計算機輔助面部輪廓整形美容測量系統(tǒng)的研究.pdf

1、1.研究背景 面部輪廓整形美容外科屬于顱頜面外科學(xué)的一部分，是按照法國整形外科學(xué)家Tessier于1960年代后期創(chuàng)立的顱頜面外科學(xué)的基本原則和方法，通過外科手術(shù)和非手術(shù)的方法對構(gòu)成面部形態(tài)的骨性結(jié)構(gòu)和軟組織成分進行重新的排列組合和固定，達到修復(fù)面部輪廓的先天或后天畸形，重塑略有瑕疵的面部形態(tài)的目的。這種把修復(fù)嚴重顱頜面畸形的方法用于對面部輪廓的美化重建的方法，由于滿足了廣大美容受術(shù)者們對于面部輪廓美的強烈需求而在上個世紀以來的

2、短短幾十年間就得到了突飛猛進的發(fā)展。 計算機技術(shù)，特別是計算機圖像處理和圖像測量技術(shù)的進步，使得通過計算機來對面部輪廓整形美容外科患者的圖像資料進行測量和分析成為可能。計算機輔助圖像測量分析可以為整形外科醫(yī)生提供一個相對精確的術(shù)前判斷和數(shù)字化的手術(shù)設(shè)計方案和標(biāo)準(zhǔn)，使得面部輪廓美容手術(shù)更加精確和客觀，有利于醫(yī)患雙方充分溝通，方便患者選擇適當(dāng)?shù)男g(shù)式，更好地配合手術(shù)和圍手術(shù)期處理，也為減少術(shù)后糾紛打下良好的基礎(chǔ)。 2.目的

3、 設(shè)計編寫應(yīng)用程序“計算機輔助面部輪廓整形美容測量系統(tǒng)(ComputeraidedFacialcontouringMeasurementSystem，CFMS)”，使其能夠以面部輪廓整形美容受術(shù)者或其他人群的面部數(shù)碼照片或攝像資料為素材，經(jīng)過相應(yīng)的校正和標(biāo)定，對人體面部輪廓的相關(guān)標(biāo)志如額、顴、下頜角、頦等部位進行點、線、角度的測量、分析，結(jié)合現(xiàn)有人體實際測量結(jié)果或正常值參數(shù)，綜合分析受試者的面部輪廓的形態(tài)特征，指導(dǎo)面部輪廓整形美容手

4、術(shù)的設(shè)計和分析，并根據(jù)術(shù)前測量分析結(jié)果決定手術(shù)中的截骨或磨削骨質(zhì)的數(shù)量、范圍等，術(shù)后對手術(shù)效果進行評判分析，對隨訪患者的資料進行分析并與術(shù)前、術(shù)后資料進行比較和回顧。 3.方法 (1).CFMS程序編寫： 在MICROSOFTWINDOWS平臺上，應(yīng)用VisualC++語言進行設(shè)計，采用WINDOWS風(fēng)格窗口和菜單形式，使得本系統(tǒng)符合大多數(shù)用戶較多使用WINDOWS系統(tǒng)的習(xí)慣。CFMS系統(tǒng)主要由四個功能模塊組成：

5、圖像文件操作功能模塊、圖像測量預(yù)處理功能模塊、圖像標(biāo)注功能模塊和圖像測量功能模塊。 (2).CFMS的誤差分析： 在已編寫CFMS軟件的基礎(chǔ)上，對于CFMS系統(tǒng)中存在的測量誤差的原因進行分析，包括圖像采集過程的影響，徑向畸變、偏心畸變和薄棱鏡畸變等鏡頭畸變，拍攝距離和標(biāo)尺位置對測量精度的影響等因素進行分析，并針對這些因素，運用MatLab6.5和VisualC++語言對軟件進行完善，采用透視變換矩陣標(biāo)定法、非線性最小化法

6、、直接線性變化法、兩步法、雙平面標(biāo)定法等方法對于軟件的算法進行改進，使系統(tǒng)的測量誤差能夠控制在可接受的范圍之內(nèi)。 (3).CFMS軟件與直接測量方法的比較： 選取23名志愿受試者(男性10名，女性23名)，分別對于12項面部輪廓測量項目進行直接測量和CFMS軟件測量，所得兩組測量數(shù)據(jù)進行配對t檢驗(Pairedt-test)，計算測量的相對誤差，比較兩種測量結(jié)果的差異性。對兩種測量結(jié)果進行相關(guān)與回歸分析，論證CFMS測量

