CN118154768A - 一种人体体表、软组织及骨骼三维重建方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种人体体表、软组织及骨骼三维重建方法，包括：提供体表三维模型；提供骨骼三维模型；将体表三维模型与骨骼三维模型进行配准；以及结合三维体表模型和骨骼三维模型重建软组织，以形成包括人体体表、软组织及骨骼的三维重建模型。使用该方法能完成带有真实体表、软组织和骨骼的三维重建，使得在设计手术方案时，更精确的反应手术目标、植入物状态和术后真实体表变化，同时能够反应内部骨骼和外部体表的变化。尤其是用于医美整形领域时，能够在手术之前且在无需任何侵入式检测方式的情况下，基于预期整形的结果，结合当前的软组织和骨骼组织的三维形态，通过手工处理或计算机算法开发所需植入体的形态特征。

Description

一种人体体表、软组织及骨骼三维重建方法及系统

技术领域

本发明涉及人体组织三维重建技术领域，尤其涉及一种人体体表、软组织及骨骼三维重建方法及系统。

背景技术

目前现有的影像三维重建方法仅针对单项组织，如单一骨骼重建，单一面部重建，无法完成包括骨骼、软组织和真实体表(如面部、尤其是面容，胸部等)在内的整体组织三维重建。

发明内容

为解决现有技术中的上述问题，本发明提供一种人体体表、软组织及骨骼三维重建方法，包括：

提供体表三维模型；

提供骨骼三维模型；

将体表三维模型与骨骼三维模型进行配准；以及

结合三维体表模型和骨骼三维模型重建软组织，以形成包括人体体表、软组织及骨骼的三维重建模型。

进一步地，提供体表三维模型包括：

获取人体体表的多方位图像；以及

根据人体体表的多方位图像进行三维重建，获得体表三维模型。

进一步地，提供骨骼三维模型包括：

获取骨骼的影像数据；以及

使用骨骼的影像数据重建骨骼三维模型。

进一步地，所述将体表三维模型与骨骼三维模型进行配准包括：

导入体表三维模型，基于体表三维模型的特征点，建立体表三维模型的矢状面、B面及C面，获得体表坐标系，其中B面与体表三维模型的矢状面成第一角度，C面与体表三维模型的矢状面成第二角度，C面与B面相交；

导入骨骼三维模型，基于骨骼三维模型的特征点，建立骨骼三维模型的矢状面、B’面及C’面，获得骨骼坐标系，其中B’面与骨骼三维模型的矢状面成第三角度，C’面与骨骼三维模型的矢状面成第四角度，C’面与B’面相交；以及

将体表坐标系和骨骼坐标系对齐，其中体表三维模型的矢状面、B面及C面分别与骨骼三维模型的矢状面、B’面及C’面重合或者体表三维模型的矢状面、B面及C面与骨骼三维模型的矢状面、B’面及C’面基于最小偏差进行位置拟合，使得骨骼三维模型与体表三维模型的相对位置准确。

进一步地，所述特征点包括下列各项中的一个或多个：

头部、胸部、肩部及四肢。

进一步地，当导入体表三维模型后，通过像素点描绘眶面外沿突出部分的轮廓，并标识出两眼眶中心连线的中点，定义过该中点并垂直于两眼眶中心连线的面为体表三维模型的矢状面。

进一步地，找出颏隆突及泪骨高点，画出颏隆突与泪骨高点之间的连线，取垂直于该连线，并过泪骨高点的面为B面。

进一步地，取垂直于矢状面和B面，并过体表三维模型的泪骨高点的面为C面。进一步地，当导入骨骼三维模型后，找出实际眶面外沿突出部分的轮廓，并标识出两眼眶中心连线的中点，定义过该中点并垂直于两眼眶中心连线的面为骨骼三维模型的矢状面。

