CN107874831A - 一种基于隐函数的颅颌面部导板设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于隐函数的颅颌面部导板设计方法，涉及计算机辅助外科设计领域，包括如下步骤：1)导入三维模型数据，在三维模型上通过鼠标拖动选点，用于构造导板的轮廓线；2）计算选点所构成的轮廓线的隐函数；3）使用轮廓线隐函数在三维模型上进行裁剪，得到相应形状的导板表面模型；4）增厚裁剪得到导板表面模型，得到相应的导板模型。本发明详细流程图如图1所示，基于本发明提供的技术可以对不同病患提供个性化的修复方案。

Description

一种基于隐函数的颅颌面部导板设计方法

技术领域

本发明涉及计算机辅助外科手术设计技术领域，主要涉及一种基于隐函数的颅颌面部导板设计方法。

背景技术

近年来，随着数字化技术在现代医学的广泛运用，催生了极具创造性的医学分支学科—数字医学。简单来说，数字化医学是指运用计算机、数字化手段对临床医学进行新的探索和创造，对传统医疗技术加以辅助，以达到更加可靠和精确的诊断以及更加有效和准确的治疗。其中，与外科领域最为相关的是计算机辅助外科技术。上世纪末起，国外学者将计算机辅助外科技术运用于颅頜面外科中，进行术前评估、手术计划制定及制作导板与定做假体等。近年来，这一技术发展迅速，国内外先后有大量报道计算机辅助外科运用于颅頜面大面积缺损修复、复杂颌骨骨折修复等领域。

颅颌面的缺损或者畸形会严重影响患者的容貌和咀嚼吞咽等生理功能，更有甚者会引发病患者心理和精神上的疾患。颅颌面外科中经常需要面对的挑战是针对不同病患提供个性化的修复方案，辅助导板技术主要用于制作辅助导板对颅颌面进行辅助修复。对于各种颅颌面骨的缺损，计算机可以根据医生的需要，模拟骨缺损的重建手术。计算机可以通过将供区骨与受区骨（或缺损骨的镜像）进行匹配比较，来选择最适合用于重建的供骨移植区域；并可以在术前，事先通过计算设计并制作移植骨块，固定导板等，从而帮助医生在实际手术中完成精确的颅颌面骨切除和重建手术等。

本发明通过分析现有医学软件可利用功能在导板设计方面的缺失，设计了一种基于隐函数的颅颌面部导板设计方法，用于供医生在重建的三维颅頜面骨模型上，设计移植骨块及手术中辅助固定导板等，帮助医生完成更为准确的治疗。

发明内容

本发明的目的在于：设计了一种基于隐函数的颅颌面部导板设计方法，用于供医生在重建的三维颅頜面骨模型上，设计移植骨块及手术中辅助固定导板等，帮助医生完成更为准确的治疗。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于隐函数的颅颌面部导板设计方法，步骤如下：

1）在三维模型上通过鼠标拖动选点，用于构造导板的轮廓线；

轮廓线的选点并非只选择已经存在于模型表面的点，还可以放置新生成的点到模型上，新生成点的三维坐标位置由屏幕的二维坐标位置投影确定；所有选点均被保存到选点列表中。

2）计算选点所构成的轮廓线的隐函数，使用隐函数来表示导板的轮廓线：

隐函数是三维空间中定义的实值函数，其数学表达式形式为：

（1）

其中c表示任意常量。隐函数的使用需要满足两个先决条件：（1）能够计算函数的值。（2）能够计算在给定点的梯度。隐函数将三维空间区域划分为三个区域：表面区域（F(x,y,z)=c），外部区域（F(x,y,z)>c）以及内部区域（F(x,y,z)<c）。此外，当c=0时，函数正值为外部，负值为内部，零为表面，函数梯度由内向外。

隐函数通常可以用来描述简单规则的几何体，例如：曲线、曲面、球体、曲面、柱体等。曲线是计算机辅助设计领域常用的设计元素，轮廓线曲线的隐函数计算采用了插值的方法。插值是利用函数在某区间中已知的若干点的函数值，求解出适当的特定函数，即隐函数。本发明采用三次多项式插值计算轮廓线对应的隐函数。

