WO2001078016A1 - Verfahren zur vorhersage von resultaten kosmetischer operationen - Google Patents

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WO2001078016A1
WO2001078016A1 PCT/CH2001/000228 CH0100228W WO0178016A1 WO 2001078016 A1 WO2001078016 A1 WO 2001078016A1 CH 0100228 W CH0100228 W CH 0100228W WO 0178016 A1 WO0178016 A1 WO 0178016A1
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smoothing
implant
displacement field
body part
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PCT/CH2001/000228
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Rolf Michael Koch
Markus Gross
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Gruppe Für Graphische Datenverarbeitung, Institut Für Wissenschaftliches Rechnen, Departement Für Informatik
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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T2210/00—Indexing scheme for image generation or computer graphics
    • G06T2210/41—Medical

Definitions

  • the invention relates to a method for obtaining a representation of the postoperative surface of a human body part after the insertion of an implant below the surface.
  • image morphing is often used to predict the facial contours: A 2D image of the face surface is deformed, with the surgical intervention being simulated on an X-ray image taken from the same view as the image Deformation obtained on the skull is deformed, but this method requires the taking of unpopular and harmful x-rays for the patient and does not always produce satisfactory results, and the predictions are inaccurate.
  • a method that has been greatly improved in comparison is based on the fact that in a first step starting from a 3D Representation of the skull geometry (see Figure 2) and from a 3D representation of the face surface (see Figure 1) into the tissue between the skull and the face surface is discretized in elements. The tissue properties are then recorded with parameters for these elements.
  • the surgical intervention for example the application of an onlay to the bone, see FIG. 3 - is then carried out virtually on the skull.
  • the parameters obtained in the first step are then applied to a tissue lying on the skull deformed in this way.
  • An image of the postoperative face is obtained from the representation of the surface thus obtained.
  • the realistic recording of the tissue properties with parameters requires a modeling of the physics of the Tissue deformations. This can be done, for example, by the elements chosen for the discretization being finite elements of the surface which is connected to the skull by springs (mass-spring system).
  • a volumetric finite element approach that takes the theory of elastomechanics into account produces even better results. Predictions made by this 3D method are accurate and accurate when implemented appropriately.
  • the disadvantage of the method is that the skull geometry must be known. This means that, for example, a volume data record of the skull recorded by a medical method such as computer tomography must be available.
  • a skull shape could also be evaluated from the facial surface geometry, for example with reference to a database that is as extensive as possible with exemplary surface and volume data.
  • Such an evaluation is very complex with the methods available today and, moreover, is not always accurate.
  • Another disadvantage of the method is the extremely high computing effort of the method. A corresponding finite element calculation is therefore extremely time-consuming even with modern high-performance computers.
  • the invention is therefore based on the object of making available a method which does not have disadvantages of existing methods and which, in particular, provides predictions with sufficient accuracy and which is simple and quick in the process.
  • the implant namely the onlay, the string, the collagen drop, another implant or possibly also the displacement performed on the bone is represented by an implant displacement field, which, for example is still smoothed and / or compressed, resulting in a displacement field.
  • This displacement field is then applied to a representation of the geometry of the preoperative surface of the face, ie added to it. Then the surface thus obtained is smoothed again, whereupon a representation of the post-operative face surface is obtained.
  • This second smoothing is carried out weighted according to the strength of the displacement field, ie a smoothing takes place more intensely at the locations where the displacement field is strong.
  • This procedure corresponds to an imaginary application of the (smoothed out by the first smoothing) of corners and edges, smoothed and possibly compressed implant on the face surface considered to be stiff and a subsequent tightening of the skin (second smoothing) at the places where the implant is thick and accordingly, during an actual operation the overlying tissue tensions and possibly compresses.
  • a representation of the face surface in the above sense is, for example, a set of surface points in three-dimensional space, which, for example, are still connected in pairs with imaginary lines in such a way that the face surface is covered with triangles.
  • a texture is a targeted, location-dependent modulation of the color or other photometric material properties (specular or diffuse reflection, spectral properties of reflections, etc.) of a surface.
  • One with one Color information or possibly a 3D representation (or geometry) with gray tones of the predicted post-operative face surface (as a second representation of the post-operative face surface) is obtained as follows:
  • Such a texture smoothing can, for example, use the smoothing parameters of the second smoothing (the smoothing of the representation of the face surface) and can account for a certain percentage of this smoothing, for example 50%.
  • a normalization of the texture is a simulated complete illumination of the surface shown.
  • the normalization removes shadows by folding etc.
  • Texture normalization is useful and necessary because an image generally reproduces contours in the form of light-shadow contrasts. These contrasts are of course reflected in the brightness fluctuations in the texture, which are eliminated by the standardization.
  • the texture smoothing also compensates for all pre-operative structures at the locations where they also disappear in reality after the operation and thus prevents the contours in the SD representation of the post-operative facial surface from being smoothed and therefore no longer available nevertheless appear in color or black and white. Texture smoothing is useful if the local resolution of the texture is better than that of the purely geometric 3D representation.
  • bump mapping is a targeted local modulation of the surface normal of the geometry, which can be recognized as a surface structure when the computer generates the image.
  • bump mapping does not visualize the color information. Rather, fine structures are represented with the help of a bump texture (“bump map”).
  • Bumb mapping technology makes it possible to show very small skin folds, or even pore structures, which would only become more visible in a large magnification.
  • bump mapping is also applied to the representation of the postoperative human face.
  • a photorealistically visualized (second) representation of the postoperative human face can be obtained as follows:
  • bump map smoothing can also use the smoothing parameters of the second smoothing (the smoothing of the representation of the face surface) and can account for a certain percentage of this smoothing, for example 50%.
  • bumpmap smoothing compensates for fluctuations in brightness and prevents the contours that have been smoothed out and no longer present in the 3D representation of the postoperative face surface from appearing in color or black and white. Bumpmap smoothing is useful if its local resolution is better than that of the purely geometric 3D representation. The bump map smoothing then causes the disappearance of very small skin folds at the areas where the skin is stretched and possibly compressed.
  • a color image or a black and white image can be obtained from the second 3D representation with surface structure, color tones (or possibly with gray tones) and possibly with a bump map by means of simple projection.
  • This process which can also allow the selection of any recording angle (i.e. rotating the surface geometry in space), is known in graphic data processing, it will not be discussed in more detail here.
  • FIG. 1 shows a 2D visualization of a representation of a face surface obtained by a surface scan
  • FIG. 2 shows a visualization of a representation of the skull corresponding to this (relating to the prior art)
  • FIG. 3 shows a visualization of the skull with onlays (related to the prior art)
  • Figure 4 is a view of a face with a texture
  • Figure 5 shows an example of an onlay usable for a cheek
  • FIG. 6 shows a view analogous to FIG. 1, the definition of boundary conditions being shown
  • FIG. 7 shows a view analogous to FIG. 1, the placement of onlays being indicated
  • FIG. 8 shows a view of a face with a pronounced naso labial fold, the positioning of a string being recorded
  • FIG. 9 a, b, c a sketch of the method according to the invention: FIG. 9 a the first smoothing of the onlay, FIG. 9 b the application to the skin surface and FIG. 9 c the second smoothing of the surface.
  • a surface scanner is preferably used, such as that offered by Cyberware, Wicks & Wilson or Minolta.
  • a cylindrical scan is shown in FIG. 1, which is shown “rolled out.”
  • a volume scanner such as, for example, a computer tomograph or magnetic resonance scanner
  • the texture of the preoperative face surface is obtained simultaneously with the geometry, for example if a color-sensitive surface scanner is used with software for creating image information.
  • the application of this color information to the geometry ie the creation of the texture, is carried out using a suitable and known method, for example the manual “matching” (matching) of selected ones Points of geometry and digital image may require.
  • the representation and the texture are introduced into an apparatus for graphic data processing, that is, they are loaded into the memory of a computer equipped with the necessary software.
