颌面部个性化虚拟三维表皮表面及骨组织表面轮廓重建及其在颌面外科领域中应用的基础理论研究

发布时间：2020-06-27 12:10

【摘要】：目的：利用普通 PC 机对颌面部三维组织重建的可行性及其临床应用的基础研究是本研究的主要目的。同时还进行了在 PC 机条件下针对螺旋 CT 片轮廓线跟踪扫描软件模块的开发研究和根据骨表面和表皮表面轮廓线的虚拟三维组织图像的重建软件的开发研究。最后将生成的颌面部三维组织图像导入通用的三维处理软件 3DsMax6 中，对图像进行数字化处理，进行了针对临床应用的模拟手术及术后效果评估预测方面的基础研究。方法：拍摄模特的颅顶至颏下点的螺旋 CT 横轴位断面片，间隔为 1 毫米，用自行研制的轮廓跟踪扫描模块，将 CT 片中骨组织表面及表皮表面的轮廓线扫描出来，再利用自行开发的三维重建软件将提取的轮廓线重建成颌面部骨组织及表皮组织的三维图像。将上述两个三维组织图像导入 3DsMax6 中处理。经过图像导入、重合、蒙皮、骨块切割、骨块移动、软组织移动等程序，最后生成模拟手术术后外像。结果：一、对 CT 图像进行表皮及骨组织表面边缘进行检测，并将不必要的信息省略，突出了边缘信息。二、对于边缘检测得到的轮廓图像进行了阈值处理减少图像中的灰度级，并 100 WP=108 将有可能存在的边缘点灰度值设定为 0，保证了边缘的连续性。三、对图像进行细化处理，将图像变为单像素边缘，解决了当边缘较宽时，在实际运算中由于存在大量冗余信息而导致运算速度过慢的问题。采用此方法从 CT 图片中提取出的轮廓较为准确，并且运算速度也较快，尤其对于连续封闭轮廓的提取有较好的使用效果。四、颅骨的提取方法与表皮类似，但要考虑到骨块较多，所以 CT 图像显示有多个封闭轮廓。故采取用多个初始点进行轮廓提取。每个封闭轮廓都要寻找到一个初始点，然后按照上述轮廓跟踪算法各个进行轮廓提取，得到多条封闭曲线。五、对检测到的图像进行灰度阈值处理，保证了边缘的连续性，同时进行了数据的二值化处理。六、重建的三维图像与数码像机外像完全一致，三维重建成功。临床医生可利用其作为在 PC 机条件下，重建颌面部表皮及骨组织表面三维图像的基本材料。七、实现了三维图像的旋转及各方向多角度的观察。三维图像实现自由旋转后，可以对临床及基础医学的教学、骨折线的观察、骨块的移位情况等做直观、准确的估计。八、对图像成功分割、变换后，模拟了手术的过程和效果。模拟手术的建立，对正颌外科、美容外科的手术设计，术后估计均具有一定的临床意义。可以提高手术的精确度，使未来的美容手术数字化。九、表皮仿真贴图后，使模拟术后像更加逼真。讨论：近年来许多国外学者都先后报道过对 CT 横断面片利用表面绘制法进行组织的三维重建，但大多都是在强大的专业图像工作站的支持下，利用专 101 WP=109 业软件来完成的。本组实验结果显示：利用 PC 机在短时间内，对 CT 横断面片实施自动扫描，完成了表皮及骨组织表面轮廓线的提取，证实了自行编制的图像扫描模块是有效的，这种轮廓提取的方法是可行的。首先，图像扫描模块由微机自动运行，时间仅需两分钟左右，省时、省力。其次，模块可将图像灰度自动进行二值化处理，有利于计算机的识别。另外，由于识别级别精确到了象素级，所以跟踪描绘出的组织表面轮廓精确度较高，可完整反映组织表面的微小数据，为下一步三维重建打下良好基础。尤其是在颌面整形外科领域，患者的组织器官一般无病理变化，医生更注重的则是患者的脸型，特别是骨组织外型的变化。而本实验所提供的数据，正是为了满足临床医师的这种需求所做的准备。它将成为进一步为手术设计、模拟手术和手术后估计等工作提供不可缺少的数据。由于表面可以简洁地反映复杂物体的三维结构，因此在医学图象中边界面轮廓是用于描述器官的最重要特征。表面绘制是一种普遍应用的三维显示技术，其首先是从体数据中抽取一系列相关表面，并用多边形拟合近似后，再通过图形学算法显示出来。而表面的提取通常是通过门限设定，必要时结合手工描制完成的。1、表面绘制方法的处理过程主要包括下面三个部分：（1）体数据中待显示物体表面的分割；（2）通过几何单元内插形成物体表面；（3）通过照明、浓淡处理、纹理映射等图形学算法来显示有真实感的图象，并突出特定信息。2、表面绘制有多种方法，但各种算法的不同点仅在于所采用的近似表面的几何单元或几何单元尺度的选择不同。3、三维医学图象的生成和显示实质上是一个三维体数据的可视化问题。根据问题的要求和数据特点可以分为两种不同的技术。面绘制和体绘制两种技术都能够用来实现三维图象中选定结构的可视化。方法上各有其优缺点。本实验采用的是面绘制方法。4、基于表面的重建就是采用对物体表面进行拟合而忽略物体内部信息的重建方法。体数据（Volume Data） 102 WP=110 是对某种物理场的离散采样。而体视化（Volume Visualization）就是研究体数据的表示、变换和显示的技术。对蕴藏在体数据之中的物体或者自然现象进行处理、分析和显示。这无疑会帮助人们更好的认识所要研究对象的内部结构
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2004
【分类号】：R782
【图文】：

曲线,三次B样条曲线

3 、基于 CT 轮廓线数据的曲面造型算法描述：3.1 由轮廓线数据反算样条插值曲线对于重新采样后的每一层中的数据点，进行插值，算法如（1）确定曲线节点矢量根据数据 P( j0,1,2,,n)j= L，确定线节点矢量 [,,,,]0 12+6=nU uuuL u，为保证曲线在两端点处具有次 Bezier 曲线的端点几何性质，首先节点取重复度 r =4，即00123u = u=u=u=13456====n+ n+n+n+u uuu；其次，按照积累弦长参数化的方法，是内节点与数据点一对应，,(4,5,,2)11=+ =+ uuPiniiiL 。（2）反算 3 次 B 样条插值曲线的控制顶点，对于待插值的

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