3）使用轮廓线隐函数在三维模型上进行裁剪，得到相应形状的导板表面模型；

本发明使用两种方式进行裁剪，第一种是把步骤2）计算的轮廓线隐函数输入待裁剪模型进行裁剪，第二种是将待裁剪模型与三维轮廓线模型进行布尔操作实现裁剪。布尔操作本质即为模型的隐函数操作，两者均可实现裁剪效果，待裁剪模型经过裁剪之后分为两个部分，其中一部分即为所需的结果，即要设计的导板表面模型。

4）增厚裁剪得到导板表面模型，得到相应的导板模型：

4.1）计算导板表面模型中点的法向量，三维模型中顶点的法向量通常定义为公用该点的所有邻接面法向量的平均值，本发明利用同样的方式计算出导板模型中各点的法向量，然后取各点法向量的均值归一化，作为增厚的向量N(u,v,w)；

4.2）对于表面模型各点，基于4.1）计算的向量N(u,v,w)及设定的厚度值h，计算增厚表面模型的点；通常厚度值h设为2mm。对每一个点p(x,y,z)，增厚点p' (x',y',z')计算公式如下：

(2)

4.3）连接导板表面模型与增厚模型生成完整的三维导板模型。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

有效地辅助医生设计移植骨块及手术中辅助固定导板等，辅助医生完成对颅颌面的缺损或者畸形更为准确的治疗。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1 技术流程图

图2轮廓线选点及曲线插值

图3轮廓线以及获取的三维轮廓线模型图

图4裁剪模型

图5增厚裁剪模型得到导板模型

图6一个病例完整的导板制作过程图。

具体实施方式

一种基于隐函数的颅颌面部导板设计方法，流程图如图1所示，步骤如下：

1） 在三维模型上通过鼠标拖动选点，用于构造导板的轮廓线

如图2所示，可以通过鼠标左键在导入的三维模型上选择不同的点来设计轮廓线，选择完成点击鼠标右键，退出表示选点完成，并保存选点到列表中。此外还可以通过鼠标拖动任意一个点来改变轮廓线的形状。

2） 计算选点所构成的轮廓线的隐函数，使用隐函数来表示导板的轮廓线

隐函数通常可以用来描述简单规则的几何体，例如：曲线、曲面、球体、曲面、柱体等。曲线是计算机辅助设计领域常用的设计元素，轮廓线曲线的隐函数计算采用了插值的方法。插值是利用函数在某区间中已知的若干点的函数值，求解出适当的特定函数，即隐函数。本发明采用三次多项式插值计算轮廓线对应的隐函数。如图2所示，红色线则为根据选点插值生成的一条曲线；图3为选择了一系列点构成一个封闭轮廓线，图3左图为插值生成的封闭轮廓曲线，右图为保存的相应的三维轮廓线模型，由图可以看出，插值生成的曲线连接了全部选点，且曲线光滑。此外本发明采用三次多项式插值，得到的轮廓线的隐函数一阶可导，可以计算出相应的梯度。

3） 使用轮廓线隐函数在三维模型上进行裁剪，得到相应形状的导板表面模型，图4展示了使用设计好的轮廓线隐函数裁剪三维模型得到的面片，即导板表面模型。

4） 增厚裁剪得到导板表面模型，得到相应的导板模型；图5为对步骤3)得到的裁剪模型增厚2mm后得到三维导板模型。

此外，图6完整地展示了使用本发明技术进行一个病例导板设计的过程。该病例利用颅颌面对称性，为颧骨缺损区域，从对称位颧骨数据模型上裁剪出相应形状大小的面片加厚，以获得与颧骨缺损部位大致一直的模型，用于在手术过程中辅助医生撑起软组织完成治疗。

首先，打开缺损的三维颅頜骨模型如图6(a)所示，观察数据并思考如何利用轮廓线的隐函数制作导板。

其次，为了使裁剪过程更加便捷，可以先使用平面裁剪对模型数据进行预处理，仅留下有待进一步处理的数据模型部分，针对该病患的病情，需要截取左侧颧骨关节数据，以便采用镜像的手法得到右侧缺失的部分，如图6(b)(c)(d)所示。