  • a bump map is also obtained, for example, based on the texture. In the simplest case (lighting from only one side), for example, the surface normal is varied from an average value in accordance with deviations in the light-dark value.
  • a representation of the face surface can be, for example, a set of points, for example in a cylindrical coordinate representation.
  • the coordinate system is chosen so that the z-axis extends along a line running vertically through the head.
  • the implant for example the onlay or the string, is represented by an implant displacement field.
  • An implant, namely an onlay, which is intended to be placed on the cheekbones, is visualized in FIG. 5.
  • Such an implant displacement field is a function acting on a surface, namely a surface, which displaces the surface locally by the local thickness of the implant placed on the surface.
  • the implant displacement field if the surface is represented by a set of points, radially displaces each point of a selected area by the thickness of the implant defined in this way.
  • a displacement field v also in cylindrical coordinates
  • v Different onlays or strings of different sizes, diameters or types can be present, for example in a database that can be called up from the computer, as implant displacement fields that can only be adjusted in their position on the surface. Alternatively, onlays or strings can also be modeled directly on the computer.
  • boundary conditions on the representation of the face surface is recommended. For this purpose, as is shown in FIG. 6, those areas which will change as a result of the operation are generously marked.
  • the boundary condition is that the unmarked areas are defined as unchangeable and fixed for the representation of the postoperative surface of the face.
  • the implant displacement field is numerically smoothed to a displacement field that also represents the implant and possibly compressed at the same time (displacement field smoothing).
  • This first smoothing / compression is based on the knowledge that the elasticity of the tissue lying over the implant compensates for extremes of the implant. At the same time, the tissue is also compressed due to the underlying implant.
  • the smoothing parameters are selected accordingly so that the properties of the tissue are included.
  • a displacement field representing an onlay will be stronger than that for a string, since the former is implanted on the bone and therefore a lot of balancing tissue lies over it, while a string is used directly under the skin. Compression with simultaneous smoothing is achieved, for example, by a location-dependent scaling factor ⁇ 1.
  • the implant displacement field can also be adopted directly as a displacement field.
  • Smoothing (or filtering) in an area means replacing each point or function value in the area with a weighted average of the point / function value with points / function values in an environment. If the surface is represented by a set of points, local parameterization is used, for example. For example, the number of points in the area / the size of the area are included as smoothing parameters. The weighting factors of the function values points in this environment can also be variable smoothing parameters.
  • ⁇ is thus something like the weighting factor of the point to be averaged itself.
  • Smoothing is said to be more pronounced the more weight the more distant points get in the weighted averaging.
  • a surface to be smoothed or a displacement field to be smoothed is present in a parameterization, the simplest and most common form of smoothing is mathematical folding with a Gaussian function.
  • the smoothing parameter is the location-dependent width of the Gaussian function.
  • a compression carried out simultaneously with the smoothing can be achieved, for example, by the integral under the Gaussian function being less than 1.
  • smoothing can also be carried out by a Fourier transformation and a subsequent multiplication of the Fourier spectrum by a frequency-dependent function (bandpass smoothing). Specifically, for example, a large proportion of certain frequencies, which can correspond to the typical modulation of a wrinkled skin section, are removed, ie filtered away.
  • the displacement field smoothing is typically such that high frequency ranges are filtered out, and the more so the deeper the implant lies under the skin.
  • the parameterization required for Gauss smoothing is provided by the cylinder coordinate system that is used for a scan the body part is inherently given, for example, with a scanner from Cyberware.
  • the scanned geometry is given in a regular grid, so that a Gauss operator can be used by using a filter kernel, such as can also be used for blurring images.
  • the filter kernel which can be given in the form of a matrix, determines the extent to which neighboring points are taken into account during smoothing, which limits the computing effort.
  • the size of the filter kernel is chosen between 2 and 10 times the value of ⁇ , for example between 1 cm and 3 cm.
  • parameters for Gauss smoothing for average implants and for one to 5 and for example 3 iterations are then: ⁇ »0, 0.1 cm ⁇ ⁇ 0.7 cm and for example 0.35 cm ⁇ ⁇ 0.4 cm and A are chosen so that the integral of the function is between 0.8 and 1 and, for example, between 0.93 and 0.97 (corresponds to the compression of the tissue).
  • the implant is located less deeply below the skin surface (e.g. for 'strings'), less smoothing must be carried out: only one iteration or two iterations, ⁇ »0, 0.5 cm ⁇ ⁇ 2 cm and e.g. 0.7 cm ⁇ ⁇ 1.2 cm; A is chosen so that the integral of the function is between 0.9 and 1 and, for example, between 0.95 and 1.
  • FIG. 7 shows an example of areas of the skin surface on which the implant, namely an onlay (virtual) is placed.
  • 8 shows an analog representation for a string, the face having a pronounced nasiolabal fold.
  • the surface obtained in this way is smoothed again (second smoothing).
  • This smoothing is weighted.
  • the smoothing at a location is more pronounced the greater the values of the displacement field or the unsmoothed implant displacement field at this location. This weighting is due to the fact that the thicker an implant tightens the overlying skin.
  • the specific determination of the parameters of the smoothing takes place, for example, using a Database of empirically verified data on representative and actually operated sample patients. Another possibility is that, for example, the location-dependent amount of the displacement field is considered.
  • the parameters of the second smoothing can also take into account the fact that, for example, onlays and strings, because they lie at different depths, influence the surface more or less strongly.
  • the second smoothing is also preferably carried out in such a way that lower frequencies are filtered out in comparison to the displacement field smoothing.
  • the combination of the two smoothing corresponds to a multi-resolution geometry smoothing.
  • Multiresolution here means that fine surface structures and large-scale displacements are smoothed separately. This way, fine structures (e.g. warts, pores, etc.) are obtained and the course of the implant is smoothed at the same time.
  • boundary conditions were previously defined, the adjustment to these boundary conditions is carried out in a further step.
  • the values outside the marked areas are fixed to the preoperative level.
  • smoothing is then carried out with the aid of further filters or correction functions in the direction of the limits defined with the boundary conditions.
  • the texture and possibly the bump map are smoothed.
  • the texture / bump map as a modulation of the surface normal as a function of the location on the surface may be transformed to the coordinate system used for the geometry (if it is not already there).
  • smoothing analogous to the second (geometry) smoothing with smoothing again depending on the displacement field.
  • Texture or bump map smoothing also uses, for example, the smoothing parameters of the second smoothing and can account for a certain percentage of this smoothing, for example between 30% and 100%.
  • bumpmap smoothing compensates for fluctuations in brightness and prevents the contours that have been smoothed out and no longer present in the 3D representation of the postoperative face surface from appearing in color or black and white. Bumpmap smoothing is useful if its local resolution is better than that of the purely geometric 3D representation. The bump map smoothing then causes the disappearance of very small skin folds at the areas where the skin is stretched and possibly compressed.
  • FIG. 9 summarizes the essential steps of the method.
  • FIG. 9a schematically shows an implant displacement field (solid line) and a displacement field obtained therefrom by a displacement field smoothing / compression. This displacement field is shown again in FIG. 9b.
  • a solid line is represented by a solid line, which schematically represents the face surface in the figure.
  • the dashed line shows the same surface after adding the displacement field.
  • FIG. 9c schematically represents the same surface in the lower area before (solid line) and after (dashed line) smoothing the surface.
  • the displacement field is shown again for illustration. In the places where the displacement field is large (in the figure in a middle area), the smoothing has been pronounced, whereas where the displacement field disappears (in the edge areas), the dashed line faithfully follows the solid line.
  • a computer program for executing the method according to the invention is a program written in a common programming language, for example, which executes the method steps described above step by step in succession.
  • a data carrier that contains this computer program is, for example, a CD, DVD, a magnetic or magneto-optical computer external memory, a hard disk for a program server, a plurality or a combination of these media or any other electronic memory on which the program is stored.
  • An apparatus for executing the method according to the invention is, for example, a computer with an interface via which digital image and geometry data can be read in, a program memory in which the computer program is stored, a processor unit with which the program can be executed and an interface , via which the result can be output (e.g. a monitor and / or printer connection).
