基于逆向工程技術(shù)的體表器官仿真修復(fù)重建研究.pdf

1、本研究借鑒工業(yè)領(lǐng)域逆向工程思想的先進(jìn)技術(shù)，建立體表快速立體成像、手術(shù)仿真模擬設(shè)計(jì)、療效客觀評(píng)價(jià)系統(tǒng)，以期為體表組織器官修復(fù)重建提供一種全新的治療模式，達(dá)到個(gè)性化治療的目的。主要研究內(nèi)容如下： 1.人體體表組織器官的三維數(shù)據(jù)采集。高效、高精度地實(shí)現(xiàn)被測對(duì)象的三維數(shù)據(jù)獲取，是逆向工程的第一環(huán)節(jié)，也是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)模擬的基礎(chǔ)?；谙辔黄茰y量原理的莫爾條紋測量方法解決了傳統(tǒng)測量方法不適合采集活體表面三維數(shù)據(jù)采集的問題。應(yīng)用CT掃描

2、獲取器官內(nèi)部結(jié)構(gòu)的二維圖像信息，用數(shù)學(xué)方法經(jīng)過電子計(jì)算機(jī)處理而重建斷層截面圖象，根據(jù)不同位置的斷層圖像建立被測器官的三維信息。這兩種方法相互補(bǔ)充，可以根據(jù)不同需求分別獲取器官表面或內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維數(shù)據(jù)信息，充分滿足器官再造的需求。 2.數(shù)據(jù)預(yù)處理。針對(duì)相位偏移測量原理采集的人體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理主要包括濾波和拼接。結(jié)合人體數(shù)據(jù)的自身特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了矩形窗口加權(quán)中值濾波器，使用濾波器可以以較高的精度剔出大部分噪聲數(shù)據(jù)。 3.構(gòu)建

3、三維曲面模型。將經(jīng)預(yù)處理后的一組點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入逆向工程軟件，通過對(duì)多視點(diǎn)云的拼接擬合，融合構(gòu)建成為三角面片組成的曲面；再將構(gòu)成曲面進(jìn)行補(bǔ)洞、平滑、細(xì)分、曲面擬合、曲面光順等處理，構(gòu)建精確完整的數(shù)字化曲面模型。應(yīng)用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件和三維重建軟件完成了基于DICOM標(biāo)準(zhǔn)的CT圖像數(shù)據(jù)采集和三維重建，獲得了顱骨模型的三維數(shù)字化曲面模型。 4.制作三維實(shí)體模型。將三維數(shù)字化曲面模型轉(zhuǎn)換為STL格式后輸入到激光快速成型機(jī)，制造出三維實(shí)體模型。實(shí)

4、體模型能夠精確地復(fù)制和再現(xiàn)被測對(duì)象的形貌狀態(tài)，直觀、詳盡的表達(dá)解剖結(jié)構(gòu)和周圍關(guān)系。對(duì)于復(fù)雜病例，手術(shù)前可以在三維實(shí)體模型上進(jìn)行手術(shù)模擬。 5.精度和誤差分析。對(duì)精度的追求是逆向工程技術(shù)在人體體表器官仿真修復(fù)重建中應(yīng)用的首要目標(biāo)。本研究通過對(duì)人體器官相應(yīng)三維形貌信息進(jìn)行傳統(tǒng)方法測量和計(jì)算機(jī)輔助測量，驗(yàn)證構(gòu)建的三維數(shù)字化模型和三維實(shí)體模型的精度均小于0.2mm，能夠滿足臨床應(yīng)用的要求。 6.臨床應(yīng)用研究。本研究分別對(duì)顏面部軟

5、組織畸形、小耳畸形、顱骨缺損以及乳房整形進(jìn)行了臨床應(yīng)用研究。 (1)在逆向工程軟件中對(duì)三維數(shù)字模型人工交互曲面變形方法或鏡像模擬法設(shè)計(jì)手術(shù)后效果，并測量分析出需要整形修復(fù)的量化數(shù)據(jù)，為手術(shù)提供參考。 (2)應(yīng)用快速原型技術(shù)，制作正常的實(shí)體模型，為手術(shù)前設(shè)計(jì)和手術(shù)中修復(fù)重建提供直觀的參考。 (3)應(yīng)用CAD軟件分析缺損和畸形部位，設(shè)計(jì)植入體的三維數(shù)字模型，應(yīng)用數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)出與缺損或畸形部位完全契合的個(gè)性化植入體，無

6、需再在手術(shù)臺(tái)上對(duì)植入體進(jìn)行裁剪、塑形，縮短手術(shù)時(shí)間，降低手術(shù)難度，提高手術(shù)安全性。 (4)將患者手術(shù)前、手術(shù)模擬和手術(shù)后的三維數(shù)字模型應(yīng)用逆向工程軟件進(jìn)行配準(zhǔn)、分析，驗(yàn)證手術(shù)效果和手術(shù)設(shè)計(jì)方案的實(shí)現(xiàn)程度。 (5)將患者手術(shù)后的顏面部數(shù)字化曲面模型和模擬的手術(shù)后曲面模型導(dǎo)入逆向工程軟件，進(jìn)行配準(zhǔn)比較，驗(yàn)證手術(shù)設(shè)計(jì)方案的實(shí)現(xiàn)程度。 課題引入逆向工程思想的先進(jìn)知識(shí)，建立了體表快速立體成像、手術(shù)仿真模擬設(shè)計(jì)、療效客觀評(píng)價(jià)

7、系統(tǒng)。經(jīng)精度驗(yàn)證完全可以滿足臨床需求。通過試驗(yàn)研究和臨床應(yīng)用研究驗(yàn)證了該系統(tǒng)在體表組織器官仿真修復(fù)重建中的可行性，獲得了良好的手術(shù)效果。但是本研究尚未能建立成為一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)行手術(shù)預(yù)測和模擬時(shí)還比較復(fù)雜。此外，器官再造手術(shù)前后組織的形態(tài)變化是手術(shù)精確化的重大障礙，手術(shù)前模擬以及模型外科都是將組織器官認(rèn)為是剛性結(jié)構(gòu)，預(yù)測不夠精確。在進(jìn)一步地研究中我們要將現(xiàn)有的系統(tǒng)和程序結(jié)合起來，并構(gòu)建人體體表器官的三維數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)自動(dòng)分析程序，