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《中国人民解放军第四军医大学》 2003年
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计算机辅助三维正颌外科手术预测和模拟系统的初步研究

孙应明  
【摘要】: 由于受到传统的二维分析、诊断和手术模拟的限制,目前对复杂的颌面部畸形的矫治仍然是一个挑战。令人欣喜的是计算机断层、三维重建和图像技术给现代医学带来了一场革命。采用适当的计算机软件及其环境的三维图像技术已经可以用来进行诊断、外科计划和手术模拟。鉴于此,我们初步建立了计算机辅助三维正颌手术预测和模拟系统,以期能够提高临床诊断和治疗水平,促进医患的交流与合作。 本系统是以Windows98为操作平台,利用面向对象的计算机语言VisualC~(++)6.0实现的。整个软件系统的设计遵从了面向对象的指导思想,从而保证了系统的模块化和系统的可维护性。由于模块具有良好的接口,因此保证了系统的可持续开发性。本研究共包括四个部分: 1.面部三维模型的重建 首先通过基于TCP/IP协议的以太网,采用FTP命令将位于CT工作站上的患者所有的CT原始资料下载到PC机上,因此不会有任何信息的丢失。接下来是对原始资料的二维和三维预处理,并采用MC方法进行颌面部软硬组织的三维重建。采用OpenGL工具显示重建的图像,采用VTK工具包进行图像表面处理以及简化运算。重建后的颌面部软硬组织三维模型可以从任意一个角度进行观察。 2.三维测量 为了便于进一步的测量和手术模拟,首先需要对系统的三维空间坐标加以定义。因此我们选取了五个常用的硬组织标志点(包括鼻根点、左右耳点和左右眶点)用以建立空间的三维坐标。系统结合国内外研究结果,在三维硬组织模型上交互选取63个特征点,并设立82个特征值(包括线距和角度)。通过对特征值的测量并结合临床经验,可以对患者作出诊断以及制定手术计划。 3.三维截骨手术模拟 该步骤需要对三维骨骼体数据进行切割。本研究使用的是一到几个平面对目标骨进行切割。被分开后的骨块有其特定的临床 第四军医大学博士学位论文 含义,并可对它进行以下操作包括平移、旋转、升高、变换族中 心等,系统还可以计算出以上的运动参数值。本研究成功地采用 交互方式对正颌外科经典的几种手术截骨方式进行了模拟,包括 Lefort截骨术、Lefort 11截骨术、下颌矢状劈开截骨术和额成形 术等。系统可以反复进行手术模拟,直到结果满意为止。 4.三维面部软组织模拟和预测 将截开的骨块移动到新的位置后,软组织的模型也会发生相 应的变化。由于软组织形变的非线性和复杂性,我们根据文献有 关的研究结果采用以下原则:在骨块移动区域,软组织相对于硬 组织的移动比例最大,该比例是参考以往的研究数据,本实验中 简化为1:l的移动比例;向两侧远离骨移动区的软组织的移动量 呈线性逐渐递减。采用的具体算法是基于线投影模型形变算法(阿 pYOJectlon七ased model deformation\系统可以交互地重复软组织模 拟结果直到满意为止。模拟后的软组织模型可以旋转并从任意一 个方向进行观察。 本研究至今尚未能建立成为一个完整的计算机系统,进行手 术预测和模拟时还需要输入复杂的参数,对于外科医生来说使用 起来仍然不容易。另外,还需要通过表面人体测量来定量判定该 系统的精确程度。而更为重要的是,在进一步的研究中我们要将 现有的系统和程序结合起来,为正颌外科临床建立一个界面友好 的计算机辅助三维虚拟现实的手术计划和软组织预测工作台。
【学位授予单位】:中国人民解放军第四军医大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2003
【分类号】:R782

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