CN103678847A - 皮肤软组织扩张辅助系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种皮肤软组织扩张辅助系统，包括二维显示模块，三维重建模块，扩张模拟模块和效果模拟模块。二维显示模块用于显示医学图像，三维重建模块根据医学图像重建患者三维模型，扩张模拟模块根据三维模型计算患者患处面积，模拟扩张效果，确定扩张方案，最后由效果模拟模块输出术后效果图。采用本发明的辅助系统，有利于为患者选取最佳的扩张方案，不会造成扩增皮肤不够或过多的情况，减少患者的痛苦。

Description

皮肤软组织扩张辅助系统

技术领域

本发明属于整形整容技术领域，尤其涉及一种皮肤软组织扩张辅助系统。

背景技术

皮肤是人体最大的器官，重量约占体重的16%，具有保护机体、抵抗外界侵害、排泄废物、分泌、吸收、调节体温等多种功能。但是现实生活和生产经营活动中，多种原因可导致皮肤缺损，如:先天性畸形、创伤、肿瘤等，另外各种类型的秃发以及疤痕的修复也需要正常皮肤组织的重新覆盖，因此如何促进皮肤生理性修复以及如何进行皮肤软组织再生与功能重建具有重要意义。

皮肤软组织扩张术（tissue expansion）是继皮肤移植术(植皮术)和皮瓣转移术之后整形外科发展起来的又一项最基本的组织修复技术。美国Georgetown医学院的整形外科医师ChadomirRodovan是最具创造力的先驱之一，976年1月26日，他在华盛顿的Veteran’s Administration hospital实施了他本人的第一例扩张器置入手术；其后，他将皮肤扩张术应用于乳腺癌术后患者的乳房再造。通过众多医生学者的共同努力，皮肤软组织扩张术终于成为一项重要的外科治疗手段，已广泛应用于整形外科、美容外科、修复重建外科等诸多领域。

但是皮肤软组织扩张术需要根据待修复的部位、形态、病变范围的变化，精确地预判所需皮肤软组织扩张器的形状、大小以及放置的部位和数量，评估扩张后的软组织量、预计手术方式和手术效果是手术能否成功的关键。由于皮肤软组织是具有各向异性、非线性、粘弹性等生物力学特性的生物活性组织，同时扩张器取出后皮瓣的舒平涉及皮瓣的三维空间再分布，上述因素决定了扩张器的手术设计是一个复杂的综合判断，到目前为止，临床上主要还是依靠医生长期临床实践积累的经验来进行判断，因此初学者或非整形专业医师难以在短期内掌握皮肤扩张技术。

发明内容

本发明的目的是通过计算机技术，建立皮肤软组织扩张术辅助系统，以解决现有技术无法精确地预判扩张器形状、大小以及放置的部位和数量，只能靠临床经验来进行手术带来的风险问题。

一种皮肤软组织扩张辅助系统，所述皮肤软组织扩张辅助系统包括：

二维显示模块，用于医学图像的浏览；

三维重建模块，用于根据医学图像模拟得到患者患处的三维模型；

扩张模拟模块，用于建立扩张模拟模型，确定最优的扩张方案；

效果模拟模块，用于根据扩张模拟结果，给出术后效果图。

进一步地，所述二维显示模块设置有水平面X轴滑动条和Y轴滑动条，竖直方向Z轴滑动条，拖动三个滑动条，可以限定所需要浏览的平面。

进一步地，所述三维重建模块包括：

三维通用模型模拟单元，用于建立患者患处的三维通用模型；

修正单元，用于根据患者的医学图像，对三维通用模型进行修正，得到该患者的三维模型。

其中，所述三维通用模型模拟单元采用立体分割的活动形体建模法和非均匀有理B样条NURBS表面表示法建立人体头部的三维通用模型

进一步地，所述扩张模拟模块包括：

面积测量单元，用于测量患者患处面积和扩张模拟模型软组织的面积；

扩张参数选择单元，用于选择扩张参数；

扩张模拟模型建立单元，用于根据选择的扩张参数，建立扩张模拟模型。

其中，所述的扩张参数包括：扩张器的形状，扩张器放置位置和扩张器预估扩张大小。

进一步地，所述皮肤软组织扩张辅助系统还包括切割模块，用于提取医学图像中感兴趣的区域图像；鼠标取点模块，用于选取三维模型上的坐标；角度测量模块，用于测量三维模型上的角度，并显示其对应的弧度值。

本发明的皮肤软组织扩张辅助系统，通过计算机技术，根据患者的医学图像，通过二维显示模块和三维建模，对医学图像进一步进行显示，有利于医生观察和诊断。同时，通过扩张模拟模块，选择合适的扩张器和扩张方案，不会造成扩增皮肤不够或者过多情况，减少了患者的痛苦，避免了仅靠医生的临床经验带来的风险。

