一种鼻子再造术前数字化模板的制作方法与流程

本发明涉及医疗器材制备技术领域，具体地，涉及一种鼻子再造术前数字化模板的制作方法。

背景技术：

在准备全鼻修复手术时，且在剪裁表皮(通常取自患者的额瓣)、继而“重建”鼻子前，医生需要估量修复所需要的皮肤的大小和形状。当取皮方案确定后，通常会首先制作一个裁皮模板，用于在手术中辅助剪裁皮肤,皮肤剪裁的大小与形状等是否合适、精确，会直接影响鼻子重建的最终效果。

现有术前制作裁皮模板的制作方法是：医生通常先依据患者鼻子的形状信息(例如患者及其亲友口述，和/或患者之前的平面照片)和自己的经验来确定模板的形状(即所谓“三叶草”形状)、大小，然后采用石蜡制作3D鼻子模具，或者进一步使用光学成像设备获取三维鼻子信息，再然后使用3D石蜡模具或相应的三维鼻子信息制作塑胶模具，最终将塑胶模具剪开、展平，比对形状，剪裁锡箔纸，得到裁皮模板。这种传统制备方法存在如下问题：(1)需要多个专业的人员协同工作，如蜡像师；(2)过程复杂，耗时；(3)材料、设备也受到限制。

技术实现要素：

针对前述现有技术的问题，本发明提供了一种鼻子再造术前数字化模板的制作方法，可以通过数据降维处理将三维的鼻子表面展开为二维平面，从而无需多个专业人员的协同工作，可以便捷和快速地得到可作为裁皮模板的数字化模板，同时大幅度的减少了材料和设备的应用，可降低制作成本，便于实际推广和应用。

本发明采用的技术方案，提供了一种鼻子再造术前数字化模板的制作方法，包括如下步骤：S101.确定目标鼻子，获取目标鼻子全鼻表面的3D表征数据，所述3D表征数据包含3D三角形面片网格的顶点坐标及顶点间的距离；S102.对所述3D表征数据进行数据降维处理，获取所述目标鼻子全鼻表面的2D表征数据，所述2D表征数据包含2D三角形面片网格的顶点坐标及顶点间的距离，其中，所述2D三角形面片网格的顶点与所述3D三角形面片网格的顶点一一对应；S103.以所述2D三角形面片网格的二维边界作为数字化模板的边界，制作数字化模板。

优化的，在所述步骤S102中，包括如下步骤：S201.针对所述3D三角形面片网格的顶点集X＝{x1,x2,…,xN}和所述2D三角形面片网格的顶点集Y＝{y1,y2,…,yN}，其中，顶点xk与顶点yk对应，k∈{1,2,…,N},N为所述顶点集X中的顶点总数，建立如下优化问题：

式中，||ym-yn||为顶点对(ym,yn)之间的欧几里得距离，||xm-xn||为顶点对(xm,xn)之间的欧几里得距离，m,n∈{1,2,…,N}，为所有顶点对(ym,yn)的最大化点间距离的平方和公式，为所有顶点yk的平移自由度之和，在顶点对(ym,yn)之间需要保持对应顶点对(xm,xn)之间的欧几里得距离时,e(m,n)＝1，否则e(m,n)＝0；S202.将所述优化问题转化为半正定规划问题，然后应用半正定规划的工具箱求得半正定对称矩阵G^*；S203.将所述半正定对称矩阵G^*展开如下：

G^*＝PΛP^T(Λ＝diag{λ1,λ2,…,λN},P＝[v1,v2,…,vN])

式中，{λ1,λ2,…,λN}中的元素从大到小依次排列，则得到所述半正定对称矩阵G*中各个元素S204.按照如下公式获取各个顶点yk的坐标优化解

进一步优化的，在所述步骤S201中，判断在顶点对(ym,yn)之间是否需要保持对应顶点对(xm,xn)之间的欧几里得距离的方法包括如下步骤：当顶点对(xm,xn)为相邻顶点且顶点xm周围的三角形面积均值小于第一阈值时，则判定在顶点对(ym,yn)之间需要保持对应顶点对(xm,xn)之间的欧几里得距离，否则判定在顶点对(ym,yn)之间不需要保持对应顶点对(xm,xn)之间的欧几里得距离。详细优化的，所述第一阈值可以但不限于为在所述3D三角形面片网格中，所有三角形面积的均值与方差之和。

优化的，在所述步骤S101中，还包括如下步骤：S301.使用光学扫描仪器采集患者的第一3D面部表征数据；S302.将所述第一3D面部表征数据与数据库中的第二3D面部表征数据进行脸型匹配，将脸型最匹配的第二3D面部表征数据中的鼻子作为目标鼻子，然后提取出目标鼻子全鼻表面的3D表征数据。

