基于微笑表情幾何特征修飾的顏面贗復(fù)體優(yōu)化模型的構(gòu)建方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種顏面贗復(fù)體優(yōu)化模型的構(gòu)建方法，屬于機械工程和醫(yī)學(xué)工程技術(shù) 領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)逆向工程建模技術(shù)主要任務(wù)是完整幾何特征的再現(xiàn)和再設(shè)計，而非完備幾何 特征的測量數(shù)據(jù)建模技術(shù)側(cè)重于通過分析已知數(shù)據(jù)的信息特點，來推知缺損區(qū)域數(shù)據(jù)的信 息，最大限度地恢復(fù)缺損區(qū)原貌，在醫(yī)學(xué)工程、產(chǎn)品設(shè)計與制造、虛擬現(xiàn)實、人體測量、文物 保存等領(lǐng)域有很大的應(yīng)用發(fā)展?jié)摿?，已成為近年來的一個研宄熱點。特別是在顏面整形和 缺損修復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，據(jù)統(tǒng)計，我國每年因腫瘤、外傷、先天畸形等原因造成頒面部缺損發(fā)病 率為0.24%;而戰(zhàn)爭中，頒面部戰(zhàn)創(chuàng)傷高達全部戰(zhàn)傷的23%。利用非完備幾何特征的測 量數(shù)據(jù)建模技術(shù)，可以準確地構(gòu)建贗復(fù)體的三維設(shè)計模型。二十世紀九十年代以來，隨著多 種仿真贗復(fù)材料的研制成功，磁附著固位技術(shù)，種植體技術(shù)和力學(xué)分析系統(tǒng)的建立以及計 算機顏面贗復(fù)體輔助設(shè)計與制作系統(tǒng)的問世，顏面缺損的贗復(fù)已不再是簡單的缺損修復(fù)， 形態(tài)、色彩、質(zhì)感、功能仿真修復(fù)以及功能重建已成為顏面贗復(fù)的主要發(fā)展趨勢，頒面贗復(fù) 技術(shù)已被發(fā)達國家列為口腔修復(fù)學(xué)標志性技術(shù)。微笑作為人類所特有的一種復(fù)雜的面部表 情，是容貌美的一個重要組成部分。自然、和諧的微笑被認為是容貌美的集中動態(tài)體現(xiàn)，帶 有微笑表情的顏面形態(tài)贗復(fù)己成為顏面缺損治療的主要目標之一。
[0003] 顏面贗復(fù)體可分成對稱特征和非對稱特征兩種。對稱特征顏面贗復(fù)體：顏面的 中心對稱面可以用來將健康顏面的數(shù)據(jù)鏡像到缺損區(qū)。2009年加拿大布雷西亞大學(xué)的 Sansoni等在"3Dimagingacquisition,modeling,andprototypingforfacialdefects reconstruction"（ProceedingsofSPIEThreeDimensionalImagingMetrology 2009，SanJoseCA，2009:l-8) -文中采用鼻尖、額頭中及鼻梁標記點組成中心對稱面 進行人眼贗復(fù)，但標記點的可靠性將影響最終計算的結(jié)果。2010年意大利博洛尼亞大 學(xué)的Ciocca等在''Immediatefacialrehabilitationincancerpatientsusing CADCAMandrapidprototypingtechnology:apilotstudy"（SupportiveCarein Cancer, 2010, 18(6) :723-728) -文中使用通用逆向工程軟件Rapidform(Korea,INUSCo.) 來進行鏡像操作，但這些商用軟件界面設(shè)計復(fù)雜，為顏面缺損修復(fù)的醫(yī)生所不容易掌握。 對于非對稱特征顏面贗復(fù)體的修復(fù)，全鼻缺損是較常見的臨床病例。2009年意大利博洛尼 亞大學(xué)的Ciocca等在"CAD/CAMbilateralearprosthesesconstructionforTreacher Collinssyndromepatientsusinglaserscanningandrapidprototyping"(Computer MethodsinBiomechanicsandBiomedicalEngineering，2009， （1):1-8.)-文中使 用鼻手術(shù)前預(yù)先掃描的鼻數(shù)據(jù)來進行鼻贗復(fù)體的重建，但患者一般不保存手術(shù)前的三維 數(shù)據(jù)。2013 年博洛尼亞大學(xué)的M.Fantini等在"DesignandRapidManufacturingof anatomicalprosthesisforfacialrehabilitation"（InternationalJournalon InteractiveDesignandManufacturing(IJIDeM), 2013, 7 (1) : 51-62.) 一文中使用鼻數(shù) 據(jù)庫可以根據(jù)患者顏面形貌選擇合適的參考鼻。國內(nèi)學(xué)者也進行了相關(guān)的研宄。