  • An apparatus for executing the method according to the invention can, however, also be a commercially available scanner with a built-in processor for processing Image data and a program memory, on which a program for executing the method is stored, and an output means (screen and / or printer connection).

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Abstract

Das Verfahren zur Gewinnung einer Darstellung der post-operativen Oberfläche eines menschlichen Körperteils nach dem Einbringen eines Implantates unter die Oberfläche des Körperteiles benutzt eine bspw. mit einem konventionellen Oberflächenscanner gewonnene Darstellung der präoperativen Oberfläche des Körperteils. In einem ersten Schritt wird ein auf den zu unterlegenden Bereich der Gesichtsoberfläche wirkendes Verschiebungsfeld definiert, das das Implantat repräsentiert. Das Verschiebungsfeld an einem Punkt auf der Oberfläche entspricht der Dicke des zu unterlegenden Implantates an diesem Punkt, wobei vorzugsweise noch eine Glättung erfolgt. Anschliessend wird das Verschiebungsfeld zu der Darstellung der präoperativen Oberfläche des Körperteils addiert und die so erhaltene Darstellung geglättet, wobei diese Glättung so erfolgt, dass der Glättungsvorgang an jedem Punkt um so ausgeprägter ist, je grösser das Verschiebungsfeld an diesem Punkt ist.

Description

VERFAHREN ZUR VORHERSAGE VON RESULTATEN KOSMETISCHER OPERATIONEN
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung einer Darstellung der postoperativen Oberfläche eines menschlichen Körperteils nach dem Einbringen eines Implantates unter die Oberfläche.
In der nun folgenden Beschreibung wird ausschliesslich auf das Gesicht verwiesen, wenn vom Körperteil die Rede sein soll. Es versteht sich aber von selbst, dass das Verfahren auch für chirurgische, insbesondere schönheitschirurgische Eingriffe in andere Körperteile vollkommen analog angewandt werden kann.
In der kosmetischen Chirurgie werden Änderungen der Gesichtskonturen erreicht, indem Kunststoffelemente, bspw. sogenannte Onlays, auf die Schädeloberfläche gebracht werden. Das Gewebe über diesen Onlays wird gestrafft, die Gesichtskonturen werden prägnanter. In ähnlicher Weise werden direkt unter die Haut Bänder (Strings) verschiedener Querschnitte gebracht um ausgeprägte Falten, z.B. die Nasolabialfalte, zu glätten. Weitere verwendete Kunststoffelemente sind bspw. mit einer Spritze unter die Hautoberfläche gebrachte Collagen- Kunststoff tropfen. Andere kosmetische Eingriffe betreffen direkt an einem Knochen getätigte Operationen. Zum Entscheiden, ob eine kosmetische Operation Sinn macht, ist es dringend erwünscht, noch vor der Operation die voraussichtlichen Änderungen am Gesicht der Patientin oder des Patienten vorhersagen zu können. Eine solche Vorhersage soll eine möglichst realistische und detaillierte Darstellung des operierten Gesichts ermöglichen, damit auch die häufig skeptischen Patientinnen und Patienten von Operationen dieser Art überzeugt werden können.
Heute wird zur Vorhersage der Gesichtskonturen häufig das sog. „Bild-Morphing" verwendet: Eine 2D-Abbildung der Gesichtsoberfläche wird verformt, wobei der chirurgische Eingriff an einer aus der gleichen Ansicht wie die Abbildung aufgenommene Röntgenaufnahme simuliert wird. Anschliessend wird die Abbildung gemäss der so am Schädel erhaltenen Verformung deformiert. Diese Methode bedingt allerdings die Aufnahme von beim Patienten unbeliebten und gesundheitschädlichen Röntgenbildern und zeitigt auch nicht immer befriedigende Resultate, die Vorhersagen sind ungenau.
Eine im Vergleich dazu stark verbesserte Methode (Koch et al., SIGGRAPH 96 Conference Proceedings, ρ.421-428, Koch et al., CS Technical Report 326 (1999)) beruht darauf, dass in einem ersten Schritt ausgehend von einer 3D-Darstellung der Schädelgeometrie (siehe Figur 2) und von einer 3D-Darstellung der Gesichtsoberfläche (siehe Figur 1) in das Gewebe zwischen dem Schädel und der Gesichtsoberfläche in Elemente diskretisiert wird. Die Gewebeeigenschaften werden dann mit Parametern zu diesen Elementen erfasst. Anschliessend wird der chirurgische Eingriff - zum Beispiel das Aufbringen eines Onlays auf den Knochen, siehe Figur 3 - virtuell am Schädel vorgenommen. Die im ersten Schritt erhaltenen Parameter werden dann auf ein auf dem derart verformten Schädel liegendes Gewebe angewandt. Aus der so erhaltenen Darstellung der Oberfläche wird eine Abbildung des postoperativen Gesichtes gewonnen. Das realistische Erfassen der Gewebeeigenschaften mit Parametern bedingt eine Modellierung der Physik der Gewebeverformungen. Das kann bspw. geschehen, indem die für die Diskretisierung gewählten Elemente finite Elemente der Oberfläche sind, die mit dem Schädel durch Federn verbunden ist (Masse-Feder- System). Noch bessere Resultate bringt ein volumetrischer Finite-Elemente-Ansatz unter Berücksichtigung der Theorie der Elastomechanik. Durch diese 3D-Methode gemachte Vorhersagen sind bei geeigneter Implementierung treffend und genau. Der Nachteil der Methode liegt jedoch darin, dass die Schädelgeometrie bekannt sein muss. Das bedingt, dass bspw. ein durch eine medizinische Methode wie Computertomographie aufgenommener Volumendatensatz des Schädels vorhanden sein muss. Das ist aber im Allgemeinen für einen Eingriff mittels plastischer Chirurgie nicht der Fall, das Erstellen eines solchen Tomogramms soll einer Patientin auch keinesfalls zugemutet werden. Alternativ dazu könnte eine Schädelform auch aus der Gesichtsoberflächengeometrie evaluiert werde, bspw. unter Bezugnahme auf eine möglichst umfassende Datenbank mit beispielhaften Oberflächen- und Volumendaten. Ein solches Evaluieren ist aber mit den heute zur Verfügung stehenden Methoden sehr aufwändig und ausserdem nicht immer akkurat. Ein weiterer Nachteil der Methode ist der extrem grosse Rechenaufwand der Methode. Eine entsprechende Finite-Elemente-Rechnung ist daher auch mit modernen Hochleistungsrechnern extrem zeitaufwändig.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das Nachteile bestehender Verfahren nicht aufweist, und das insbesondere Vorhersagen von genügender Genauigkeit liefert und das dabei einfach und schnell ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen definiert ist. Die Erfindung beruht im Wesentlichen auf der Ausführung der folgenden Schritte: In einem ersten Schritt wird das Implantat, nämlich der Onlay, der String, der Collagentropfen, ein anderes Implantat oder eventuell auch die am Knochen durchgeführte Versetzung durch ein Implantat- Verschiebungsfeld repräsentiert, welches beispielsweise noch geglättet und/oder komprimiert wird, wodurch man ein Verschiebungsfeld erhält. Anschliessend wird dieses Verschiebungsfeld auf eine Darstellung der Geometrie der prä-operativen Gesichtsoberfläche angewandt, d.h. zu dieser addiert. Dann wird die so erhaltene Oberfläche erneut geglättet, worauf man eine Darstellung der post-operativen Gesichtsoberfläche erhält. Diese zweite Glättung wird gewichtet nach der Stärke des Verschiebungsfeldes durchgeführt, d.h. eine Glättung erfolgt verstärkt an den Orten, wo das Verschiebungsfeld stark ist.
