計算機虛擬隆鼻手術系統(tǒng)的研究

1、1計算機虛擬隆鼻手術系統(tǒng)的研究吳華吳溯帆廖盛輝石杭燕嚴晟徐舒暢基金項目：浙江省科技廳重大科技項目（2008C010482）作者單位:310014浙江省人民醫(yī)院整形外科（吳華吳溯帆石杭燕嚴晟）浙江大學計算機科學與技術學院（廖勝輝），杭州師范大學計算機科學與技術學院（徐舒暢）通訊作者:吳溯帆，Email:sufanwu@【摘要摘要】目的目的研究可用于隆鼻手術術前設計、手術模擬及假體制作的計算機三維模擬軟件系統(tǒng)。方法方法提取20例單純隆鼻術求

2、美者手術前后的頭部螺旋CT數(shù)據(jù)，應用DICOM格式數(shù)據(jù)進行三維重建和圖像分割，分析手術前后面部輪廓的變形情況，建立數(shù)學模型。應用三維數(shù)字建模方法和軟組織虛擬變形技術，開發(fā)計算機三維虛擬隆鼻手術系統(tǒng)，使用此系統(tǒng)預設隆鼻效果、模擬隆鼻手術，并將獲取的植入體參數(shù)用于假體模型的制作，應用于實際的臨床手術。結(jié)果結(jié)果本課題組研發(fā)的Pureplastic虛擬整形系統(tǒng)，能夠完成隆鼻手術的術前設計及術后效果模擬，并提供植入體參數(shù)用于假體制作。結(jié)論結(jié)論本研

3、究探索了計算機技術在整形外科領域的應用，證實了計算機技術輔助隆鼻術的可行性，提出了隆鼻手術的未來發(fā)展方向?！娟P鍵詞關鍵詞】計算機技術虛擬手術系統(tǒng)隆鼻術變形仿真三維重建TheResearchofComputerizedVirtualAugmentationRhinoplastySystem【Abstract】ObjectiveTostudythecomputerizedthreedimensionalvirtualaugmentation

4、rhinoplastysystemwhichcanbeusedinpreoperativedesignsurgerysimulationprosthesisproduction.MethodsTwentypatientsofaugmentationrhinoplastywereedcranialcomputedtomographyscanningwereperfmedonthembefeonemonthaftersurgery.Thre

5、edimensionalmodelwerethenreconstructedbasedontheirDICOMdata.Themathematicalmodelofthefacialsofttissuedefmationwereestablishedimproveddependingtheanalysisofthefacialcontoursdefmationprepostoperative.Thecomputerizedthreedi

6、mensionalsimulationsystemwasestablishedfsurgicalimplantdesignmodelmaking.ResultPureplasticvirtualplasticsystemdevelopedinthestudycouldsimulatetheprocessofaugmentationrhinoplastywhichcouldbeusedinthesurgicaldesignprosthes

7、ismaking.ConclusionThestudyexpledtheapplicationofcomputertechnologyintheplasticsurgerydemonstratedtheclinicalapplicationofthecomputerassistedrhinoplasty.【Keywds】ComputertechnologyVirtualsurgerysystemAugmentationrhinoplas

8、tyDefmationsimulationThreedimensionalreconstruction隨著科學技術的發(fā)展，計算機技術在整形外科領域的應用越來越廣泛和深入，已成為整形外科學發(fā)展的三大趨勢之一1。虛擬手術系統(tǒng)是計算機技術的在整形外科領域應用的重要組成部分2，其原理是采用計算機圖形學與數(shù)據(jù)可視化技術，利用計算機圖像處理和分析方法，建立數(shù)學模型進行人體器官的幾何重建，進而在計算機上模擬出人體器官的三維結(jié)構(gòu)，使依據(jù)三維數(shù)據(jù)建立的模

9、型具有與實體器官一致的物理特性，最后利用VR（VirtualReality）手段模擬手術過程3。這種虛擬系統(tǒng)使醫(yī)生能夠在計算機建立的虛擬環(huán)境中設計手術過程及觀察手術效果4，此技術應用于整形外科領域，對于模擬整形手術的術前設計、加強醫(yī)生對手術的理解、提高手術成功率等具有重要的意義。本課題選擇面部輪廓整形手術中最常見的隆鼻術作為研究對象，采集20例隆鼻術求美者的手術前后頭部螺旋CT數(shù)據(jù)，通過分析術前術后面部輪廓的變形情況，研究和完善軟組織變