2010年 第四軍醫(yī)大學(xué)董巖博士在"漢族人外鼻三維形態(tài)數(shù)據(jù)庫的建立與應(yīng)用"（博士學(xué)位論文，第 四軍醫(yī)大學(xué)，2010.) -文中篩選現(xiàn)有CT數(shù)據(jù)分別建立了漢族人外鼻三維形態(tài)數(shù)據(jù)庫以滿 足計算機輔助設(shè)計鼻贗復(fù)體的需要。2010年中國協(xié)和醫(yī)科大學(xué)張晉光博士等在"三維形態(tài) 分析技術(shù)在半側(cè)顏面短小患者頭面部軟組織三維測量及外耳再造的研宄"（博士學(xué)位論文， 中國協(xié)和醫(yī)科大學(xué)，2010.) -文中運用三維形態(tài)分析技術(shù)進行了半側(cè)顏面短小患者頭面部 軟組織三維測量及外耳再造的研宄。2012年上海交通大學(xué)邱憬博士等在"頒面缺損結(jié)構(gòu) 光三維測量與螺旋CT掃描圖像的配準"（JournalofClinicalRehabilitativeTissue EngineeringResearch, 2010, 14(39).) -文中將螺旋CT掃描重建與三維打印快速成型技 術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于顏面缺損贗復(fù)。揚州大學(xué)孫進博士團隊對顏面部缺損的數(shù)據(jù)采集和處理技 術(shù)進行了深入的研宄，取得了一系列成果。其中2011年孫進博士的"基于三維視覺測量的 對稱特征顏面贗復(fù)體制備方法"（專利授權(quán)號：CN101292914B)和"基于三維視覺測量的非 對稱特征顏面贗復(fù)體制備方法"（專利授權(quán)號：CN101292915B)分別獲得國家發(fā)明專利。以 上的研宄考慮人體顏面的柔性以及表情變化還很少報道。2006年潘景光博士在"頒面缺損 結(jié)構(gòu)光三維測量與螺旋CT掃描圖像的配準"（博士學(xué)位論文，第四軍醫(yī)大學(xué)，2006.) -文中 對單側(cè)眶缺損患者進行結(jié)構(gòu)光掃描，在Geomagic軟件中對單側(cè)眶缺損患者的數(shù)字化模型 進行鏡像、變形構(gòu)建眼眶部贗復(fù)體。其中潘景光博士采用相位測量輪廓術(shù)對正常人面部微 笑表情狀態(tài)進行動態(tài)過程的三維測量，為重建微笑表情的面部三維數(shù)字化模型進行了初步 的研宄。由此可見，目前國內(nèi)外的研宄更多地專注于贗復(fù)體基本形狀的修復(fù)，而距離融合表 情修飾的顏面形態(tài)贗復(fù)也還有相當長的距離。
[0004] 由于人體顏面組織通常表現(xiàn)為準不可壓縮性、非線性-塑性-粘彈性等生物力學(xué) 特性，特別是受表情的影響，在運動過程中會產(chǎn)生變形。人是一個活動的組織，在采集三維 掃描和捕捉過程中不可能始終保持表情不變，而根據(jù)單一瞬間的顏面數(shù)據(jù)處理得到的贗復(fù) 體模型往往不夠生動，顯得呆板。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺陷，本發(fā)明采用先進的數(shù)字技術(shù)，提供一種基于微 笑表情幾何特征修飾的顏面贗復(fù)體優(yōu)化模型的構(gòu)建方法，該方法能夠提高贗復(fù)體的仿真效 果。
[0006] 本發(fā)明的人目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，基于微笑表情幾何特征修飾的顏面 贗復(fù)體優(yōu)化模型的構(gòu)建方法，包括以下步驟：
[0007] 1)基于數(shù)據(jù)融合的顏面贗復(fù)體基礎(chǔ)模型的構(gòu)建；
[0008] 2)基于微笑表情幾何特征修飾的缺損區(qū)3D數(shù)據(jù)的重建；
[0009] 3)基于非剛性對齊的顏面贗復(fù)體優(yōu)化模型的構(gòu)建。
[0010] 優(yōu)選的，所述步驟（1)中的基于面數(shù)據(jù)與體數(shù)據(jù)融合是指顏面表層數(shù)據(jù)與凹坑 (或有遮擋）的區(qū)域體數(shù)據(jù)的基于薄板樣條的非剛性對齊，其中前者由面結(jié)構(gòu)光掃描儀所 米集，后者為CT掃描儀所米集；
[0011] 其中所述面結(jié)構(gòu)光掃描儀采集的顏面表層數(shù)據(jù)的方法是指對于不同視角采集的 深度圖像，通過基于柵格結(jié)構(gòu)探測環(huán)進而實現(xiàn)基于環(huán)的多視圖深度圖像對齊、基于空間等 間隔劃分的方法來消除重疊區(qū)域、采用體素融合的方法消除孔洞構(gòu)建顏面表層數(shù)據(jù)；
[0012] 所述CT掃描儀采集的凹坑或有遮擋的區(qū)域數(shù)據(jù)的方法是指利用基于截面閾值的 區(qū)域增長法實現(xiàn)CT體數(shù)據(jù)重構(gòu)。
[0013] 優(yōu)選的，所述步驟（2)中的缺損區(qū)3D數(shù)據(jù)的重建方法為：
[0014] (1)所述面結(jié)構(gòu)光掃描儀采集的顏面表層數(shù)據(jù)進行投影獲取到2D圖像集合；
[0015] (2)構(gòu)建帶有微笑表情幾何特征修飾的缺損區(qū)3D數(shù)據(jù)：選擇帶有微笑表情的