进一步地，找出颏隆突及泪骨高点，画出颏隆突与泪骨高点之间的连线，取垂直于该连线，并过泪骨高点的面为B’面。

进一步地，取垂直于骨骼三维模型的矢状面和B’面，并过泪骨高点的面为C’面。

进一步地，将完成配准的体表三维模型和骨骼三维模型输出到同一文件中，并根据体表三维模型和骨骼三维模型填充软组织，形成包括人体体表、软组织及骨骼的三维重建模型。

本发明还提供一种人体体表、软组织及骨骼三维重建系统，包括：

成像设备，其被配置为通过拍摄人体来获得人体体表的多方位图像和骨骼的影像数据；以及

控制器，其被配置为执行下列动作：

根据人体体表的多方位图像进行三维重建，以获得体表三维模型；

使用骨骼的影像数据重建骨骼三维模型；

将体表三维模型与骨骼三维模型进行配准；以及

结合三维体表模型和骨骼三维模型重建软组织，以形成包括人体体表、软组织及骨骼的三维重建模型。

本发明至少具有下列有益效果：本发明公开的一种人体体表、软组织及骨骼三维重建方法，将体表三维模型与骨骼三维模型进行配准，最后结合三维体表模型和骨骼三维模型重建软组织，形成包括人体体表、软组织及骨骼的三维重建模型，使用该方法能完成带有真实体表、软组织和骨骼的三维重建，使得在设计手术方案时，更精确的反应手术目标、植入物状态和术后真实体表变化，同时能够反应内部骨骼和外部体表的变化。尤其是本发明用于医美整形领域时，能够在手术之前且在无需任何侵入式检测方式的情况下，基于预期整形的结果，结合当前的软组织和骨骼组织的三维形态，通过手工处理或计算机算法开发所需植入体的形态特征。

附图说明

为了进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出了根据本发明一个实施例的一种人体体表、软组织及骨骼三维重建方法的流程。

图2示出了根据本发明一个实施例的面部的体表三维模型与骨骼三维模型配准的示意图；

图3示出了实现根据本发明的系统和/或方法的计算机系统100。

具体实施方式

应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。

在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。

在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。

在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。

在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。

在此还应当指出，在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是明示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为明示或暗示相对重要性。

另外，本发明的实施例以特定顺序对工艺步骤进行描述，然而这只是为了方便区分各步骤，而并不是限定各步骤的先后顺序，在本发明的不同实施例中，可根据工艺的调节来调整各步骤的先后顺序。

图1示出了根据本发明一个实施例的一种人体体表、软组织及骨骼三维重建方法的流程。

如图1所示，一种人体体表、软组织及骨骼三维重建方法包括：

步骤1，获取人体体表的多方位图像。使用相机或其他光学设备对人体体表部位进行拍照，一般的采集多方位图像。

步骤2，根据人体体表的多方位图像进行三维重建，获得体表三维模型。

步骤3，获取骨骼的影像数据。

步骤4，使用骨骼的影像数据重建骨骼三维模型。使用求美者的CT及MR I等影像数据进行骨骼三维重建，重建出骨骼三维模型。

步骤5，如图2所示，将体表三维模型与骨骼三维模型进行配准。

步骤6，结合三维体表模型和骨骼三维模型重建软组织。将完成配准的体表三维模型和骨骼三维模型输出到同一文件中，并根据体表三维模型和骨骼三维模型填充软组织，形成包括人体体表、软组织及骨骼的三维重建模型。该三维重建模型是同时具有人体特征、骨性特征及软组织特征的三维模型。

在本发明的其他实施例中，在获取骨骼的影像数据和重建骨骼三维模型的同时还可以获取部分软组织特征点，其中软组织特征点用于骨骼三维模型和体表模型配准。

重建出人体体表、软组织及骨骼后，基于预期整形的结果，结合当前的人体体表、软组织和骨骼的三维形态，通过手工处理或计算机算法开发所需植入体的形态特征。

下面详细阐述将体表三维模型与骨骼三维模型进行配准的具体过程。

在体表三维模型与骨骼三维模型进行配准时基于空间位置的原理。首先导入体表三维模型，基于体表三维模型的特征点，建立体表三维模型的矢状面、B面及C面，获得体表坐标系；同时导入骨骼三维模型，基于骨骼三维模型的特征点，建立骨骼三维模型的矢状面、B’面及C’面，获得骨骼坐标系；将两套坐标系对齐，其中体表三维模型的矢状面、B面及B面分别与骨骼三维模型的矢状面、B’及C’面重合，使得骨骼三维模型与体表三维模型的相对位置准确。另外，还可以将体表三维模型的矢状面、B面及C面与骨骼三维模型的矢状面、B’及C’面基于最小偏差进行位置拟合以将两套坐标系对齐，如利用最小二乘法进行位置拟合。