Dieses Verfahren entspricht einem gedachten Aufbringen des (durch die erste Glättung) von Ecken und Kanten befreiten, ausgeglätteten und eventuell komprimierten Implantates auf die als steif angesehene Gesichtsoberfläche und einem anschliessenden Straffen der Haut (zweite Glättung) an den Stellen, wo das Implantat dick ist und dementsprechend bei einer tatsächlichen Operation das darüber liegende Gewebe spannt und eventuell komprimiert.
Ein analoges und auf derselben Idee beruhendes Vorgehen kann auch ohne direkte Verwendung der (3D-) Geometrie angewandt werden. Auch eine Darstellung in Form einer Textur und/oder Bumpmpap\ d.h. einer lokalen Modulation der Oberflächennormale, kann geglättet werden, wobei die Glättung an einem bestimmten Ort umso stärker ist, je grösser das Verschiebungsfeld an diesem Ort ist.
Das Verfahren weist im Vergleich zum Stand der Technik erhebliche Vorzüge auf.
Es benötigt als Eingangsdaten lediglich eine digitale Darstellung der Gesichtsoberfläche sowie des Implantates. Es eignet sich daher in hervorragender Weise für eine Anwendung in der plastischen Chirurgie und insbesondere für Patientendemonstrationszwecke, wo die Durchführung von aufwändigen und unangenehme Verfahren zum Scannen von Volumendaten nicht möglich ist. Das Verfahren ist aber trotzdem ein 3D- Verfahren und ausserdem im Vergleich zum heute angewandten 2D-Morphing viel präziser und kann nach lediglich kurzer Instruktion von Nutzem ausgeführt werden, ohne dass Erfahrung in plastischer Chirurgie und eine entsprechende Intuition vorausgesetzt wird. Es ist gleichzeitig sehr schnell ausführbar, ohne dass eine unüblich grosse Rechenleistung benötigt wird. Im Vergleich zu den vorstehend diskutierten finite-Elemente-Methoden geht es mit einem neuen Ansatz den Weg hin zum Einfachen, statt dass es eine Weiterentwicklung, Perfektionierung und entsprechende Verkomplizierung des Bestehenden darstellt. Ein weiterer Vorzug des Verfahrens ist, dass es immer besser wird, je häufiger es angewandt wird, ohne dass auf die Lernfähigkeit des Nutzers selbst vertraut wird. Der Grund dafür ist, dass die Datenbank mit Glättungsparametern zu repräsentativen Patienten laufend ausgebaut werden kann.
Eine Darstellung der Gesichtsoberfläche im obigen Sinn ist z.B. eine Menge von Oberflächepunkten im dreidimensionalen Raum, die bspw. noch so paarweise miteinander mit gedachten Linien verbunden sind, dass eine Bedeckung der Gesichtsoberfläche mit Dreiecken resultiert. Eine Darstellung der Gesichtsoberfläche kann aber auch eine Parametrisierung, d.h. eine mathematische Funktion, bspw. der Form r-r(z, φ) (Zylinderkoordinatendarstellung) oder f(x,y,z)=0 (implizit in kartesischen Koordinaten) sein. Zur Beurteilung der Gesichtsästhetik ist aber natürlich im Allgemeinen ein zweidimensionales, wenn möglich farbiges Bild notwendig. Die Zuordnung einer Farbinformation oder eventuell einer hell-dunkel- Information zu einer 3D-Darstellung im obigen Sinn nennt man Textur (Siehe Figur 4). Eine Textur ist eine gezielte, ortsabhängige Modulation der Farbe oder sonstiger photometrischer Materialeigenschaften (spekulare oder diffuse Reflexion, spektrale Eigenschaften von Reflexen etc.) einer Oberfläche. Eine mit einer Farbinformation oder eventuell mit Grautönen versehene 3D-Darstellung (oder Geometrie) der prognostizierten postoperativen Gesichtsoberfläche (als zweite Darstellung der postoperativen Gesichtsoberfläche) erhält man wie folgt:
Akquisition der Bildinformation des präoperativen Gesichtes und Gewinnung einer Textur aus dieser Bildinformation und der 3D-Darstellung der präoperativen Gesichtsoberfläche, - Normierung der Textur
Anwenden der erhaltenen Textur auf die erfindungsgemäss erhaltene SD- Darstellung der postoperativen Gesichtsoberfläche - Durchführen einer Textur-Glättung unter Verwendung der 3D-Darstellung der postoperativen Gesichtsoberfläche. Eine solche Texturglättung kann bspw. die Glättungsparameter der zweiten Glättung (der Glättung der Darstellung der Gesichtsoberfläche) verwenden und kann einen bestimmten Prozentsatz dieser Glättung ausmachen, bspw. 50%.
Eine Normierung der Textur ist ein simuliertes vollständiges Ausleuchten der dargestellten Oberfläche. Mit der Normierung werden dargestellte Schattenwürfe durch Falten etc. entfernt. Die Textur-Normierung ist sinnvoll und nötig, weil ein Bild im Allgemeinen Konturen in Form von Licht-Schatten-Kontrasten wiedergibt. Diese Kontraste widerspiegeln sich natürlich in Helligkeitsschwankungen der Textur, welche durch die Normierung beseitigt werden. Die Textur-Glättung gleicht darüber hinaus sämtliche prä-operativen Strukturen an den Orten aus, an denen sie auch in der Realität nach der Operation verschwinden und verhindert so, dass die in der SD- Darstellung der postoperativen Gesichtsoberfläche aus geglätteten und also nicht mehr vorhandenen Konturen trotzdem in der farbigen bzw. schwarzweissen Darstellung erscheinen. Die Textur-Glättung ist dann sinnvoll, wenn die örtliche Auflösung der Textur besser ist als diejenige der rein geometrischen 3D-Darstellung. Die Textur-Glättung bewirkt dann das Verschwinden von sehr kleinen Hautfalten an den Stellen, an denen die Haut gespannt und evtl. komprimiert wird. Neben der Textur werden in der Computergraphik weitere Methoden angewendet, die eine Erhöhung des Photorealismus zur Folge haben. Hier wäre insbesondere die Methode des Bumpmappings zu nennen. Bumpmapping ist eine gezielte lokale Modulation der Oberflächennormale der Geometrie, was bei der Bilderzeugung durch den Computer als Oberflächenstruktur erkennbar wird. Beim Bumpmapping wird also im Gegensatz zur Textur nicht die Farbinformation visualisiert. Es werden vielmehr mit Hilfe einer Bump-Textur („Bumpmap") feine Strukturen dargestellt. Sinnvollerweise erfolg das Bumpmapping für Strukturen die so fein sind, dass sie entweder jenseits der Auflösung des Geometriescanners liegen oder aus Performanzgründen nicht im dreidimensionalen Datensatz enthalten sind. Mit der Bumbmapping-Technik ist es also möglich, sehr kleine Hautfalten, oder auch Porenstrukturen darzustellen, die erst in einer starken Vergrösserung genauer sichtbar werden würden.
Gemäss einer Ausführungsform der Erfindung wird das Bumpmapping auch auf die Darstellung des postoperativen menschlichen Gesichts angewandt. Eine auf diese Weise photorealistisch visualisierte (zweite) Darstellung des postoperativen menschlichen Gesichtes erhält man wie folgt:
Akquisition oder synthetische Erzeugung einer Bumpmap des Gesichtes. Anwenden der erhaltenen Bumpmap auf die erfindungsgemäss erhaltene 3D- Darstellung der postoperativen Gesichtsoberfläche
Durchführen einer Bumpmap- Glättung unter Verwendung der 3D-Darstellung der postoperativen Gesichtsoberfläche. Eine solche Bumpmap-Glättung kann bspw. ebenfalls die Glättungsparameter der zweiten Glättung (der Glättung der Darstellung der Gesichtsoberfläche) verwenden und kann einen bestimmten Prozentsatz dieser Glättung ausmachen, bspw. 50%. Ebenso wie bei der Textur-Glättung gleicht die Bumpmap-Glättung Helligkeitsschwankungen aus und verhindert, dass die in der 3D-Darstellung der postoperativen Gesichtsoberfläche ausgeglätteten und nicht mehr vorhandenen Konturen trotzdem in der farbigen bzw. schwarzweissen Darstellung erscheinen. Die Bumpmap-Glättung ist dann sinnvoll, wenn ihre örtliche Auflösung besser ist als diejenige der rein geometrischen 3D-Darstellung. Die Bumpmap-Glättung bewirkt dann das Verschwinden von sehr kleinen Hautfalten an den Stellen, an denen die Haut gespannt und evtl. komprimiert wird.
