较长，对医生的要求也非常高。随着近年来计算机辅助设计与计算机辅助制作（computer aided designcomputer aided manufacturing, CAD/CAM）技术的发展，国内外学者将其应用于颌面赝复学，进行赝复体负型型盒的制作。该技术克服了传统制作方法的一些缺点，为颜面缺损畸形的快速仿真修复开辟了一条新的途径。在赝复体的计算机辅助设计过程中，需确定合适的颜面参照基准对面部容貌进行评价，才能设计出形态位置和谐自然的赝复体。以往研究表明，自然头位（natural head position, NHP）反映了个体在生活状态下真实的情况，是目前已经得到公认的评价面部容貌的最佳参照基准。国内外关于NHP的记录与校正方面的研究大都需在患者头部附加其他的装置来获取NHP，这些装置或多或少都会造成患者因无法完全放松而影响NHP的获得。本研究建立了一种简易通用，且不对患者头部附加任何装置的三维模型NHP记录与校正方法：以患者处于完全放松状态时的NHP正面照片为基准，对3dMD face扫描仪拍摄的三维面部照片进行NHP校正，最终利用经校正的三维面部照片将颌面部CT三维模型校准至NHP。主要实验内容如下： 1．制作正面为单向透视玻璃的相机暗盒，并以此暗盒为基础搭建标准的NHP正面拍摄系统；建立NHP正面照片的拍摄与校正方法。 2．对42名志愿者（男：26人，女：16人），，利用实验一所建立的NHP正面拍摄系统分别于五个时间点（baseline、1h、1d、3d、7d）进行正面照片的拍摄。在Photoshop软件中利用铅垂线对正面照片进行校正后，测量志愿者两外眦连线相对于水平线的旋转角度（顺时针方向为正，逆时针方向为负）。对不同时间组间的夹角差异进行单因素方差分析（One-wayANOVA）以及Bonferroni's多重检验，对不同性别间测量所得的角度差异采用Mann-Whitney检验。所有检验都以P0.05表示差异具有统计学意义。 3．建立以NHP正面照片为基准的3dMD扫描仪拍摄的三维面部照片的校正方法。通过正面照片与3dMD face扫描仪拍摄得到的三维照片相结合，计算出面部所画的四个标记点的NHP三维坐标，在Geomagic Studio2013软件中利用此四个标记点对三维面部照片进行校正。利用42名受试者于五个时间点(baseline、1h、1d、3d、7d)拍摄的记录NHP正面照片，将以上五个时间点拍摄的3dMD三维照片模型运用上述的方法校正至NHP。比较NHP校正后的后四个时间点（1h、1d、3d、7d）与baseline的三维面部照片的三维角度差异。 4．建立以校正至NHP的三维面部照片为参照的CT扫描重建的头部三维软组织模型的校正方法。根据面部容易识别的软组织标志点（如内外眦、鼻底等）将两三维模型进行配准，完成CT三维头部模型的校正。因拍摄螺旋CT时患者处于仰卧位，颌面部的软组织因重力而变形，我们还选择了面部软组织不易变形的部位，如额部、鼻部等，对CT三维头部模型进行校正。将上述两种方法校正获得的CT三维头部模型进行“3D比较”所得差异的平均值及标准差进行统计分析。主要研究结果、结论如下： 1．设计并制作了一个正面为单向透视玻璃的相机暗盒，搭建完成了一种新的正面照片的拍摄系统，建立了正面照片的拍摄方法。通过该拍摄系统可对NHP的正面进行记录，且只需简单的软件操作步骤就可将正面照片通过铅垂线进行校正，从而得到经校正后的NHP正面照片。 2．利用实验一所搭建的拍摄系统，在不同时间点对42名受试者拍摄的正面照片通过数据分析比较得出：不同时间点拍摄的NHP正面照片间无显著差异，具有良好的时间可重复性；不同性别对于正面NHP的影响也无明显差异。利用本拍摄系统所拍摄得到的记录NHP正面照片可用于后期以二维正面照片为基准的三维头部模型的校正。 3．建立了一种以记录NHP二维正面照片为基准的三维面部照片模型的NHP校正方法。推导出了正面照片缩放倍率的计算公式：(a2-b2-c2) p2±2(m2-b2p2)(n2-c2p2)+(m2+n2-l2)=0。并根据该公式及各标记点的NHP三维坐标计算方法，编写完成了NHP三维坐标的计算软件，简化了校正中所需的计算过程。通过对校正后的NHP3dMD三维面部照片模型间三维角度差异的研究，证明随着时间的增长NHP的三维角度差异有增大的趋势，前3天增大的趋势较大，之后增加缓慢。这与以往关于头颅侧位片的NHP可重复性研究结果相似。此方法具有良好的可行性，为以后进一步的CT三维头部模型的校正以及三维模型NHP的可重复性的纵向研究提供了基础。 4．应用并比较两种以校正至NHP的三维面部照片模型为参照的CT三维头部模型的NHP校正方法。为了尽量减小误差，我们采用只选取CT三维头部模型中软组织不易变形的额部及鼻部的方法，来与三维面部照片进行配准，再将此模型与完整的CT三维头部模型进行配准。研究表明，在校正的过程中，虽然理论上只选取CT三维头部模型中软组织不易变形的部位进行配准的方法应该更为准确，但根据实验结果可知，两种校正方法间并无明显差别，且CT三维头部模型与三维面部照片模型直接配准的方法相对简单，操作步骤较少。因此，在实际操作过程中我们可以采取较简单的方法来实现CT三维头部模型与三维面部照片模型的配准，且对校正的准确性并无显著性影响。
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【学位授予单位】：第四军医大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R782.4

【参考文献】