7、結(jié)果與直接測量數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。 (4).CFMS軟件的臨床應(yīng)用 選取32例單純骨性下頜角肥大患者，以下頜角寬(G0-G0)、下頜角角度(MA)、雙側(cè)下頜角點至正中矢狀面距離(Go-M)等5項對于下頜角形態(tài)具有代表性的指標(biāo)進行術(shù)前測量和數(shù)據(jù)分析，提出術(shù)中截(磨)骨量的建議值，術(shù)后再復(fù)查對應(yīng)數(shù)據(jù)，兩組數(shù)據(jù)進行配對t檢驗(Pairedt-test)，計算截骨量預(yù)計的相對誤差，比較術(shù)前、術(shù)后數(shù)據(jù)之間的差異。對術(shù)前術(shù)后截骨數(shù)據(jù)進行

8、相關(guān)與回歸分析，尋找預(yù)計截骨量與實際截骨量之間的線性相關(guān)關(guān)系，從臨床實踐的角度檢驗CFMS系統(tǒng)的有效性、準(zhǔn)確性、實用性和穩(wěn)定性等。 4.結(jié)果 (1).編寫形成“計算機輔助面部輪廓整形美容測量系統(tǒng)(ComputeraidedFacialcontouringMeasurementSystem，CFMS)”，其功能包括：數(shù)字圖像的讀寫功能和格式轉(zhuǎn)換；對原始圖像進行校正；繪制基準(zhǔn)線、網(wǎng)格；實現(xiàn)通用角度、距離等幾何參數(shù)的測量；自檢

9、功能。 CFMS系統(tǒng)還具有以下特點：良好的開放性、可擴展性和可維護性；友好的用戶界面；功能完備，精練實用；采用WINDOWS窗口風(fēng)格，下拉式菜單選項，易于學(xué)習(xí)、操作和推廣。 (2).通過對面部輪廓整形美容圖像處理工作流程的系統(tǒng)分析，提出計算機輔助測量中誤差產(chǎn)生的主要原因：一個是圖像采集過程中的因素，包括攝影器材的質(zhì)量和配置、攝影人員的攝影技術(shù)、攝影習(xí)慣、圖像攝取的環(huán)境、圖像資料在格式轉(zhuǎn)換和復(fù)制、轉(zhuǎn)存過程造成的數(shù)據(jù)損失；另

10、一個是來自測量系統(tǒng)的原因，包括：①相機鏡頭畸變：A.徑向畸變；B.偏心畸變C.薄棱鏡畸變。②拍攝距離和標(biāo)尺的影響。③其他如面部特征點坐標(biāo)提取的定位誤差，各個光敏元件的輸出信號存在差異導(dǎo)致的圖像失真，數(shù)字圖像在離散、量化過程中引起的誤差等等。 針對這些可能產(chǎn)生誤差的因素，我們給出了一系列的解決方案，包括：①對攝影人員、器材和攝影資料的管理進行規(guī)范，確保圖像資料在攝取和存儲過程中損失最小化。②通過對相機標(biāo)定算法的改進，包括利用透視變

11、換矩陣的標(biāo)定技術(shù)、運用非線性優(yōu)化的標(biāo)定技術(shù)、直接線性變化、兩步法和雙平面標(biāo)定方法等，校正了由于鏡頭和攝影系統(tǒng)的原因產(chǎn)生的誤差。 通過上述這些方法的處理后，我們又通過實驗和計算，得出針對CFMS系統(tǒng)的誤差計算公式，并通過這些算式對不同拍攝情景進行實際演算，繪出誤差分析圖表，結(jié)果表明在面部輪廓整形美容外科常用拍攝對象、拍攝距離和標(biāo)尺等環(huán)境下，CFMS系統(tǒng)能夠?qū)y量誤差控制在可以接受的范圍之內(nèi)，完全可以滿足面部輪廓整形美容外科的測量需