在本发明的一个实施例中，所述特征点包括下列各项中的一个或多个：头部、胸部、肩部及四肢。

B面与C面皆为用于定义体表三维模型空间位置的面，其中B面与体表三维模型的矢状面成第一角度，用于定义横断方向，C面与体表三维模型的矢状面成第二角度，C面与B面相交，用于定义冠状方向，第一角度和第二角度可以相等，例如为90°，例如C面与B面可以垂直。体表三维模型的矢状面、B面和C面相结合，形成一个空间坐标系，用于定义体表三维模型的空间位置。

B’面与C’面皆为用于定义骨骼三维模型空间位置的面，其中B’面与骨骼三维模型的矢状面成第三角度，用于定义横断方向，C’面与骨骼三维模型的矢状面成第四角度，C’面与B’面相交，第三角度和第四角度可以相等，例如为90°，例如C’面与B’面可以垂直。骨骼三维模型的矢状面、B面和C面相结合，形成一个空间坐标系，用于定义体表三维模型的空间位置。

下面以面部为例详细介绍的配准过程。

图2示出了根据本发明一个实施例的面部的体表三维模型与骨骼三维模型配准的示意图。

如图2所示，当导入体表三维模型后，通过像素点描绘眶面外沿突出部分的轮廓，并标识出两眼眶中心连线的中点，定义过该中点并垂直于两眼眶中心连线的面为体表三维模型的矢状面。找出颏隆突、泪骨高点及鼻翼大软骨最高点，画出颏隆突与泪骨高点之间的连线，取垂直于该连线，并过泪骨高点的面为B面。取垂直于体表三维模型的矢状面和B面，并过泪骨高点的面为C面，此时，体表三维模型的坐标系固定。

当导入骨骼三维模型后，找出实际眶面外沿突出部分的轮廓，并标识出两眼眶中心连线的中点，定义过该中点并垂直于两眼眶中心连线的面为骨骼三维模型的矢状面。找出颏隆突、泪骨高点及鼻翼大软骨最高点，画出颏隆突与泪骨高点之间的连线，取垂直于该连线，过泪骨高点的面为B’面。取垂直于矢状面和B’面，并过泪骨高点的面为C’面，此时，骨骼三维模型的坐标系固定。

将体表三维模型的坐标系与骨骼三维模型的坐标系重合对齐，其中体表三维模型的矢状面与骨骼三维模型的矢状面重合，体表三维模型的B面与骨骼三维模型的B’面重合，体表三维模型的C面与骨骼三维模型的C’面重合。或者体表三维模型的3个面与骨骼三维模型的3个面基于最小偏差进行位置拟合，如利用最小二乘法。

使用上述人体体表、软组织及骨骼三维重建方法能完成带有真实体表、软组织和骨骼的三维重建，使得在设计手术方案时，更精确的反应手术目标、植入物状态和术后真实体表变化，同时能够反应内部骨骼和外部体表的变化。尤其是本发明用于医美整形领域时，能够在手术之前且在无需任何侵入式检测方式的情况下，基于预期整形的结果，结合当前的软组织和骨骼组织的三维形态，通过手工处理或计算机算法开发所需植入体的形态特征。

全组织三维重建对患者的主观感受和专业医生的诊断及手术方案设计都有很大的优势。通过人体体表、软组织及骨骼的三维重建模型，患者即能观察到自己真实体表在医美前和医美后的变化，又能透过皮肤观察到内部骨骼的变化及手术前后体内的改变，减轻患者的顾虑。人体体表、软组织及骨骼的三维重建模型同样能让专业医生充分观察到患者的前后对比以及体内软组织、骨骼层面等与手术相关的内容。