进一步优化的，在所述步骤S302中，将所述第一3D面部表征数据与数据库中的第二3D面部表征数据进行脸型匹配的方法包括如下步骤：采用配准算法将所述第一3D面部数据与数据库中所有的第二3D面部数据进行脸型匹配，分别计算出对应的脸型匹配相似度，然后将与最高脸型匹配相似度相对应的第二3D面部表征数据作为脸型最匹配的第二3D面部表征数据。详细优化的，所述配准算法采用最近点迭代配准算法。

优化的，在所述步骤S103中，包括如下步骤：将所述2D三角形面片网格的二维边界打印在纸上，然后将纸附着在裁皮原板上，最后按照纸上的图形边界对所述裁皮原板进行剪裁，得到数字化模板。

优化的，在所述步骤S101之后，还包括如下步骤：根据目标鼻子全鼻表面的3D表征数据，采用3D打印机打印出鼻子模型；在所述步骤S103之后，还包括如下步骤：将得到的所述数字化模板与所述鼻子模型进行贴合，校验是否尺寸匹配，若尺寸不匹配，则根据尺寸匹配结果，对所述2D三角形面片网格的二维边界进行缩放，然后重新执行步骤S103。

优化的，所述数字化模板为铝箔纸模板或锡箔纸模板。

综上，采用本发明所提供的一种鼻子再造术前数字化模板的制作方法，具有如下有益效果：(1)可以通过数据降维处理将三维的鼻子表面展开为二维平面，从而无需多个专业人员的协同工作，可以便捷和快速地得到可作为裁皮模板的数字化模板；(2)大幅度的减少了材料和设备的应用，可降低制作成本，便于实际推广和应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的鼻子再造术前数字化模板的制作方法的流程示意图。

图2是本发明提供的展示目标鼻子3D表征数据的示意图。

图3是本发明提供的展示目标鼻子2D表征数据的示意图。

图4是本发明提供的展示3D面部表征数据的示意图。

具体实施方式

以下将参照附图，通过实施例方式详细地描述本发明提供的鼻子再造术前数字化模板的制作方法。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。

本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况，本文中术语“/和”是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A/和B，可以表示：单独存在A，单独存在A和B两种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。

实施例一

图1示出了本发明提供的鼻子再造术前数字化模板的制作方法的流程示意图，图2示出了本发明提供的展示目标鼻子3D表征数据的示意图，图3示出了本发明提供的展示目标鼻子2D表征数据的示意图，图4示出了本发明提供的展示3D面部表征数据的示意图。本实施例提供的所述鼻子再造术前数字化模板的制作方法，包括步骤如下。

S101.确定目标鼻子，获取目标鼻子全鼻表面的3D表征数据，所述3D表征数据包含3D三角形面片网格的顶点坐标及顶点间的距离。

如图2所示的目标鼻子3D表征数据的展示示意图。在所述步骤S101中，优化的，还包括如下步骤：S301.使用光学扫描仪器采集患者的第一3D面部表征数据；S302.将所述第一3D面部表征数据与数据库中的第二3D面部表征数据进行脸型匹配，将脸型最匹配的第二3D面部表征数据中的鼻子作为目标鼻子，然后提取出目标鼻子全鼻表面的3D表征数据。

在步骤S301中，所述第一3D面部表征数据的形式与所述全鼻表面的3D表征数据一致，包含针对人脸面部的3D三角形面片网格的顶点坐标及顶点间的距离，其展示效果如图4所示，可以通过所述光学扫描仪器直接获取。所述光学扫描仪器可以但不限于为三维扫描仪等设备。在所述步骤S302中，将所述第一3D面部表征数据与数据库中的第二3D面部表征数据进行脸型匹配的方法包括如下步骤：采用配准算法将所述第一3D面部数据与数据库中所有的第二3D面部数据进行脸型匹配，分别计算出对应的脸型匹配相似度，然后将与最高脸型匹配相似度相对应的第二3D面部表征数据作为脸型最匹配的第二3D面部表征数据。所述第二3D面部表征数据的形式与所述第一3D面部表征数据同样一致，包含针对人脸面部的3D三角形面片网格的顶点坐标及顶点间的距离，其展示效果也如图4所示。详细优化的，所述配准算法可以但不限于为采用最近点迭代(Iterative Closest Point,ICP)配准算法。

此外，在所述步骤S101之后，还包括如下步骤：根据目标鼻子全鼻表面的3D表征数据，采用3D打印机打印出鼻子模型。以便后续采用所述鼻子模型对得到的数字化模板进行尺寸匹配校验。