12、要。 (3).選取某高校學(xué)生中的10名男性受試者和13名女性受試者，對其面部輪廓的12項指標(biāo)分別進行直接測量和CFMS軟件測量。對測量結(jié)果的基本統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)上述兩種方法的測量結(jié)果與現(xiàn)有文獻報道的相關(guān)人體測量數(shù)據(jù)基本吻合，配對t檢驗表明，直接測量與CFMS軟件測量結(jié)果之間沒有顯著差異(p值在0.073-0.950之間)，測量相對誤差在3.17％～1.00％之間，基本可以滿足臨床手術(shù)對準(zhǔn)確度的要求。兩種測量方法之間的相關(guān)系數(shù)、決定系

13、數(shù)等均在0與1之間，存在正相關(guān)關(guān)系。 (4).借助CFMS系統(tǒng)的術(shù)前測量和預(yù)測對于手術(shù)設(shè)計的干預(yù)，下頜角縮小整形手術(shù)的效果比較明顯，32例單純骨性下頜角肥大患者術(shù)后在下頜角寬度(Go-Go)、下頜角角度(MA)、雙側(cè)下頜角點至正中矢狀面(Go-M)等幾個方面的數(shù)值與術(shù)前相比都具有極顯著差異(P=0.000)，術(shù)后的面部輪廓外形也較滿意。說明在CFMS軟件的輔助下，口內(nèi)入路下頜角縮小整形術(shù)的有效性。 針對預(yù)計截骨量與實際截

14、骨量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計檢驗可見兩者差異不顯著，說明預(yù)計截骨量與實際截骨量比較接近。對這兩組數(shù)據(jù)的相關(guān)與回歸分析，也證實了預(yù)計截骨量與實際截骨量之間存在正相關(guān)的線性關(guān)系，其回歸方程的可信性檢驗，也表明這組方程具有統(tǒng)計學(xué)意義。說明本系統(tǒng)對于截(磨)骨量的估計與實際的截(磨)骨量之間還是有一定的對應(yīng)關(guān)系。但計算所得相對誤差偏大，說明該系統(tǒng)在截骨量的預(yù)測方面存在缺陷，只能在一定程度上滿足粗略估算的需求，更精確的預(yù)測還需要借助三維CT/MRI的數(shù)據(jù)進行。

15、 (5).存在的問題和今后的研究展望： ①由于目前尚處于課題初期，所制作的軟件功能相對簡單，除了測量功能外，對于圖像本身的處理能力比如面部特征部位的增高、降低、增大、縮小等功能尚未開發(fā)出來，有待在今后的繼續(xù)研究中繼續(xù)完善； ②本課題是柳大烈教授主持的研究項目《顱頜面部修復(fù)重建三維模擬與手術(shù)導(dǎo)航輔助系統(tǒng)》的一部分，目前尚未與其他研究者的研究成果進行后期整合，還不具備三維模擬的功能，不能對手術(shù)后的面部輪廓進行實時模擬

16、和演示，也不能對手術(shù)過程進行動態(tài)演示。期望在整個項目完成后將所有研究成果全面整合后，能夠成為一套集數(shù)字圖像測量分析、術(shù)中術(shù)后效果三維模擬、計算機導(dǎo)航和AutoCAM機械輔助手術(shù)、手術(shù)資料管理、遠程會診和手術(shù)演示功能于一體的完整系統(tǒng)，實現(xiàn)真正的數(shù)字化面部輪廓整形美容手術(shù)中心。 ③由于時間關(guān)系，目前所進行的測量精度實驗和臨床病例試用的樣本量有限，所形成的測試結(jié)論還不能算是最終結(jié)論，尚有待更大樣本、更多測量指標(biāo)的實際應(yīng)用來進一步證實。

17、 5.結(jié)論 本課題通過對“計算機輔助面部輪廓整形美容外科測量系統(tǒng)(ComputeraidedFacialcontouringMeasuringSystem，CFMS)”的研究，形成了完整的CFMS應(yīng)用軟件，經(jīng)過對該軟件的誤差分析、算法改進和實驗測算，校正了本系統(tǒng)可能產(chǎn)生測量誤差的因素，并對其他可能引起誤差的因素給出了合理的建議。 通過對志愿者的測量和手術(shù)患者術(shù)前術(shù)后對照研究，檢驗了該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。通過臨床病例的測