x library，形变算法（Deformation algorithm)： mass-spring model，finite element model。编程基本流程为：基于ITK所提供的分割与 重建算法来搭建几何模型，并在.Net平台下结合OpenGL和VTK来完成仿真系统中模型的可 视化，具体如下： 1) .利用CT数据建立颂面骨骼3D模型，利用面部3D立体照片建立面部软组织模型； 2) .为节省计算机时间和空间，将形变的区域集中在手术区（即从3D立体照片建模的 面部模型直接提取一个"中间网格"模型），建成一个四面体网格模型，即两阶段渐近式非线 性模型；再通过分析两种模型的刚度矩阵（Stiffness Matrix)，以在等同有限元模型精确 性的情况下，获得弹簧质点模型参数的设置方式； 3) .基于有限元方法的形变算法，将上述网格模型和面部皮肤模型通过设定物理属性 参数、变形参数及关联参数来实现面部软组织形变模型的搭建。然后，研究Nvidia显卡所提 供的物理加速功能（PhysX)及各种Joints模型，利用最新的ITK/VTK工具包来设计并实现 非线性三维有限元模型，模拟患者术后软组织形变。
[0043]经过前期的临床验证，软件的预测精度在90%左右。在患者术前面部三维立体照片 上显示术后容貌，使得软组织预测更加逼真，更具临床实用性。
[0044] (5)判断变形后的软组织容貌是否达到对称和美观的要求，重复(3)，（4)步骤直到 达到满意的容貌外形;此步骤有利于医患交流/理解，患者术前积极参与手术计划的制定， 并提出自己的合理的建议，医患双方共同修改骨骼移动的距离和位置，并预测容貌外形，直 到达到双方都满意的效果，即制定了最终的手术方案(包括截骨线的位置角度，骨断需要移 动旋转的距离角度参数，预成型钛板的内固定配置等）。
[0045] (6)将设计好的三维模型导出为STL格式文件，再导入手术导航软件I-plan中做术 前导航计划，利用导航设备精确引导骨断的截取和移位，实现虚拟设计的手术方案。
[0046]所用导航设备为BrainLAB导航仪，导板材质可以是PLA(聚乳酸)或合成树脂等。
[0047]设计好的模型带有需要移位骨断的信息，将其与实时导航设备结合能将术前的虚 拟计划在手术中准确实施，即得到我们最终希望的软组织面容;另外，虚拟计划也可以通过 外科导板技术来实施，即在(4)计划阶段，利用CAD软件设计复位导板，在3D打印出导板实体 在术中指导截骨位置和移位骨断。
[0048] (7)术后3-6月对患者面部再次进行三维立体摄像，获取患者术后真实的面容数 据，利用Geomagic软件对比验证，术前预测模型与术后真实面容的相似度，相似度在95%以 上时表明术前预测准确，其中相似度以< 2mm三角面片的百分比来衡量。
[0049] 术后患者影像数据的采集需要与术前使用设备和技术相同，避免采样误差。对于 术后采样时间点不能过长或过短，需要考虑术后软组织的肿胀、血肿，和患者体重变化、骨 断移位复发等多种影响面容外形的因素，我们建议采样时间在术后3-6月之间。验证步骤 中，术前预测模型和术后真实模型需要配准分析误差，同样采用7点手动注册+ICP自动算法 的联合配准方法。也可以采用主观评价的方法，让患者本人或经过训练的医生对两个立体 照片进行相似度的分级判定。
[0050] 后两步(6)，（7)是根据术前虚拟计划来实施手术和验证预测准确性的方法，对临 床实施此软组织预测技术的意义和实用性有重要的影响作用。
[0051 ]试验一 运用本发明中的实施例1中的预测仿真方法，针对不同的患者进行实验，具体结果如下 表1: 表1.临床病例中，采用此数字化外科方法取得的诊疗效果
从以上看出，运用本发明中的预测软组织容貌方法，为虚拟骨骼整形手术提供参考依 据，即术前明确骨移位的大小和方向等手术细节，做到有备无患；具有个性化、定制化优势 的导航和导板外科技术，保障了术前设计方案的精确实现，同时手术创伤小，患者恢复迅 速。
[0052]试验二 运用实施例1.中的预测方法，对20例陈旧性颧骨颧弓骨折患者进行预测和诊疗，再将 预测的面形3D模型与术后患者真实容貌外形的对比分析，结果如表2. 表2. (mm)术前预测的与术后真实的面容外形对比统计
从结果的统计学数据可以看出：在预测的患侧颧骨软组织区域，预测的平均绝对误差 总体达到1.42mm，最大误差也仅为3.43mm，对临床应用最有价值的参数2 mm的百分比） 为:87.2%，也即表明软件的总体预测精度为87%，具有较高的预测精度水平。