S102.对所述3D表征数据进行数据降维处理，获取所述目标鼻子全鼻表面的2D表征数据，所述2D表征数据包含2D三角形面片网格的顶点坐标及顶点间的距离，其中，所述2D三角形面片网格的顶点与所述3D三角形面片网格的顶点一一对应。

在步骤S102中，数据降维是一种将数据由高维表达转为“某种有意义的”低维表达的变换方法(“意义”由具体数据与其应用背景决定)，其出发点在于，多数情况下，数据的“主要变化”(或称为本征属性)通常只由有限的几个参数决定(其远远小于数据原始表达的维度)。作为举例的，在本实施例的所述步骤S102中，采用基于半正定规划的方法进行数据降维处理，其包括如下步骤：S201.针对所述3D三角形面片网格的顶点集X＝{x1,x2,…,xN}和所述2D三角形面片网格的顶点集Y＝{y1,y2,…,yN}，其中，顶点xk与顶点yk对应，k∈{1,2，…,N},N为所述顶点集X中的顶点总数，建立如下优化问题：

式中，||ym-yn||为顶点对(ym,yn)之间的欧几里得距离，||xm-xn||为顶点对(xm,xn)之间的欧几里得距离，m,n∈{1,2,…,N}，为所有顶点对(ym,yn)的最大化点间距离的平方和公式，为所有顶点yk的平移自由度之和，在顶点对(ym,yn)之间需要保持对应顶点对(xm,xn)之间的欧几里得距离时,e(m,n)＝1，否则e(m,n)＝0；S202.将所述优化问题转化为半正定规划问题，然后应用半正定规划的工具箱求得半正定对称矩阵G^*；S203.将所述半正定对称矩阵G^*展开如下：

G^*＝PΛP^T(Λ＝diag{λ1,λ2,…,λN},P＝[v1,v2,…,vN])

式中，{λ1,λ2,…,λN}中的元素从大到小依次排列，则得到所述半正定对称矩阵G*中各个元素S204.按照如下公式获取各个顶点yk的坐标优化解

所述步骤S201至S204中所述优化问题的建立思路是：在局部约束条件下，进行最大化的三角形面片网格全局展开，其中，为第一约束条件，用于去除优化解的平移自由度，获得单一最优解；e(m,n)·||xm-xn||＝e(m,n)·||ym-yn||为第二约束条件，用于在三角形面片网格全局展开后，保持三角形面片网格中各顶点间的拓扑结构(即连接关系)不变，得到预期的2D表征数据，如图3所示。此外，所述步骤S202至S204记载的推导计算过程为现有技术，于此不再详述。

进一步优化的，在所述步骤S201中，判断在顶点对(ym,yn)之间是否需要保持对应顶点对(xm,xn)之间的欧几里得距离的方法包括如下步骤：当顶点对(xm,xn)为相邻顶点且顶点xm周围的三角形面积均值小于第一阈值时，则判定在顶点对(ym,yn)之间需要保持对应顶点对(xm,xn)之间的欧几里得距离，否则判定在顶点对(ym,yn)之间不需要保持对应顶点对(xm,xn)之间的欧几里得距离。详细优化的，所述第一阈值可以但不限于为在所述3D三角形面片网格中，所有三角形面积的均值与方差之和。

S103.以所述2D三角形面片网格的二维边界作为数字化模板的边界，制作数字化模板

在步骤S103中，优化的，包括如下步骤：将所述2D三角形面片网格的二维边界打印在纸上，然后将纸附着在裁皮原板上，最后按照纸上的图形边界对所述裁皮原板进行剪裁，得到数字化模板。所述数字化模板可以但不限于为铝箔纸模板或锡箔纸模板。

在所述步骤S105之后，还包括如下步骤：将得到的所述数字化模板与所述鼻子模型进行贴合，校验是否尺寸匹配，若尺寸不匹配，则根据尺寸匹配结果，对所述2D三角形面片网格的二维边界进行缩放，然后重新执行步骤S103。

综上，本实施例所提供的鼻子再造术前数字化模板的制作方法，具有如下技术效果：(1)可以通过数据降维处理将三维的鼻子表面展开为二维平面，从而无需多个专业人员的协同工作，可以便捷和快速地得到可作为裁皮模板的数字化模板；(2)大幅度的减少了材料和设备的应用，可降低制作成本，便于实际推广和应用。

如上所述，可较好地实现本发明。对于本领域的技术人员而言，根据本发明的教导，设计出不同形式的鼻子再造术前数字化模板的制作方法并不需要创造性的劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行变化、修改、替换、整合和变型仍落入本发明的保护范围内。