专利名称：基于三维视觉测量的对称特征颜面赝复体制备方法
技术领域：
本发明涉及一种颜面赝复体制备方法，特别是一种将非接触三维视觉测量、 反求工程及快速成型的集成技术用于颜面修复的基于三维视觉测量的对称特征 颜面赝复体制备方法，属于机械工程和医学工程技术领域。
背景技术：
由于颌面器官的特殊解剖形态、组织结构及其他影响因素，颜面大面积缺 损通过外科手术方法有时无法达到满意的修复效果，目前采取赝复体进行治疗 在整个颜面缺损治疗方法中占有相当大的比例。然而，近几十年来，颜面赝复 体的制作技术一直停留在传统的印模制取和技师手工雕刻阶段，即采用各类印 模材料取得患者的缺损区的缺损状况，翻制模型后，再由技师凭经验进行手工 的蜡形雕刻，充填后完成。这种传统的方法存在一些缺点印模材料会对组织 产生一定的刺激性，并可能引起软组织移位，造成模型偏差；传统的技工操作 方法存在制作工艺复杂、制作周期长、美学效果差等一系列问题，赝复体的制 作很大程度上要依赖于技师的个人美术方面的能力；另外，传统方法在赝复体 的定位，与组织面贴合，边缘处理，以及形态学上都存在欠缺。
随着计算机技术的发展，计算机辅助设计和制造(CAD/CAM)、反求工程(RE)、 快速原型(RP)等新技术应用于颜面缺损的赝复领域。这种方法替代了原来的取 模方法而获得精确的缺损区信息；显著提高了赝复体的制作效率和仿真质量； 同时简化了手工制作过程，减少了技师工作强度；促进了医患之间的交流，使 术前的预测形象更具体，已成为赝复体设计制作的发展方向。国内外学者尝试 各种不同方法进行颜面赝复体制作，但都存在不同程度的缺陷。在获取缺损颜 面数据方面，目前使用的方法有1、 CT、MRI，其存在的缺点是空间分辨 率低、测量精度差，尤其对软组织的重建有一定的欠缺；CT和MRI扫描时的放 射线对人体有一定损害，且测量方法获取数据时间长，临床使用的成本高；2、激光扫描技术，其存在的缺点是测量速度较慢，无法满足测量过程中人体姿 态和表情变化对测量快捷性的要求；激光光源对人眼潜在的伤害，都限制了该 种方法在人体测量及面部整修中的应用。已有技术中，日本的Tsutsumi在 "A CAD/CAM technique for fabricating facial prostheses: a preliminary report" (International Journal of Prosthodont.1997. Sep-Oct,10(5): 467-472) —文中将CAD/CAM技术应用于颜面缺损修复治疗，他使用激光扫描仪 获取缺损面部的三维形态数据，经过数据处理和几何重构后得到缺损处的CAD 模型，再利用平板印刷方法建造出赝复体的树脂原型；日本的MitsuhiroTsuji 在"Fabrication of a maxillofacial prosthesis using a computer-aided design and manufacturing system" (Journal of Prosthodontics，Vol 13，No 3(S印tember)，2004: 179-183)—文中，通过类似技术方法制作了缺损眼眶部位 的赝复体；国内第四军医大学潘景光、吴国锋在"三维重建单侧眼眶部缺损的 面部数字化模型"(口腔颌面修复杂志，2005年11月第6巻第4期)一文中，采 用线结构光技术，对单侧眼眶部缺损患者面部进行活体检测，重建睁眼状态的缺 损面部三维数字化模型；上海第九人民医院黄雪梅在"Fabricating auricular prostheses based on r邻id prototyping and the Free Form modelling system ，， (the International Journal of Advanced Manufacturing Technology ， (2004) 24: 873 - 878)—文中，采用患者CT数据进行了单侧耳缺 损CAD/CAM技术修复。但这些研究均处于探索阶段，如在制作单侧眼眶部缺损 的赝复体方面，获取完好眼睚的镜像所需镜面使用的方法是使用手工选取额 头，鼻尖等点构成镜面，这样得到的眼眶镜像误差就比较大。因此整个颜面缺 损修复系统仍存在一定的空白，离临床应用也还有相当长的距离。