[0053]本发明中的方法包括术前对患者颂面部进行螺旋CT扫描、将数据导入颂面手术设 计仿真软件CMF-preCADS，重建三维颂骨、皮肤曲面模型、复位/移位骨断到初步位置、利用 Geomagic软件对比验证术前预测模型与术后真实面容的相似度等步骤。术后的面部容貌和 口颂系统功能均恢复良好，软组织外形对称、协调、美观，患者术后满意度达到95%以上，且 整形术效果稳定，长期满意度也十分良好。
[0054]本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的 替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子 而已。
[0055]以上所述仅为本发明的优选实施例，对本发明而言仅是说明性的，而非限制性的； 本领域普通技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改 变、修改、甚至等效变更，但都将落入本发明的保护范围内。
【主权项】
1. 预测颂面骨整形术后软组织容貌变化的计算机仿真方法，包括主、从计算机系统、计 算机仿真软件包和计算机操作系统，主、从计算机系统包括位于前台的PC电脑和后台的工 作站，以及与仿真配套的仿真设备，其特征在于，包括以下步骤： (1) 获取数据:术前对患者颂面部用螺旋CT机进行螺旋CT扫描，获取DICOM数据;对患者 面部用FaceSCAN3D面部三维摄像仪进行三维立体摄像，获取Ob j .格式数据； (2) 将DIC0M数据和Obj.格式数据导入颂面手术设计仿真软件-CMF-preCADS，重建三维 颂骨、皮肤曲面模型，并与三维立体照片配准融合，建立颂面软硬组织形变物理模型，即三 维有限元和质点-弹簧模型联合体，模拟面部皮肤的线性弹性形变规律； (3) 在步骤(2)中的建立的三维颂骨模型上分割移位的骨折断端、或按正颂外科标准术 式分离骨段，复位或移位骨断到一个初步位置； (4) 再用软件计算出颂骨硬组织移动后相应的软组织曲面变化； (5 )医患双方共同测量和确定变形后的软组织容貌； (6) 将骨断移位后的重建三维模型保存为311格式文件，再导入手术导航系统阶&丨111^8 所附带软件I-plan中做术前导航计划，在术中指导虚拟计划的精确实施； (7) 术后3-6月对患者面部再次进行三维立体摄像，获取患者术后真实的面容数据，利 用Geomagic软件对比验证，术前预测模型与术后真实面容的相似度，相似度在95%以上时表 明术前预测准确，其中相似度以< 2mm三角面片的百分比来衡量。2. 根据权利要求1中所述的预测颂面外科手术后软组织容貌变化的计算机仿真方法， 其特征在于:所述步骤（1)中CT扫描范围为眶上缘至舌骨水平，分辨率为512 X 512，层厚< 0.9 mm，扫描电压和电流分别为140kV和220mAs〇3. 根据权利要求1中所述的预测颂面外科手术后软组织容貌变化的计算机仿真方法， 其特征在于:所述步骤(4)中用软件计算出颂骨硬组织移动后相应的软组织曲面变化，并将 变化的结果用面部三维立体照片显示。4. 根据权利要求3中所述的预测颂面外科手术后软组织容貌变化的计算机仿真方法， 其特征在于:所述步骤(4)中先利用面部有限元形变物理模型预测颂骨移动术后软组织容 貌变化，用软件计算出颂骨硬组织移动后相应的软组织曲面变化，并将变化的结果用面部 三维立体照片显示。5. 根据权利要求1中所述的预测颂面外科手术后软组织容貌变化的计算机仿真方法， 其特征在于:所述步骤(5)中医患双方共同测量和确定变形后的软组织容貌，重复(3)，（4) 步骤直到医患双方一致。
【专利摘要】本发明涉及计算机辅助外科技术及颌面整形医疗设备领域，尤其涉及一种预测颌面外科手术后软组织容貌变化的计算机仿真方法，其特征在于包括术前对患者颌面部进行螺旋CT扫描、将数据导入颌面手术设计仿真软件-CMF-preCADS，重建三维颌骨、皮肤曲面模型、复位/移位骨断到初步位置、利用Geomagic软件对比验证术前预测模型与术后真实面容的相似度等步骤。术后的面部容貌和口颌系统功能均恢复良好，软组织外形对称、协调、美观，患者术后满意度达到95%以上，且整形术效果稳定，长期满意度也十分良好。
【IPC分类】G06T17/10
【公开号】CN105608741
【申请号】CN201510947477
【发明人】李鹏, 汤炜, 田卫东, 郭际香, 汤小东, 章毅, 刘磊, 龙洁
【申请人】四川大学
【公开日】2016年5月25日
【申请日】2015年12月17日