一种人体体表、软组织及骨骼三维重建系统包括：

成像设备，其被配置为通过拍摄人体来获得人体体表的多方位图像和骨骼的影像数据；以及

控制器，其被配置为执行下列动作：

根据人体体表的多方位图像进行三维重建，以获得体表三维模型；

使用骨骼的影像数据重建骨骼三维模型；

将体表三维模型与骨骼三维模型进行配准；以及

结合三维体表模型和骨骼三维模型重建软组织，以形成包括人体体表、软组织及骨骼的三维重建模型。

在本方案中，控制器可以用软件、硬件或固件或其组合来实现。控制器既可以单独存在，也可以是某个部件的一部分。

图3示出了实现根据本发明的系统和/或方法的计算机系统100。如非特殊说明，根据本发明的方法和/或系统可以在图3所示的计算机系统100中执行以实现本发明目的，或者本发明可以在多个根据本发明的计算机系统100中通过网络、如局域网或因特网分布式地实现。本发明的计算机系统100可以包括各种类型的计算机系统、例如手持式设备、膝上型计算机、个人数字助理(PDA)、多处理器系统、基于微处理器或可编程消费者电子设备、网络PC、小型机、大型机、网络服务器、平板计算机等等。

如图3所示，计算机系统100包括处理器111、系统总线101、系统存储器102、视频适配器105、音频适配器107、硬盘驱动器接口109、光驱接口113、网络接口114、通用串行总线(USB)接口112。系统总线101可以是若干种总线结构类型的任一种，例如存储器总线或存储器控制器、外围总线以及使用各类总线体系结构的局部总线。系统总线101用于各个总线设备之间的通信。除了图3中所示的总线设备或接口以外，其它的总线设备或接口也是可设想的。系统存储器102包括只读存储器(ROM)103和随机存取存储器(RAM)104，其中ROM 103例如可以存储用于在启动时实现信息传输的基本例程的基本输入/输出系统(BIOS)数据，而RAM 104用于为系统提供存取速度较快的运行内存。计算机系统100还包括用于对硬盘110进行读写的硬盘驱动器109、用于对诸如CD-ROM之类的光介质进行读写光驱接口113等等。硬盘110例如可以存储有操作系统和应用程序。驱动器及其相关联的计算机可读介质为计算机系统100提供了计算机可读指令、数据结构、程序模块和其它数据的非易失性存储。计算机系统100还可以包括用于图像处理和/或图像输出的视频适配器105，其用于连接显示器106等输出设备。计算机系统100还可以包括用于音频处理和/或音频输出的音频适配器107，其用于连接扬声器108等输出设备。此外，计算机系统100还可以包括用于网络连接的网络接口114，其中网络接口114可以通过诸如路由器115之类的网络装置连接到因特网116，其中所述连接可以是有线或无线的。另外，此外，计算机系统100还可以包括用于连接外围设备的通用串行总线接口(USB)112，其中所述外围设备例如包括键盘117、鼠标118以及其它外围设备、例如麦克风、摄像头等。

当本发明在图3所述的计算机系统100上实现时，可以将体表三维模型与骨骼三维模型进行配准，最后结合三维体表模型和骨骼三维模型重建软组织，形成包括人体体表、软组织及骨骼的三维重建模型，完成带有真实体表、软组织和骨骼的三维重建，使得在设计手术方案时，更精确的反应手术目标、植入物状态和术后真实体表变化，同时能够反应内部骨骼和外部体表的变化。

此外，可以把各实施例提供为可包括其上存储有机器可执行指令的一个或多个机器可读介质的计算机程序产品，这些指令在由诸如计算机、计算机网络或其他电子设备等的一个或多个机器执行时，可以引起一个或多个机器执行根据本发明的各实施例的操作。机器可读介质可以包括但不限于软盘、光盘、CD-ROM(紧致盘只读存储器)和磁光盘、ROM(只读存储器)、RAM(随机存取存储器)、EPROM(可擦除可编程只读存储器)、EEPROM(电可擦除可编程只读存储器)、磁或光卡、闪速存储器或适用于存储机器可执行指令的其他类型的介质/机器可读介质。