第三，在获取了左侧颧骨关节面片数据之后，需根据右侧颅颌面缺失位置，调整轮廓线的范围和形状，轮廓线的形状与裁剪出的数据面片形状大致相似。图6(e)所示为选择轮廓线相应数据点以确定轮廓线大小与形状的过程，在该案例中，所截取的面片只需保证截取数据面片制作的导板能够支撑起对应位置的肌肉并且可被固定即可。图6(f)所示为拖动轮廓线的选点以控制隐函数的大小和形状，可以反复调整曲线形状直到满意为止。图6(g)所示为使用轮廓线裁剪颅颌面数据得到的颅颌面面片，由图可见基于轮廓线隐函数算法所裁剪的边缘是较为光滑的。图6(d)(e)(f)(g)所示流程可反复再修改与预览，直至获得理想结果为止，在本发明中制作过程可在上次结果的基础上进行修改，因而提升了制作导板的效率与准确率。

最后，将裁减得到的颧骨左侧数据面片进行镜像模式即可得到右侧缺损修复所需要的数据面片，将所得数据面片保存并加厚2毫米左右即可得到相应的修复导板，如图6(h)所示。之后可以将设计好的导板通过使用3D打印机打印，供手术中使用。

综上所述，本发明提出的一种基于隐函数的颅颌面部导板设计方法，可以便捷地用于制作颅颌面部修复导板，即可以在术前制定颅颌面缺损病患的手术规划方案，并辅助完成手术过程。

Claims (5)

1.本发明公开了一种基于隐函数的颅颌面部导板设计方法，涉及计算机辅助外科设计领域，包括如下步骤：

1）在三维模型上通过鼠标拖动选点，用于构造导板的轮廓线；

2）计算选点所构成的轮廓线的隐函数；

3）使用轮廓线隐函数在三维模型上进行裁剪，得到相应形状的导板表面模型；

4）增厚裁剪得到导板表面模型，得到相应的导板模型。

2.根据权利要求1 所述的一种基于隐函数的颅颌面部导板设计方法，其特在于，所述步骤1）中，轮廓线的选点并非只选择已经存在于模型表面的点，还可以放置新生成的点到模型上，新生成点的三维坐标位置由屏幕的二维坐标位置投影确定，所有选点均被保存到选点列表中。

3.根据权利要求1 所述的一种基于隐函数的颅颌面部导板设计方法，其特在于，所述步骤2）中，使用隐函数来表示导板的轮廓线：

隐函数是三维空间中定义的实值函数，其数学表达式形式为：

（1）

其中c表示任意常量；曲线是计算机辅助设计领域常用的设计元素，轮廓线曲线的隐函数计算采用了插值的方法；插值是利用函数在某区间中已知的若干点的函数值，求解出适当的特定函数，即隐函数；本发明采用三次多项式插值计算轮廓线对应的隐函数。

4.根据权利要求1 所述的一种基于隐函数的颅颌面部导板设计方法，其特在于，所述步骤3）使用两种方式进行裁剪，第一种是把步骤2）计算的轮廓线隐函数输入待裁剪模型进行裁剪，第二种是将待裁剪模型与三维轮廓线模型进行布尔操作实现裁剪；待裁剪模型经过裁剪之后分为两个部分，其中一部分即为所需的结果，即要设计的导板表面模型。

5.根据权利要求1 所述的一种基于隐函数的颅颌面部导板设计方法，其特在于，所述步骤4）包含如下步骤：

4.1）计算导板表面模型中点的法向量，三维模型中顶点的法向量通常定义为公用该点的所有邻接面法向量的平均值，本发明利用同样的方式计算出导板模型中各点的法向量，然后取各点法向量的均值，作为增厚的向量；

4.2）对于表面模型各点，基于4.1）计算的向量，及设定的厚度值，计算增厚表面模型的点；

4.3）连接导板表面模型与增厚模型生成完整的三维导板模型。