Aus der zweiten 3D-Darstellung mit Oberflächenstruktur, Farbtönen (oder eventuell mit Grautönen) und ggf. mit Bumpmap lässt sich ein Farbbild bzw. eine Schwarzweissabbildung mittels einfacher Projektion gewinnen. Dieser Vorgang, der auch das Wählen eines beliebigen Aufnahmewinkels (d.h. das Drehen der Oberflächengeometrie im Raum) erlauben kann, ist in der graphischen Datenverarbeitung bekannt, es soll hier nicht näher darauf eingegangen werden.
Eine alternative Vorgehensweise ist, dass die (zweite) Glättung direkt an der Bumpmap und/oder der Textur durchgeführt wird. Analog zum obigen Vorgehen bestimmt das Verschiebungsfeld das lokale Ausmass der Glättung.
Im folgenden wird noch die Funktionsweise der Erfindung anhand eines exemplarischen Ausführungsbeispiels etwas detaillierter beschrieben. Eine Zeichnung dient dabei zur Illustration. In der Zeichnung zeigt:
Figur 1 eine 2D- Visualisierung einer durch einen Oberflächenscan gewonnenen Darstellung einer Gesichtsoberfläche, Figur 2 eine Visualisierung einer dieser entsprechenden Darstellung des Schädels (zum Stand der Technik)
Figur 3 eine Visualisierung des Schädels mit aufgelegten Onlays (zum Stand der Technik)
Figur 4 eine Ansicht einer Gesichtes mit einer Textur
Figur 5 ein Beispiel für ein für eine Wange verwendbares Onlay
Figur 6 eine zu Figur 1 analoge Ansicht, wobei die Definition von Randbedingungen aufgezeigt ist,
Figur 7 eine zu Figur 1 analoge Ansicht, wobei das Auflegen von Onlays angedeutet ist,
Figur 8 eine Ansicht eines Gesichts mit ausgeprägter Naso labialfalte, wobei die Positionierung eines Strings aufgezeichnet ist und
Figuren 9 a, b, c eine Skizze zum erfindungsgemässen Verfahren: Fig. 9a die erste Glättung des Onlays, Fig. 9b die Aufbringung auf die Hautoberfläche und Fig. 9c die zweite Glättung der Oberfläche.
Erfassung der präoperativen Gesichtsgeometrie und die Gewinnung einer 3D- Darstellung dieser erfolgt bspw. mit einer an sich bekannten und kommerziell erhältlichen Apparatur. Vorzugsweise wird ein Oberflächenscanner benutzt, wie er bspw. von Cyberware, Wicks & Wilson oder von Minolta angebotenen wird. In Figur 1 ist ein zylindrischer Scan aufgezeigt, der „abgerollt" dargestellt ist. Es können allerdings auch je nach Situation Daten über die Gesichtsgeometrie vorhanden sein, die mittels eines Volumenscanners wie bspw. eines Computertomographen oder Kernspintomographen erfasst wurden. Diese können bei ausreichender Geometrieauflösung ebenfalls eingesetzt werden, wobei dann die Gesichtsoberfläche extrahiert werden muss. Die Textur der präoperativen Gesichtsoberfläche wird je nach dem simultan mit der Geometrie gewonnen, bspw. wenn ein farbempfindlicher Oberflächenscanner mit einer Software zum Erstellen einer Bildinformation verwendet wird. Alternativ dazu kann eine digitale Photokamera oder, das digitalisierte Bild einer konventionellen Photokamera verwendet werden. Das Aufbringen dieser Farbinformation auf die Geometrie, d.h. das Erstellen der Textur, erfolgt mit einer geeigneten und bekannten Methode, die bspw. das manuelle „matching" (Aufeinanderpassen) von ausgewählten Punkten von Geometrie und Digitalbild erfordern kann. Die Darstellung und die Textur werden in eine Apparatur zur graphischen Datenverarbeitung eingebracht, also in den Speicher eines mit der nötigen Software bestückten Computers geladen. Eine Bumpmap wird bspw. ebenfalls aufgrund der Textur gewonnen. Im einfachsten Fall (Beleuchtung nur von einer Seite) wird bspw. die Oberflächennormale gemäss Abweichungen des Hell-Dunkel-Wertes von einem Mittelwert variiert.
Eine Darstellung der Gesichtsoberfläche kann bspw. eine Menge von Punkten, z.B. in Zylinderkoordinatenrepräsentation sein. Das Koordinatensystems ist so gewählt, dass sich die z-Achse entlang einer vertikal durch den Kopf verlaufenden Linie erstreckt. Das Implantat, bspw. das Onlay oder der String, wird durch ein Implantat- Verschiebungsfeld repräsentiert. Ein Implantat, nämlich ein Onlay, das zum Auflegen auf die Backenknochen vorgesehen ist, ist in Figur 5 visualisiert. Ein solches Implantat-Verschiebungsfeld ist eine auf eine Fläche, nämlich eine Oberfläche, wirkende Funktion, die die Oberfläche lokal um die lokale Dicke des auf die Oberfläche aufgelegten Implantats verschiebt. Zur Definition der Dicke des auf die Oberfläche aufgelegten Implantats an einem Oberflächenpunkt wird bspw. ein von der z-Achse parallel zur *=0-Ebene durch den Oberflächenpunkt radial nach aussen gehender Strahl genommen. Die Dicke des Implantats in dem Punkt ist dann die Länge der im Implantat verlaufenden Teilstrecke des Strahls. Im hier gewählten Beispiel wird dann durch das Implantat- Verschiebungsfeld, wenn die Oberfläche durch eine Menge von Punkten dargestellt wird, jeder Punkt eines ausgewählten Bereiches um die so definierte Dicke des Implantats radial verschoben wird. Wenn die Oberfläche also in Zylinderkoordinaten bekannt ist, ist ein Verschiebungsfeld v (ebenfalls in Zylinderkoordinaten) eine mathematische Abbildung v: r—>r'=r+v(z, φ). Verschiedene Onlays oder Strings verschiedener Grossen, Durchmesser oder Typen können - als nur noch in ihrer Position auf der Oberfläche anzupassende Implantat- Verschiebungsfelder - beispielsweise in einer vom Computer aus abrufbaren Datenbank vorhanden sein. Alternativ können Onlays oder Strings auch direkt im Computer modelliert werden.
Je nach Situation empfiehlt sich noch eine Definition von Randbedingungen auf der Darstellung der Gesichtsoberfläche. Hierzu werden, wie das in der Figur 6 aufgezeigt ist, grosszügig diejenigen Bereiche markiert, die sich durch die Operation verändern werden. Die Randbedingung ist nun die, dass die nicht markierten Bereiche als nicht veränderlich definiert und für die Darstellung der postoperativen Gesichtsoberfläche fixiert werden. In einem nächsten Schritt wird das Implantat- Verschiebungsfeld numerisch zu einem ebenfalls das Implantat repräsentierenden Verschiebungsfeld geglättet und eventuell gleichzeitig komprimiert (Verschiebungsfeld-Glättung). Dieser ersten Glättung/Kompression liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass die Elastizität des über dem Implantat liegenden Gewebes Extreme des Implantates ausgleicht. Gleichzeitig wird das Gewebe aufgrund des darunterliegenden Implantates auch komprimiert Die Glättungsparameter werden entsprechend so gewählt, dass die Eigenschaften des Gewebes mit eingehen. Eine Glättung und Kompression eines ein Onlay repräsentierenden Verschiebungsfeldes wird stärker ausfallen als diejenige für einen String, da ersterer auf den Knochen implantiert wird und also viel ausgleichendes Gewebe über ihn zu liegen kommt, während ein String unmittelbar unter der Haut eingesetzt wird. Eine Kompression bei einer gleichzeitigen Glättung wird bspw. durch einen evtl. ortsabhängigen Skalierungsfaktor <1 erreicht. Alternativ zur Gewinnung des Verschiebungsfeldes durch eine Glättung des Implantat- Verschiebungsfeldes kann aber auch das Implantat- Verschiebungsfeld direkt als Verschiebungsfeld übernommen werden.
