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颜面缺损器官修复的三维仿真设计和个体化快速制作研究

吴国锋  
【摘要】:临床上,颜面赝复体形态制作一直沿用传统落后的临床观摩、现场手工雕刻蜡型的方法,远远不能满足患者希望修复后容貌高度和谐、仿真的要求。本研究将反求工程和快速成型技术两种先进方法联合应用到颜面赝复领域,分别就单侧眼眶部缺损、单侧耳廓缺失、外鼻缺损等主要颜面缺损类型进行三维仿真修复设计和个体化快速制作研究,实现了颜面部器官数字化印模的自动采集,完成缺损器官修复的三维仿真设计,最大限度地复原出患者原有容貌,并通过快速成型系统快捷地加工出器官修复体树脂模具,从而为建立颜面部器官缺损智能化仿真修复系统奠定基础,同时还可望在颌面外科、整形外科等其他学科有广阔应用。 数字化印模采集是反求工程的第一环节,也是实现颜面赝复虚拟设计的基础。眼眶、耳廓、外鼻等颜面器官外形复杂,个体差异极大,美学要求高,使用单一的三维测量方法显然不能实现所有颜面器官的精确测量。本文针对不同缺损器官的实际情况,分别应用三种先进的反求三维测量方法,进行数字化印模自动采集,获得了理想的器官三维重建模型。实验结果表明: 1.眼眶部、外鼻等颜面器官表面形态较平缓,激光束可以直接投射至其全部表面,采用三维激光表面扫描方法测量可以获得精度最佳(±0.01mm)的测量结果,但缺点是对器官表面形态有较高要求以及不能测量器官内部的数据。 2.对于颜面缺损比较严重的类型如外鼻大部缺损,采用螺旋 第四军医大学博士学位论文 CT扫描法直接进行活体软组织断层测量,可以避免组织倒凹和翻 制器官石膏模型误差等对测量的干扰,获得理想的器官重建轮廓 模型。但是断层层厚(士Illun)相对较厚,可能会影响测量精度。 3.本文首次将三维层析测量法这一新型的三维测量方法引入 颜面鹰复领域,该法能够测量任意形态物体内外轮廓的所有数据, 实验中作者利用层析法精确测量了耳廓石膏模型,实验结果精度 较高(士0.05llun),特别是复杂耳纹内的形态数据十分完整。该法 不受任何器官形态影响,具有一定先进性。层析测量法缺点是属 于一种破坏性测量方法,精确测量的同时被测物体也被完全破坏。 本文根据实验要求和不同研究对象的灵活选用了三种反求测 量方法,获得了理想的实验结果。 三维测量获得的原始数据完整致密,器官轮廓清晰精确,能 够保证采集的数据尽量反映器官的实际表面信息。但是庞大的原 始数据,不利于后续模型曲面定义和以D/以M加工,因此,在构 造缺损器官重建模型前,本文首先选用适宜的反求软件对数据进 行过滤、去噪、优化、平滑、编辑等预处理,以满足后续模型重 建的需要。在反求工程软件中,器官原始测量数据可以显示出沿 任意方向旋转、逼真的颜面器官立体形态图,还可以根据设计要 求任意处理(截取、放大、旋转、镜面反射等)缺损器官的部分 数据.反求工程软件系统还可以通过通用接口与其他CAD工程软 件兼容,进行数据转换、三维重构、插值平滑和测量分析,实现 缺损器官三维重建和后续设计。 缺损器官数字化印模信息经预处理后,本研究精心挑选出多 种满足实验特殊设计要求的的CAD软件,用于处理测量原始数据, 重新拟合构建出模型的曲线和曲面,并且分析曲面几何差异,让 设计者快速完成缺损器官三维重建模型,反求出器官原有的表面 形态。对于激光扫描原始点云数据,软件基于矩形域或三角域参 数曲面拟合技术,可以将致密的原始点数据自动连成由无数彼此 相连的小网格,再将各网格拼接成一体的器官表面曲面。而针对 螺旋cr扫描、三维层析等设备提取的断层图像数据,本文利用 第四军医大学博士学位论文 IlnageManager图像处理程序和Mimics医学图像重建软件等对图片 自动进行批处理,通过二值化处理,去除所有冗余数据,仅提取 器官表面轮廓线并自动叠加成矢量化线框模型. 在反求三维模型过程中,反求软件还可以随意截取某一部位 数据或变换数据格式,为下一步进行缺损器官修复体设计和实体 模型构造奠定基础。在网格曲面或线框模型基础上,本文利用三 维数据模型和人颜面器官的对称性原理,利用三维设计软件将患 者健侧组织数据通过改变其空间坐标方式翻转复制到对侧缺损部 位,从而快捷、精确地完成了单侧眼眶部缺损、单侧外鼻组织缺 损和单侧耳廓缺失的仿真修复设计。传统上这些器官修复体的外 形设计主要通过修复医师的主观评估和经验积累,本课题的研究 工作为此类颜面器官缺损修复提供了一种高效、快捷、仿真、可 视化的先进设计方法。设计出的缺损器官修复体表面形态与器官 对侧健康组织完全对称,能够满足患者对容貌恢复后的审美要求。 外鼻大部分缺损属于单一性器官的组织缺损,与眼眶、耳廓 等对称性器官缺损不同,此类缺损由于颜面缺损严重、缺乏对称 的器官形态作为设计参考,是颜面质复学领域内公认的国际性难 题,目前尚未有理想的解决方法。本文首次提出一套新型的虚拟 设计方案:首先建立一个国人正常外鼻形态三维数据库(该部分 工作由本课题组其他成员承担完成):从外鼻形态数据库中调取与 缺损外鼻解剖形态特征相匹配的正常外鼻模型;在特殊三维软件


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