此外，可以作为计算机程序产品下载各实施例，其中可以经由通信链路(例如，调制解调器和/或网络连接)由载波或其他传播介质实现和/或调制的一种或多种数据信号把程序从远程计算机(例如，服务器)传输给请求计算机(例如，客户机)。因此，在此所使用的机器可读介质可以包括这样的载波，但这不是必需的。

虽然本发明的一些实施方式已经在本申请文件中予以了描述，但是本领域技术人员能够理解，这些实施方式仅仅是作为示例示出的。本领域技术人员在本发明的教导下可以想到众多的变型方案、替代方案和改进方案而不超出本发明的范围。所附权利要求书旨在限定本发明的范围，并藉此涵盖这些权利要求本身及其等同变换的范围内的方法和结构。

Claims (13)

1.一种人体体表、软组织及骨骼三维重建方法，其特征在于，包括：

提供体表三维模型；

提供骨骼三维模型；

将体表三维模型与骨骼三维模型进行配准；以及

结合三维体表模型和骨骼三维模型重建软组织，以形成包括人体体表、软组织及骨骼的三维重建模型。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，提供体表三维模型包括：

获取人体体表的多方位图像；以及

根据人体体表的多方位图像进行三维重建，获得体表三维模型。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，提供骨骼三维模型包括：

获取骨骼的影像数据；以及

使用骨骼的影像数据重建骨骼三维模型。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将体表三维模型与骨骼三维模型进行配准包括：

导入体表三维模型，基于体表三维模型的特征点，建立体表三维模型的矢状面、B面及C面，获得体表坐标系，其中B面与体表三维模型的矢状面成第一角度，C面与体表三维模型的矢状面成第二角度，C面与B面相交；

导入骨骼三维模型，基于骨骼三维模型的特征点，建立骨骼三维模型的矢状面、B’面及C’面，获得骨骼坐标系，其中B’面与骨骼三维模型的矢状面成第三角度，C’面与骨骼三维模型的矢状面成第四角度，C’面与B’面相交；以及

将体表坐标系和骨骼坐标系对齐，其中体表三维模型的矢状面、B面及C面分别与骨骼三维模型的矢状面、B’面及C’面重合，或者体表三维模型的矢状面、B面及C面与骨骼三维模型的矢状面、B’面及C’面基于最小偏差进行位置拟合，使得骨骼三维模型与体表三维模型的相对位置准确。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述特征点包括下列各项中的一个或多个：

头部、胸部、肩部及四肢。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，当导入体表三维模型后，通过像素点描绘眶面外沿突出部分的轮廓，并标识出两眼眶中心连线的中点，定义过该中点并垂直于两眼眶中心连线的面为体表三维模型的矢状面。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，找出颏隆突及泪骨高点，画出颏隆突与泪骨高点之间的连线，取垂直于该连线，并过泪骨高点的面为B面。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，取垂直于矢状面和B面，并过体表三维模型的泪骨高点的面为C面。

9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，当导入骨骼三维模型后，找出实际眶面外沿突出部分的轮廓，并标识出两眼眶中心连线的中点，定义过该中点并垂直于两眼眶中心连线的面为骨骼三维模型的矢状面。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，找出颏隆突及泪骨高点，画出颏隆突与泪骨高点之间的连线，取垂直于该连线，并过泪骨高点的面为B’面。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，取垂直于骨骼三维模型的矢状面和B’面，并过泪骨高点的面为C’面。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将完成配准的体表三维模型和骨骼三维模型输出到同一文件中，并根据体表三维模型和骨骼三维模型填充软组织，形成包括人体体表、软组织及骨骼的三维重建模型。

13.一种人体体表、软组织及骨骼三维重建系统，其特征在于，包括：

成像设备，其被配置为通过拍摄人体来获得人体体表的多方位图像和骨骼的影像数据；以及

控制器，其被配置为执行下列动作：

根据人体体表的多方位图像进行三维重建，以获得体表三维模型；

使用骨骼的影像数据重建骨骼三维模型；

将体表三维模型与骨骼三维模型进行配准；以及

结合三维体表模型和骨骼三维模型重建软组织，以形成包括人体体表、软组织及骨骼的三维重建模型。