发明内容
为了克服现有技术的不足和缺陷，本发明采用先进的数字技术，提供一种 将非接触三维视觉测量、反求工程及快速成型的集成技术用于个性化面部对称 特征颜面赝复体制备方法，适用于对称特征颜面一方缺损一方完好的受损部分
赝复体的制备，包括单侧眼眶部缺损、单侧颞窝缺损、单侧颅面部缺损、单 侧上下颌面缺损、单侧耳部缺损、单侧鼻缺损。本发明是通过下述技术方案实 现的本发明包括以下步骤
1) 采用双单目三维测量系统获取患者面部外形的多视图点云数据；
2) 对点云数据进行预处理，包括点云无用点去除、对多视图点云进行拼合、 重采样、坐标归一化，得到一个完整的患者颜面测量部位的点云数据；
3) 赝复面建模在患者颜面测量部位点云数据的基础上构建其三角面片； 找到最优镜面；将相应的完好部位沿最优镜面镜像到缺损部位；在进行与周边 三角面片光顺后提取出所需的赝复面，同时制作出定位靠模面；
4) 赝复面和定位靠模面分别拉伸成一定厚度的赝复面片和定位靠模面片数 据，并以快速成型格式文件(stl)输出；
5) 利用选择性激光烧结快速成型机做出赝复面片，然后将赝复面片与患者 面部修配，修整缺损区边缘细节，浸蜡修改缺损区皮纹,在缺损区制作固位体和 支架部分，使用定位靠模面片进行定位，制造赝复体快速模具；
6) 按照患者的肤色配置医用硅胶，装入赝复体快速模具，在真空复模机中 翻制赝复体。
本发明的有益效果是
1) 提高了赝复体的制作效率和仿真效果，縮短了生产周期；
2) 由于采用新型算法获取最优镜面，提高了制作精度，减少了手工选取镜面 所带来的误差；同时极大地减少了手工制作工作量；
3) 由于能在计算机上演示效果，促进了医患之间的交流，使术前的预测形象 更具体。
图l本发明对称特征颜面赝复体制备方法流程图；
具体实施例方式
下面结合附图和人眼赝复体的制备对本发明的具体实施作进一步描述
如图1所示，本发明包括下述步骤
1) 采用双单目三维测量系统获取患者面部外形的多视图点云数据；
2) 点云数据的预处理包括点云无用点去除、多视图配准、重采样、坐标 归一化。首先去除点云无用点，然后对多视图点云数据进行拼合，最终融合为一 个点云，在进行均匀采样后保存；3)赝复面建模在患者颜面测量部位点云数据的基础上构建其三角面片； 找到最优镜面；将相应的完好眼部沿最优镜面镜像到缺损眼部；在进行与周边 三角面片光顺后提取出所需的赝复面，同时制作出定位靠模面；
3. 1在患者颜面测量部位点云数据的基础上构建其三角面片『(P，G);
3.2使用最近点迭代算法(ICP)来对脸部三角面片『(P，g)与其镜像面片
『 ，2m )优化拼合找出最优镜面；
设『(p,e)为脸部三角面片，p为W个点位置集，^HpW力^《1&、W 2是包含顶点邻域信息的单纯复形，点云顶点"0^， q是『(^^)的质心
通过求出点云顶点v分布的协方差矩阵c:l;(y-Q)(y-o,f的特征值
4 ^;^ 2;i3及相应的特征向量^，a,a可以确定脸部最小二乘拟合平面的法向
方向^和竖直方向^，以q为原点，^为Y轴，"3为Z轴，可以定义一个右手坐 标系统iVCS ,我们将『CP,0从原始坐标系统转移到M7S ,以7VGS的YZ面为初 始镜面M。，获取脸部三角面片的初始镜像面片『 (&,2m) ， &为W个 点的位置集&={/^(1 ')}￡及3, 1SKAS 0 是包含顶点邻域信息的单纯 复形。
据常理可知，对称面通过质心，得到的初始镜面与对称面很接近，但不精确， 为改善这种情况，使用最近点迭代算法(ICP)来对脸部三角面片『(A2)与其 镜像面片『J^,^J优化拼合
a) 给定两个三角面片q,&，对于q上的每个点，计算q上与之对应的最
近点；
b) 对于刚体变换，最近点对的距离均方差为最小；
c) 当最近点对的距离均方差小于某一阈值停止迭代，否则返回a)