Eine Glättung (oder Filterung) in einem Bereich bedeutet das Ersetzen eines jeden Punktes oder Funktionswertes in dem Bereich durch ein gewichtetes Mittel des Punktes/Funktionswertes mit Punkten/Funktionswerten in einer Umgebung. Wenn die Oberfläche durch eine Menge von Punkten dargestellt ist, wird dabei bspw. eine lokale Parametrisierung verwendet. Als Glättungsparameter gehen dabei bspw. die Anzahl der Punkte in der Umgebung/die Grosse der Umgebung ein. Auch die Gewichtungsfaktoren der Punkte Funktionswerte in dieser Umgebung können noch variable Glättungsparameter sein. Ein weiterer Glättungsparameter, der häufig mit λ bezeichnet wird, ist die anteilmässige Verschiebung eines Punktes in Richtung seiner Nachbarpunkte. λ=0 bedeutet keine Verschiebung, λ=l die Ersetzung des Punktes durch den evtl. gewichteten Mittelwert der Punkte in der Umbegung. λ ist somit so etwas wie der Gewichtungsfaktor des zu mittelnden Punktes selbst. Typischerweise werden kleine λ-Werte gewählt und mehrere Glättungs-Iterationen durchgeführt. Typische Werte sind λ=0,2 bei 3-4 Iterationen. Eine Glättung wird als um so ausgeprägter bezeichnet, je mehr Gewicht entferntere Punkte bei der gewichteten Mittelung bekommen. Wenn eine zu glättende Fläche oder ein zu glättendes Verschiebungsfeld in einer Parametrisierung vorhanden ist, so ist die einfachste und gängigste Form einer Glättung die mathematische Faltung mit einer Gaussfunktion. Glättungsparameter ist dabei die eventuell ortsabhängige Breite der Gaussfunktion. Eine gleichzeitig mit der Glättung ausgeführte Kompression kann bspw. dadurch erwirkt werden, dass das Integral unter der Gaussfunktion kleiner als 1 ist. Eine Glättung kann alternativ zu vorstehend beschriebenen Ansätzen auch durch eine Fouriertransformation und einer anschliessenden Multiplikation des Fourierspektrums mit einer frequenzabhängigen Funktion geschehen (Bandpassglättung). Konkret wird bspw. ein grosser Anteil von bestimmten Frequenzen, die der typischen Modulation eines faltigen Hautabschnittes entsprechen können, entfernt, d.h. weggefiltert. Die Verschiebungsfeld-Glättung ist typischerweise so, dass hohe Frequenzbereiche weggefiltert werden und zwar um so mehr, je tiefer das Implantat unter der Haut liegt.
Ein Beispiel für verwendbare Parameter: Glättung als Faltung mit der Gauss- Funktion (A/σ)*exp(-(x-μ)2/2σ2): Die für eine Gauss-Glättung notwendige Parametrisierung liefert das Zylinderkoordinatensystem, das bei einem Scan des Körperteils beispielsweise mit einem Scanner der Firma Cyberware inhärent gegeben ist. Ausserdem ist die eingescannte Geometrie in einem regulären Gitter gegeben, so dass ein Gauss-Operator durch Anwendung eines Filter-Kernels verwendet werden kann, wie er z.B. auch für das Blurring von Bildern eingesetzt werden kann. Der Filter-Kernel, der in Form einer Matrix gegeben sein kann, legt fest, bis wie weit benachbarte Punkte bei der Glättung berücksichtig werden, womit der Rechenaufwand begrenzt wird. Dies ist in den Fällen nötig, wo die Glättungsfunktion auch bei grossen Abständen nicht ganz =0 wird, bspw. bei der Gauss-Funktion. Als Faustregel wird die Grosse des Filter- Kernels zwischen 2 und 10 mal dem Wert von σ gewählt, bspw. zwischen 1 cm und 3 cm. Beispiele für Parameter für die Gaussglättung bei durchschnittlichen Implantaten und bei einer bis 5 und bspw. 3 Iterationen sind dann: μ»0, 0,1 cm<σ<0,7 cm und bspw. 0,35 cm<σ<0,4 cm sowie A so gewählt, dass das Integral über die Funktion zwischen 0,8 und 1 und bspw. zwischen 0.93 und 0.97 liegt (entspricht der Kompression des Gewebes).
Wenn das Implantat weniger tief unter der Hautoberfläche zu liegen kommt (bspw. für .Strings') , muss schwächer geglättet werden: Nur eine Iteration oder bspw. zwei Iterationen, μ»0, 0,5 cm<σ<2 cm und bspw. 0,7 cm<σ<l,2 cm; A so gewählt, dass das Integral über die Funktion zwischen 0,9 und 1 und bspw. zwischen 0.95 und 1 liegt.
Das geglättete Verschiebungsfeld wird anschliessend auf die Darstellung der präoperativen Gesichtsoberfläche angewandt und die resultierende Gesichtsoberfläche berechnet. Dies entspricht einem Aufbringen des ausgeglätteten Implantates auf die als steif gedachte Gesichtsoberfläche. Figur 7 zeigt beispielhaft Bereiche der Hautoberfläche auf, auf die das Implantat, nämlich ein Onlay (virtuell) aufgelegt wird. In Figur 8 findet sich eine analoge Darstellung für einen String, wobei das Gesicht eine ausgeprägte Nasiolabalfalte aufweist.
Die so erhaltene Oberfläche wird erneut geglättet (zweite Glättung). Diese Glättung erfolgt gewichtet. Die Glättung an einem Ort erfolgt um so ausgeprägter, je grösser die Werte des Verschiebungsfeldes bzw. des ungeglätteten Implantat- Verschiebungsfeldes an diesem Ort sind. Diese Gewichtung ist dadurch begründet, dass ein Implantat die darüberliegende Haut um so mehr strafft, je dicker es ist. Die konkrete Bestimmung der Parameter der Glättung erfolgt bspw. anhand einer Datenbank von empirisch verifizierten Daten über repräsentative und tatsächlich operierte Beispielpatienten. Eine Möglichkeit ist weiter, dass bspw. der ortsabhängige Betrag des Verschiebungsfeldes betrachtet wird. Der Parameter λ oder die Breite der Gaussfunktion kann dann gleich einer vorbestimmten Konstante, λ=0,2, wo der Betrag des Verschiebungsfeldes einen Schwellenewert wie 50% oder 75% des maximalen Verschiebungsfeld-Betrags überschreitet, und λ=0 sonst gesetzt werden, λ (oder ein analoger, die Glättung bestimmender Parameter) kann auch proportional zum Betrag des Verschiebungsfeldes sein.
Auch die Parameter der zweiten Glättung können berücksichtigen, dass bspw. Onlays und Strings dadurch, dass sie verschieden tief liegen, die Oberfläche stärker oder weniger stark beeinflussen. Die zweite Glättung erfolgt ausserdem vorzugsweise so, dass im Vergleich zur Verschiebungsfeld- Glättung tiefere Frequenzen weggefiltert werden. Die Kombination der beiden Glättungen entspricht einer Multiresolution-Geometrieglättung,. "Multiresolution" bedeutet hier, dass feine Oberflächenstrukturen und grossflächige Verschiebungen getrennt geglättet werden. So werden feine Strukturen (z.B. Warzen, Poren, etc.) erhalten und gleichzeitig der Verlauf des Implantats geglättet.
Beispiele für verwendbare Parameter für die zweite Glättung: vier Iterationen, λ=0,l multipliziert mit dem Wert des normierten Verschiebungsfeldes.