附图说明

图1为本发明皮肤软组织扩张辅助系统结构框图；

图2为医学图像的浏览示意图；

图3为体绘制三维模型示意图；

图4为面绘制三维模型示意图；

图5为扩张模拟模型示意图；

图6为本发明切割显示示意图；

图7为本发明鼠标取点示意图；

图8为本发明角度测量示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案做进一步详细说明，以下实施例不构成对本发明的限定。

本发明的皮肤软组织扩张术辅助系统结构框图如图1所示，包括二维显示模块，三维重建模块，扩张模拟模块和术后效果模拟模块。

其中，二维显示模块用于医学图像的浏览。

本发明中，对于给定的一组患处的磁共振成像MRI或者计算断层造影CT切层图像，在三维体数据中以一个点和法向量确定一个平面，提取出体数据在这个平面上的像素点以及灰度值，形成新的图象，进而显示出来，从而可以从任意角度浏览医学图像。如图2所示为某一医学图像的横状面、冠状面和矢状面的示例，供医师诊疗查看患者患处的图像，该图像是512x512像素的，一共有249层，那么在水平方向，可以按像素或者在竖直方向按层数来浏览冠状面、矢状面和横截面。该二维显示模块设置有水平面X轴和Y轴，以及竖直方向Z轴滑动条，层数的设定是通过拖动三个滑动条来设定的，可以设置任何一个方向是显示还是不显示，所以可以随意浏览任何一个方向的任意一面。

三维重建模块，用于根据医学图像模拟得到具体患者的最佳三维模型。

具体地，三维重建技术是指利用CT或者MRI等医学影像设备输出的图像体数据，根据需要选择合适的三维重建算法，得到可以从任意视角进行观察的三维投影图像，这样诊断医生就可以方便地对人体内部组织或器官的结构进行观察诊断。

目前应用最多的三维重建的方法主要有面绘制和体绘制两类。体绘制是采用光照模型，直接在体数据采样，三维空间的这些离散采样点原本是不具有色彩属性的，只具有灰度值，采样点的颜色值和透明度等属性值是在物质分类的基础上人为的赋予。将采样点的属性值分布情况进行合成，从而得到全部采样点对屏幕象素的贡献，也就是每一个屏幕象素的光强度值。这种绘制方法也称直接体绘制，体绘制能够完整地显示出三维图像的内部结构信息。目前体绘制用的比较多的方法有光线投射法、投影成像法和频域变换法。体绘制方法的一个基础是物质分类，不同密度的物质在图像中表现为具有不同的灰度值。为了在最终的图像中用不同的颜色正确地反映出共存的多种物质的分布，就需要对数据进行分类，找出数据与不同物质之间的对应关系，只有对三维数据进行准确的分类，经过后续处理才能得出合理的图像。

面绘制是指表面重建，即从医学影像设备输出的切片数据集构造出三维体数据，然后在三维数据中通过插值方式抽取出等值面，将等值面进行曲面表示，再进行三角剖分以获得三角形面片，最后用图形学中的图元绘制技术将三角形面片绘制出来而实现表面绘制。目前表面绘制算法有表面跟踪法MC法(Marching cube)、MT法(Matching Tetrahedral)和DC法(Dividing Cube)方法等。面绘制可以将三维数据中具有某个特定值的表面有效地绘制出来，相比体绘制，面绘制大大减少了处理的数据。需要说明的是，本发明不限于各种三维重建技术和绘制方法。

由于由医学图像重建出的三维表面模型数据量太大，因此本发明中，三维重建模块包括三维通用模型模拟单元和修正单元，首先三维通用模型模拟单元采用立体分割的活动形体建模法和NURBS表面表示法建立人体头部的三维通用模型；然后修正单元对具体患者医学图像的轮廓图形进行自动分割和拟合，并将分割得到的图像作为三维通用模型的拟合目标，对三维通用模型轮廓进行修正，最终逼近得到具体患者的最佳三维模型。三维头部通用模型的建立方法是：在大量医学图像的基础上，从图像的训练集中获取头部轮廓的先验信息，该信息是用统计方法分析得到头部轮廓的一般形状、局部的变化范围和分布概率密度，为人类头部建立一个数字化的通用计算模型。头部对象的这些统计知识是通过训练的方法来得到的，主要内容包括点分布模型和灰度模型。活动形体模型非常适合于形状比较复杂图像的分割和拟合。在模型建立阶段，通常采用设置权重的方法，用W矩阵来保存每个点与其它点之间的距离，距离相对不变的那些点表明它们在整个图像中比较稳定，因此提高它们的权重，让它们来主导搜索，同时来带动其它点的搜索。分割拟合的过程就是形体匹配的过程，即点搜索的过程，在这个过程中，需要追求搜索速度和准确度的平衡，通常采用图像分层的方法，这个方法首先将图像的像素降低，然后用这个头部通用模型来搜索，分割结束后提高像素继续搜索，直到恢复到原来的像素，最终实现目标的准确和快速分割。这样就得到了具体患者的最佳三维头部模型。这个模型是用非均匀有理B样条（简称NURBS）方法表示的，主要是借助调整控制点来改变曲线曲面的形状，并且利用权因子，因此在分割和拟合阶段具有较大的灵活性，用该方法最终得到一个光滑、连续的模型。如图3，图4所示。