由于脸部三角面片的边界不规则，直接使用ICP会导致『 (尸 ，2 )与『(户,0)误拼合，但如果仅从『JA,gJ中取样确保K^，OJ与『(尸,0的子 集进行拼合,ICP算法有很好的表现。考虑到在人的面部区域中鼻区的几何特征 最具健壮性,则从『J&,^J中取样就选取鼻区部分。
当^(^,2 )与『(尸,0拼合，『OP，0中的点位置固定不变，K&,2J 位置变化为『:(《，^J: p!^i .(乂-r)u人i,2,…,iv， ^为旋转矩阵，r为平 移矩阵。将拼合后的的点与《(《，")上镜像点连线的中点 户=|(, + y:)拟合成最小二乘平面，这就是最优镜面M 。
3.3将相应的完好眼部沿最优镜面镜像到缺损眼部；在进行与周边三角面 片光顺后提取出所需的赝复面，同时制作出定位靠模面；
4) 赝复面和定位靠模面分别拉伸成厚度为2mm的赝复面片和定位靠模面片 数据，以快速成型格式文件(stl)输出；
5) 利用选择性激光烧结快速成型机做出赝复面片，然后将赝复面片与患者 面部修配，修整眼睑边缘细节，浸蜡修改眼部皮纹，在缺损区制作固位体和支 架部分，定位靠模面片定位眼片，制造眼部赝复体快速模具；
6) 按照患者的肤色配置医用硅胶，装入眼部赝复体快速模具，在真空复模 机中翻制眼部赝复体。
权利要求
1一种基于三维视觉测量的对称特征颜面赝复体制备方法，其特征在于本发明的制备方法包括下述步骤1)采用双单目三维测量系统获取患者面部外形的多视图点云数据；2)对点云数据进行预处理，包括点云无用点去除、对多视图点云进行拼合、重采样、坐标归一化，得到一个完整的患者颜面测量部位的点云数据；3)赝复面建模在患者颜面测量部位点云数据的基础上构建其三角面片，使用最近点迭代算法(ICP)来对脸部三角面片与其镜像面片优化拼合找出最优镜面，将相应的完好部位沿最优镜面镜像到缺损部位，在进行与周边三角面片光顺后提取出所需的赝复面，同时制作出定位靠模面；4)赝复面和定位靠模面分别拉伸成一定厚度的赝复面片和定位靠模面片数据，并以快速成型格式文件输出；5)利用选择激光烧结快速成型机做出赝复面片，然后将赝复面片与患者面部修配，修整缺损区边缘细节，浸蜡修改缺损区皮纹，在缺损区制作固位体和支架部分，定位靠模面片定位眼片，制造赝复体快速模具；6)按照患者的肤色配置医用硅胶，装入赝复体快速模具，在真空复模机中翻制赝复体。
2.根据权利要求1所述的基于三维视觉测量的对称特征颜面赝复体制备方法,其 特征是所述的步骤3中的最优镜面M通过下述方法获得1) 以脸部最小二乘拟合平面的法向方向％和竖直方向"3构成初始镜面2) 通过初始镜面M。镜像，获取脸部三角面片『(户,0的初始镜像面片3) 从K&,gJ中取样鼻区部分与『(尸,0拼合，『(户,0中的点位置固 定不变，『J^,2J位置发生变化为『j《,g;j;4) 将拼合后的『(p， 0的点与『:(a , gm)上镜像点连线的中点拟合成最小 二乘平面，这就是最优镜面^。
3.根据权利要求1所述的基于三维视觉测量的对称特征颜面赝复体制备方法，其特征是所述的步骤4中赝复面片和定位靠模面片的厚度为2皿。
全文摘要
基于三维视觉测量的对称特征颜面赝复体制备方法，属于机械工程和医学工程技术领域。本发明根据患者颜面测量部位点云数据构建脸部三角面片；通过初始镜面的镜像获取它的初始镜像面，经优化拼合获取最优镜面；然后将相应的完好部位沿最优镜面镜像到缺损部位，与周边三角面片光顺后提取出所需的赝复面，同时制作出定位靠模面；将赝复面和定位靠模面分别拉伸成一定厚度的赝复面片和定位靠模面片数据，并利用选择性激光烧结快速成型机做出赝复面片和定位靠模面片；将赝复面片与患者面部修配，制造赝复体快速模具；在真空复模机中翻制出医用硅胶赝复体。本发明方法可获得精确的缺损区信息，显著提高了赝复体的制作效率和制作精度。
文档编号G06F17/50GK101292914SQ200810038840
公开日2008年10月29日 申请日期2008年6月12日 优先权日2008年6月12日
发明者习俊通, 进 孙, 张富强, 熊耀阳, 陈晓波 申请人:上海交通大学