Wenn vorher Randbedingungen definiert wurden, erfolgt nun in einem weiteren Schritt noch die Anpassung an diese Randbedingungen. Dazu werden die Werte ausserhalb der markierten Bereiche auf den präoperativen Stand fixiert. An den Randgebieten der Bereiche erfolgt dann mit Hilfe von weiteren Filtern oder von Korrekturfunktionen eine Glättung in Richtung der mit den Randbedingungen definierten Grenzen. Anschliessend an die zweite Glättung erfolgt bspw. noch eine Glättung der Textur und ggf. der Bumpmap. Dazu wird die Textur/Bumpmap als Modulation der Oberflächennormale in Funktion des Ortes an der Oberfläche ggf. noch auf das für die Geometrie verwendete Koordinatensystem transformiert (wenn sie nicht schon in diesem vorhanden ist). Anschliessend erfolgt eine Glättung analog zur zweiten (Geometrie-) Glättung, wobei auch wieder abhängig vom Verschiebungsfeld geglättet wird. Auch die Textur- oder Bumpmap-Glättung verwendet bspw. die Glättungsparameter der zweiten Glättung und kann einen bestimmten Prozentsatz dieser Glättung ausmachen, bspw. zwischen 30% und 100%.
Eine andere mögliche Parameterwahl: Verfahren wie bei der zweiten Glättung, λ=0,5 multipliziert mit dem Wert des normierten Verschiebungsfeldes, fünf Iterationen
Ebenso wie bei der Textur-Glättung gleicht die Bumpmap-Glättung Helligkeitsschwankungen aus und verhindert, dass die in der 3D-Darstellung der postoperativen Gesichtsoberfläche ausgeglätteten und nicht mehr vorhandenen Konturen trotzdem in der farbigen bzw. schwarzweissen Darstellung erscheinen. Die Bumpmap-Glättung ist dann sinnvoll, wenn ihre örtliche Auflösung besser ist als diejenige der rein geometrischen 3D-Darstellung. Die Bumpmap-Glättung bewirkt dann das Verschwinden von sehr kleinen Hautfalten an den Stellen, an denen die Haut gespannt und evtl. komprimiert wird.
Bezugnehmend auf sämtliche Glättungsverfahren wird der Fachmann natürlich ohne weiteres erkennen, dass viele verschiedene Glättungsverfahren anwendbar sind. Dabei sei hier auch auf das umfangreiche Know-how über Bildverarbeitungstechnik verwiesen. Die Erfindung beschränkt sich in keiner Weise auf die hier vorgestellten Glättungstechniken. Figur 9 illustriert noch zusammenfassend wesentliche Schritte des Verfahrens. Figur 9a zeigt schematisch ein Implantat- Verschiebungsfeld (durchgezogene Linie) und ein daraus durch eine Verschiebungsfeld-Glättung/Kompression erhaltenes Verschiebungsfeld. In Figur 9b ist dieses Verschiebungsfeld erneut dargestellt. Darunter ist durch eine durchgezogene Linie eine Oberfläche dargestellt, die in der Figur schematisch für die Gesichtsoberfläche steht. Die gestrichelte Linie zeigt dieselbe Oberfläche nach Addition des Verschiebungsfeldes. Figur 9c stellt im unteren Bereich schematisch dieselbe Oberfläche vor (durchgezogene Linie) und nach (gestrichelte Linie) einer Glättung der Oberfläche. Zur Illustration ist darüber noch einmal das Verschiebungsfeld dargestellt. An den Orten, wo das Verschiebungsfeld gross ist (in der Figur in einem mittleren Bereich), ist die Glättung ausgeprägt erfolgt, wohingegen dort, wo das Verschiebungsfeld verschwindet (in den Randbereichen), die gestrichelte Linie der durchgezogenen Linie getreu folgt.
Ein Computerprogramm zur Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist ein bspw. in einer gängigen Programmiersprache abgefasstes Programm, das die vorstehend beschriebenen Verfahrensschritte schrittweise nacheinander ausführt. Ein Datenträger, der dieses Computerprograrnrn enthält ist bspw. eine CD, DVD, ein magnetischer oder magnetooptischer computerexterner Speicher, eine Festplatte für einen Programmserver, eine Vielzahl oder eine Kombination dieser Medien oder ein beliebiger anderer elektronischer Speicher, auf dem das Programm gespeichert ist. Eine Apparatur zum Ausführen des erfindungsgemässen Verfahrens ist bspw. ein Computer mit einer Schnittstelle, über die digitale Bild- und Geometriedaten eingelesen werden können, einem Programmspeicher, in dem das Computerprogramm gespeichert ist, einer Prozessoreinheit, mit der das Programm ausgeführt werden kann und einer Schnittstelle, über die das Resultat ausgegeben werden kann (bspw. einen Bildschirm- und/oder Druckeranschluss). Eine Apparatur zum Ausführen des erfindungsgemässen Verfahrens kann aber auch ein Scanner handelsüblicher Art mit einem eingebauten Prozessor zur Verarbeitung von Bilddaten und einem Programmspeicher, auf dem ein Programm zur Ausführung des Verfahrens gespeichert ist, sowie einem Ausgabemittel (Bildschirm und/oder Druckeranschluss) sein.
Der Fachmann wird erkennen, dass basierend auf der erfindungsgemässen Idee noch eine Vielzahl von weiteren Ausführungsformen der Erfindung denkbar sind.

Claims

PATENTANSPRUCHE
1. Verfahren zur Gewinnung einer Darstellung der post-operativen Oberfläche eines menschlichen Köφerteils nach dem Einbringen eines Implantates unter einen durch das Implantat zu unterlegenden Bereich der Oberfläche des Köφerteiles mittels einer Darstellung der präoperativen Oberfläche des
Köφerteils, wobei folgende Schritte ausgeführt werden: a) Repräsentieren des Implantates durch ein auf den zu unterlegenden Bereich der Gesichtsoberfläche wirkendes Verschiebungsfeld, b) Addieren des Verschiebungsfeldes zu der Darstellung der präoperativen Oberfläche des Köφerteils, c) Ausführen einer Glättung, die auf die derart erhaltenen Darstellung wirkt, wobei diese Glättung so erfolgt, dass der Glattungsvorgang an jedem Punkt um so ausgeprägter ist, je grösser das Verschiebungsfeld an diesem Punkt ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Glättung zum Betrag des Verschiebungsfeldes proportional ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein auf die Oberfläche wirkendes Implantat- Verschiebungsfeld so definiert wird, dass die durch dieses Implantat- Verschiebungsfeld bewirkte Verschiebung an einem zu unterlegenden Punkt der Dicke des Implantates an diesem Punkt entspricht, und dass das
Verschiebungsfeld erhalten wird, indem das Implantat- Verschiebungsfeld durch eine Verschiebungsfeld-Glättung geglättet und/oder komprimiert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein auf die Oberfläche wirkendes Implantat- Verschiebungsfeld so definiert wird-, dass die durch dieses Implantat- Verschiebungsfeld bewirkte Verschiebung an einem zu unterlegenden Punkt der Dicke des Implantates an diesem Punkt entspricht und dass das Verschiebungsfeld das Implantat- Verschiebungsfeld ist.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei anschliessend an Verfahrensschritt c) eine zweite Darstellung der postoperativen Oberfläche des Köφerteils erhalten wird, indem eine zur Darstellung der präoperativen Oberfläche des Köφerteils gehörende Textur auf die Darstellung der postoperativen Oberfläche angewandt wird, wobei die Textur vorzugsweise vorgängig noch normiert und/oder mit einer Textur-Glättung geglättet wird, wobei diese Textur-Glättung entsprechend der Geometrieglättung oder proportional zu dieser erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei anschliessend an Verfahrensschritt c) eine zweite Darstellung der postoperativen Oberfläche des
Köφerteils erhalten wird, indem eine zur Darstellung der präoperativen Oberfläche des Köφerteils gehörende Bumpmap auf die Darstellung der postoperativen Oberfläche angewandt wird, wobei diese Bumpmap vorzugsweise vorgängig noch geglättet wird, wobei diese Glättung entsprechend der Geometrieglättung oder proportional zu dieser erfolgt.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei vor dem
Ausführen von Verfahrensschritt b) Randbedingungen definiert werden, indem mindestens ein Bereich der Darstellung der präoperativen Gesichtsoberfläche als fixiert und nicht durch die anschliessenden Verfahrensschritte veränderbar festgehalten wird, und dass anschliessend an Verfahrensschritt c) Filter- und/oder Korrekturfunktionen so auf die Darstellung der Gesichtsoberfläche angewandt werden, dass die Darstellung an den Grenzen des mindesten einen Bereichs stetig ist.