扩张模拟模块，用于根据患者患处面积建立扩张模拟模型，确定最优扩张方案。

医师通常只能得到患处面积，然后根据个人经验来选择一定体积的扩张器，这就会导致较大的误差，同时对于经验较少医师就更难以选择一个合适大小的扩张器。通过测量患处面积以及对不同的扩张器最终所得软组织面积的模拟，可以为医师选择扩张器提供参考。

本发明中，扩张模拟模块包括面积测量单元，扩张参数选择单元和扩张模拟模型建立单元。

其中面积测量单元用于测量患者患处面积和扩张模拟模型软组织的面积，适用于任何三维曲面和平面情况，当提取出目标区域后，通过Delaunay三角剖分法对该目标区域进行三角化，目标区域的表面积是表面模型三角化后所有三角形面积之和。计算每一个三角形面积，是将每个三角形单元当作平面处理，由三点构成的三角形面积为：

$S=\sqrt{P(P-a)(P-b)(P-c)}$

其中P=(a+b+c)/2,S表示三角形的面积，a、b、c分别表示三角形的三条边长，P表示三角形周长的一半。基于三角网格的面积计算，在建立扩张模拟模型时，对其表面进行三角化，即可求得其完整软组织面积。

扩张参数选择单元用于选择扩张参数，包括扩张器的形状和放置位置，以及扩张器扩张大小。当扩张器体积增大时，其覆盖皮肤因动力学和生理机制缘故进行增长，相应地动力学方程表示的扩增面积主要分为两部分：一是可逆的弹性部分，一是不可逆的生长部分。两部分根据各自的因子决定面积的多少，可逆弹性部分是考虑到皮肤回缩的缘故，并且结合医师的临床经验来确定这个因子的大小。根据前面的表面积测量方法，计算构成皮肤三角形的面积之和，即表面积大小。根据覆盖皮肤增长前面积、扩增后面积，结合可逆弹性部分来计算出实际扩增面积的大小。结合受损区域面积和扩张器形状，可以规划手术所需面积大小，将实际扩增面积与这个手术所需面积做一个合适的比例调整，就可以预测扩张器最后扩增所需的实际体积。

根据所得的具体患者的最佳三维模型，结合病人的实际损伤情况对三维模型进行调整，给出扩张器模型的放置位置，并虚拟现实皮肤扩张后的情况。下面详述模拟扩张器埋置的位置、体积和形状，并计算扩张模拟模型软组织的面积：

医师用X光显影线标记受损区域，通过扫描出的医学图像，在体绘制中可以很清晰地观察到受损区域，选取一些轮廓上的点，根据这些三维数据点，面积测量单元计算出受损区域表面积的大小，及患者患处面积。

接着在邻近区域观察表面形状，根据形状来确定位，在健康的邻近区域，可以选择一个基本形状的，在皮下或者肌肉下层植入扩张器。目前扩张器的基本形状主要有：圆形、肾形、新月形、长方形、长柱形、三角形。扩展器的选择要根据拟修复的部位、形态及病变范围和可供扩张的正常皮肤的大小形态来决定。多数情况下，头皮选择长方形、肾形、长柱形，额部选择长方形，面部选择圆形或长方形。医师根据受损部位、范围及形态，结合邻近健康区域形状和手术操作的方便，选择埋置位置和扩张器的形状。

扩张模拟模型建立单元用于根据选择的参数建立扩张模拟模型，并显示模拟图像，如图5所示。

通过扩张模拟模块的精确模拟，为患者选择正确的扩张方案，不会造成扩增皮肤不够或者过多情况，减少了患者的痛苦。

效果模拟模块，用于根据扩张模拟结果，给出术后效果图。

具体地，通过临床采集的医学图像三维数据，建立数据库，建立符合患者人体皮肤以及扩张后皮肤特性的有限元三维数学模型，模拟手术中皮瓣转移中应变及盈利，评价切口血供和存活情况，最后给出术后效果图。