10、形算法，建立假體植入后面部軟組織變形的數(shù)學模型。以此為基礎，開發(fā)了計算機三維模擬軟件系統(tǒng)，3網(wǎng)格變形后的泊松方程如下：泊松方程的離散矩陣形式：（是體網(wǎng)格的全局拉普拉斯算子矩陣，指體網(wǎng)格的全局散度算子矩陣。）經(jīng)過20LTGM例隆鼻實例的校驗，此模型符合鼻假體植入后外鼻輪廓的變形趨勢，重建時間約為1分鐘，精度0.03mm，符合模擬手術的要求。2.2軟件的開發(fā)及應用以鼻軟組織變形數(shù)學模型為基礎，研發(fā)出Pureplastic虛擬整形軟件系統(tǒng)，該

11、系統(tǒng)人機界面友好、針對性強、操作相對簡便，具有普通計算機軟件應用能力的人，經(jīng)過簡單培訓即可進行操作。系統(tǒng)在使用時可以按照醫(yī)生和求美者的要求進行虛擬隆鼻術的模擬和設計，醫(yī)生和求美者能直觀地看到三維的手術模擬效果，共同參與隆鼻術的設計過程。使用時對外鼻正中矢狀切面的外鼻輪廓線進行反復調(diào)整，獲得醫(yī)生和求美者共同認可后，確定術后效果的三維模型（圖1）。將其與術前頭部三維模型進行重疊處理，計算出擬變形的空間，用該空間的三維模型參數(shù)反求并得到符合虛

12、擬設計的假體模型，與真實的假體模型高度吻合，模擬的術后頭部模型與術后真實頭部CT重建模型也呈現(xiàn)高度的一致性。2.3假體模型制作系統(tǒng)生成的鼻假體模型三維參數(shù)以STL格式保存，此參數(shù)可用于制作硅膠假體的模具，也可以直接應用于激光粉末燒結(jié)快速成型機，使用選擇性激光燒結(jié)（ivelasersinteringSLS）工藝制備高分子聚酞胺材料的假體實體模型（圖2），該模型具有較高的精度，既可以用于制作硅膠假體模具，也可以用于臨床手術時假體雕刻的臨摹。

13、3討論基于CT數(shù)據(jù)的三維虛擬技術，在整形外科臨床上已經(jīng)有一些應用，而外鼻由于其自身的位置和特點，更是人們研究的焦點部位5。汪光堯等6對CT數(shù)據(jù)進行三維重建，獲得面部三維模型用于鼻外傷及畸形的精確化診斷。劉育鳳等7利用CT三維重建技術對硅膠假體隆鼻的病例進行分析評估，認為表明假體的雕刻與術后的美容效果和并發(fā)癥直接相關。歸來等8根據(jù)術前的CT數(shù)據(jù)，借助工業(yè)CAD（ComputerAidedDesign計算機輔助設計）軟件設計制備個性化的鼻假

14、體用于隆鼻術。個性化的鼻假體設計和制造已經(jīng)從實驗室走向臨床，但就目前而言，現(xiàn)有的設計方法都存在操作繁雜、設計時間長、設計效果存在較大可變性等問題，其準確性也有待檢驗9。Pureplastic虛擬整形系統(tǒng)以基于梯度場的微分域體網(wǎng)格變形算法為組織變形數(shù)學模型，其優(yōu)點是在變形過程中能保持模型的體積和幾何特征功能，并符合軟組織非均勻材質(zhì)的特點，模擬結(jié)果與相應假體植入體內(nèi)后造成的軟組織變形非常接近。該系統(tǒng)為開放源性，具有自動學習功能，隨著病例數(shù)的

15、積累，新增的手術前后CT數(shù)據(jù)可不斷擴充基礎數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)通過對鼻假體植入造成的軟組織變形程度進行識別統(tǒng)計，能在一定程度內(nèi)對現(xiàn)有的數(shù)學模型進行自動修正，不斷提高系統(tǒng)虛擬變形功能的準確性。經(jīng)過20例隆鼻實例數(shù)據(jù)的反向校驗，該系統(tǒng)的準確性較高，在臨床試用中表現(xiàn)良好。圖像分割是進行三維重建的基礎，其實質(zhì)是把二維斷層圖像中具有特殊涵義的不同區(qū)域分開來，使互不相交的每一個區(qū)域都滿足特定區(qū)域的一致性，分割的效果直接影響到三維重建的精確性10。在Pure