8. Verfahren zur Gewinnung einer Darstellung der post-operativen Oberfläche eines menschlichen Köφerteils nach dem Einbringen eines Implantates unter einen durch das Implantat zu unterlegenden Bereich der Oberfläche des Köφerteiles mittels einer Darstellung der präoperativen Oberfläche des Köφerteils, indem das Implantat durch ein auf den zu unterlegenden Bereich der Gesichtsoberfläche wirkendes Verschiebungsfeld repräsentiert wird, indem aus der Darstellung der präoperativen Gesichtsoberfläche eine zweite
Darstellung der Gesichtsoberfläche gewonnen wird, und indem die zweite Darstellung geglättet wird, wobei diese Glättung so erfolgt, dass der Glattungsvorgang an jedem Punkt um so ausgeprägter ist, je grösser das Verschiebungsfeld an diesem Punkt ist.
9. Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computeφrogramm, welches Mittel aufweist, einen Computer ein Verfahren zur Gewinnung einer Darstellung der post-operativen Oberfläche eines menschlichen Köφerteils nach dem Einbringen eines Implantates unter einen durch das Implantat zu unterlegenden Bereich der Oberfläche des Köφerteiles mittels einer in Form elektronischer Daten vorhandenen Darstellung der präoperativen Oberfläche des Köφerteils mit folgenden Schritten ausführen zu lassen:
- Addieren des eines das Implantat repräsentierenden Verschiebungsfeldes zu der Darstellung der präoperativen Oberfläche des Köφerteils,
- Ausführen einer Glättung, die auf die derart erhaltenen Darstellung wirkt, wobei diese Glättung so erfolgt, dass der Glattungsvorgang an jedem Punkt um so ausgeprägter ist, je grösser das Verschiebungsfeld an diesem Punkt ist.
10. Computeφrogramm mit Mitteln, einen Computer ein Verfahren zur Gewinnung einer Darstellung der post-operativen Oberfläche eines menschlichen Köφerteils nach dem Einbringen eines Implantates unter einen durch das Implantat zu unterlegenden Bereich der Oberfläche des Köφerteiles mittels einer in Form elektronischer Daten vorhandenen Darstellung der präoperativen Oberfläche des Köφerteils mit folgenden Schritten ausführen zu lassen:
- Addieren des eines das Implantat repräsentierenden Verschiebungsfeldes zu der Darstellung der präoperativen Oberfläche des Köφerteils, - Ausführen einer Glättung, die auf die derart erhaltenen Darstellung wirkt, wobei diese Glättung so erfolgt, dass der Glattungsvorgang an jedem Punkt um so ausgeprägter ist, je grösser das Verschiebungsfeld an diesem Punkt ist.
11. Computeφrogrammprodukt mit einem computerlesbaren Medium enthaltend computerlesbare Programmcodemittel, um einen Computer eine Darstellung der post-operativen Oberfläche eines menschlichen Köφerteils nach dem Einbringen eines Implantates unter einen durch das Implantat zu unterlegenden Bereich der Oberfläche des Köφerteiles unter Verwendung von einer als elektronische Daten vorhandenen Darstellung der präoperativen Oberfläche des Köφerteils gewinnen zu lassen, wobei die computerlesbaren
Programmcodemittel Mittel beinhalten, den Computer folgende Schritte ausführen zu lassen:
- - Addieren des eines das Implantat repräsentierenden Verschiebungsfeldes zu der Darstellung der präoperativen Oberfläche des Köφerteils, - Ausführen einer Glättung, die auf die derart erhaltenen Darstellung wirkt, wobei diese Glättung so erfolgt, dass der Glattungsvorgang an jedem Punkt um so ausgeprägter ist, je grösser das Verschiebungsfeld an diesem Punkt ist.
12. Computeφrogramm-Produkt, wobei ein auf die Oberfläche wirkendes Implantat- Verschiebungsfeld so definiert wird, dass die durch dieses Implantat- Verschiebungsfeld bewirkte Verschiebung an einem zu unterlegenden Punkt der Dicke des Implantates an diesem Punkt entspricht, und dass das Verschiebungsfeld erhalten wird, indem das Implantat- Verschiebungsfeld durch eine Verschiebungsfeld-Glättung geglättet und/oder komprimiert wird.
13. Apparatur zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit Dateneingabemitteln, einem Prozessor zur Verarbeitung von Bilddaten, einem Programmspeicher, auf dem ein Computeφrogramm zur Ausführung des Verfahrens gespeichert ist, sowie einem Datenausgabemittel.
14. Apparatur nach Anspruch 13, wobei die Dateneingabemittel einen Scanner zum Erfassen einer 3D-Geometrie-Darstellung eines Köφerteils umfassen.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9020192B2 (en) 2012-04-11 2015-04-28 Access Business Group International Llc Human submental profile measurement
EP3261050A4 (de) * 2015-01-05 2018-12-19 Morpheus Co., Ltd. Verfahren und system zur bereitstellung von gesichtsbasierten diensten sowie übergangsloses computerlesbares aufzeichnungsmedium

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19757773A1 (de) * 1997-12-24 1999-07-01 Bernward Maehner Verfahren zur dreidimensionalen, detaillierten Simulation plastischer Veränderungen an menschlichen Körperpartien

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19757773A1 (de) * 1997-12-24 1999-07-01 Bernward Maehner Verfahren zur dreidimensionalen, detaillierten Simulation plastischer Veränderungen an menschlichen Körperpartien

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
COTIN S ET AL: "REAL-TIME SURGERY SIMULATION WITH HAPTIC FEEDBACK USING FINITE ELEMENTS", LEUVEN, BE, MAY 16 - 20, 1998,NEW YORK, NY: IEEE,US, vol. CONF. 15, 16 May 1998 (1998-05-16), pages 3739 - 3744, XP000784642, ISBN: 0-7803-4301-8 *
KEEVE E ET AL: "ANATOMY-BASED FACIAL TISSUE MODELING USING THE FINITE ELEMENT METHOD", PROCEEDINGS OF THE VISUALIZATION CONFERENCE,US,NEW YORK, IEEE/ACM, 27 October 1996 (1996-10-27), pages 21 - 28,465, XP000676884, ISBN: 0-7803-3673-9 *
KOCH R M ET AL: "SIMULATING FACIAL SURGERY USING FINITE ELEMENT MODELS", COMPUTER GRAPHICS PROCEEDINGS (SIGGRAPH),US,NEW YORK, NY: ACM, 4 August 1996 (1996-08-04), pages 421 - 428, XP000682758 *
TON-YEE LEE ET AL: "Three-dimensional facial model reconstruction and plastic surgery simulation", IEEE TRANSACTIONS ON INFORMATION TECHNOLOGY IN BIOMEDICINE, SEPT. 1999, IEEE, USA, vol. 3, no. 3, pages 214 - 220, XP002171641, ISSN: 1089-7771 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9020192B2 (en) 2012-04-11 2015-04-28 Access Business Group International Llc Human submental profile measurement
EP3261050A4 (de) * 2015-01-05 2018-12-19 Morpheus Co., Ltd. Verfahren und system zur bereitstellung von gesichtsbasierten diensten sowie übergangsloses computerlesbares aufzeichnungsmedium

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