在临床中，医务人员采用本发明的皮肤软组织扩张辅助系统，首先在系统中根据患者的医学图片建立患者患处的三维模型，根据患者的三维模型结合病人的实际损伤情况对模型进行调整，给出扩张器的放置位置，并虚拟现实患者患处扩张后的情况；根据选择的扩张器模拟扩张结果，并模拟出术后效果，供医务人员预估手术效果。

进一步地，本发明的皮肤软组织扩张辅助系统还包括切割模块、鼠标取点模块、角度测量模块和定位模块。

切割模块是根据重建物体在三维上的范围，建立一个长方体，在每个面的中心设置一个球，移动球或者平面就可以进行切割，这样就可以观察重建物体模型中内部组织结构。进行图像分割的目的是为了定性定量分析的需要，提取出图像中感兴趣的区域，同时它也是利用图像进行三维可视化的基础，目前主要应用较多的图像分割方法有两种：基于图像区域的方法和基于边沿检测的分割方法。前者通过检测统一区域的均匀性是否一致来两图像中的不同区域识别出来，基于图像区域的分割方法包括：阈值分割法、区域生长和分裂合并法、分类器和聚类以及基于随机场的方法等。基于边缘检测技术把不同的区域提取出来进行图像分割，并行微分算子法是常用的边缘检测方法，由于一般图像具有相邻区域的象素值不连续的性质，利用该性质，采用一阶或二阶导数来将区域的边缘点检测出来；此外还有基于曲面拟合的方法、边界曲线拟合法以及串行边界查找等。这些分割方法都有自己的优点和缺点，本发明不限于采用何种分割算法，这里不再赘述。被切部分只是透明显示，数据还存在，所以，当球被拉回时，被切部分又重新显示出来，如图6所示。

鼠标取点模块，是在鼠标箭头那点向三维模型发射一条光线，取光线与模型表面的接触点，并显示出该点的三维坐标值，如图7所示。

角度测量模块是用两条线段来测量你所想测量的角度，并显示其弧度值，如图8所示。

定位模块是由三个正交坐标线段和一个球构成，球位于三个坐标系线段的交点，移动任意一个线段，就改变了球的位置，球的位置代表所要确定点的位置。

医务人员利用本发明的辅助系统，可以方便的选择扩张器，选择手术方案，并结合模拟术后效果，选择最佳的手术方案，为皮肤软组织扩张术的正确有效实施打下基础。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种皮肤软组织扩张辅助系统，其特征在于，所述皮肤软组织扩张辅助系统包括：

二维显示模块，用于医学图像的浏览；

三维重建模块，用于根据医学图像模拟得到患者患处的三维模型；

扩张模拟模块，用于建立扩张模拟模型，确定最优的扩张方案；

效果模拟模块，用于根据扩张模拟结果，给出术后效果图。

2.如权利要求1所述的皮肤软组织扩张辅助系统，其特征在于，所述二维显示模块设置有水平面X轴滑动条和Y轴滑动条，竖直方向Z轴滑动条，拖动三个滑动条，可以限定所需要浏览的平面。

3.如权利要求1所述的皮肤软组织扩张辅助系统，其特征在于，所述三维重建模块包括：

三维通用模型模拟单元，用于建立患者患处的三维通用模型；

修正单元，用于根据患者的医学图像，对三维通用模型进行修正，得到该患者的三维模型。

4.如权利要求3所述的皮肤软组织扩张辅助系统，其特征在于，所述三维通用模型模拟单元采用立体分割的活动形体建模法和非均匀有理B样条NURBS表面表示法建立患者患处的三维通用模型。

5.如权利要求1所述的皮肤软组织扩张辅助系统，其特征在于，所述扩张模拟模块包括：

面积测量单元，用于测量患者患处面积和扩张模拟模型软组织的面积；

扩张参数选择单元，用于选择扩张参数；

扩张模拟模型建立单元，用于根据选择的扩张参数，建立扩张模拟模型。

6.如权利要求5所述的皮肤软组织扩张辅助系统，其特征在于，所述的扩张参数包括：扩张器的形状，扩张器放置位置和扩张器预估扩张大小。

7.如权利要求1所述的皮肤软组织扩张辅助系统，其特征在于，所述皮肤软组织扩张辅助系统还包括切割模块，用于提取医学图像中感兴趣的区域图像。

8.如权利要求1所述的皮肤软组织扩张辅助系统，其特征在于，所述皮肤软组织扩张辅助系统还包括鼠标取点模块，用于选取三维模型上的坐标。

9.如权利要求1所述的皮肤软组织扩张辅助系统，其特征在于，所述皮肤软组织扩张辅助系统还包括角度测量模块，用于测量三维模型上的角度，并显示其对应的弧度值。

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