一種保留頜骨骨折線的3d模型重構(gòu)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于醫(yī)學(xué)圖像的技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種保留頌骨骨折線的3D模型重構(gòu)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著現(xiàn)代文明的迅猛發(fā)展，尤其是交通運輸水平的不斷提高，煩頌骨面創(chuàng)傷的發(fā) 生率也逐年遞增。由于人的頌骨是維持面部外形和行使口腔功能的重要結(jié)構(gòu)，具有復(fù)雜的 生理功能，頌骨的缺損和錯位會很輕易的導(dǎo)致患者面部崎形，重者喪失巧嚼、語言和吞咽等 口腔功能，極大地打擊了患者的生理和屯、理健康，影響了患者的生存質(zhì)量。
[0003] 目前頌骨修復(fù)最主要的治療方式為外科手術(shù)治療，是通過對脫離或缺失的骨塊重 新定位，使得患者的面部得到恢復(fù)。傳統(tǒng)的頌骨修復(fù)手術(shù)中需要花費大量的手術(shù)時間，對破 損的骨塊進行拼對，鐵板的預(yù)彎，固定點位置的確定，運些都完全由手術(shù)醫(yī)生在術(shù)中根據(jù)經(jīng) 驗決定，具有準(zhǔn)確性差和不易掌握等缺點。
[0004] 隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機輔助外科技術(shù)在外科領(lǐng)域有了越來越廣泛的應(yīng) 用。醫(yī)生可W根據(jù)患者CT數(shù)據(jù)重建患者頭部的=維實體模型，對模型進行手術(shù)設(shè)計，模擬 手術(shù)及鐵板的預(yù)彎，讓醫(yī)生更快速、立體、準(zhǔn)確的了解病患的骨折部位的信息。 陽〇化]目前重構(gòu)完整模型的方法主要是鏡像的方法，根據(jù)生物對稱性原理，利用患者健 全側(cè)的頌骨模型，做鏡像處理，獲得患者缺損側(cè)的頌骨假體模型。但是由于人頌骨結(jié)構(gòu)形狀 復(fù)雜，缺少缺損側(cè)的骨折信息，在實際手術(shù)過程中，很難依據(jù)假體模型將脫離的破損骨塊與 主骨塊完全拼接，存在一定的誤差，甚至完全放反，運大大延遲了手術(shù)時間，術(shù)后鐵板的位 置也與術(shù)前設(shè)計不相符，降低了手術(shù)的效果，個別嚴重的情況，很可能重新手術(shù)?？梢姽钦?線信息對于醫(yī)生預(yù)彎鐵板，規(guī)劃打孔位置具有重大的參考意義，如何保留頌骨缺損部位的 骨折線信息，降低實際手術(shù)中的誤差，減少病人的創(chuàng)傷，加快手術(shù)進程，成為一個重要問題。
[0006] 另一方面隨著3D打印技術(shù)的成熟，制作修復(fù)完整的頌骨樹脂模型越來越容易，但 較大的模型對儀器設(shè)備的要求也較高，難W-次性打印成型等問題依然存在，同時在打印 出來的樹脂模型上也難W準(zhǔn)確表達出缺損部位的骨折線信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足之處，提供一種保留頌骨骨折線的3D模型 重構(gòu)方法，W期能在頌骨修復(fù)手術(shù)中，尤其是在破損骨塊之間及與主骨塊嵌合固定修復(fù)時， 保留缺損部位的骨折線信息，從而降低手術(shù)中的誤差，減少病人的創(chuàng)傷，加快手術(shù)進程，確 保手術(shù)的效果。
[0008] 為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：
[0009] 本發(fā)明一種保留頌骨骨折線的3D模型重構(gòu)方法的特點是按如下步驟進行：
[0010] 步驟1:采集數(shù)據(jù)
[0011] 對患者的整個頌骨進行CT斷層掃描，獲得的掃描數(shù)據(jù)按DIC0M協(xié)議進行保存，從 而獲得DIC0M數(shù)據(jù)；
[0012] 步驟2:提取表面模型
[0013] 利用等值面提取算法對所述DIC0M數(shù)據(jù)進行提取，獲得頌骨表面模型，記為S;所 述頌骨表面模型S用由=角面片所構(gòu)成的網(wǎng)格來表示；
[0014] 步驟3:分割骨塊
[0015] 利用基于筆觸繪制的漸進式交互分割方法分割所述頌骨表面模型S，獲得n+1個 分離的部分，將所述n+1個分離的部分稱為骨塊集；從所述骨塊集中選取處于正常位置的 骨塊作為主骨塊，記為M，所述主骨塊M有且僅有一個；其余偏離正常位置的所有骨塊作為 破損骨塊集，記為P= (Pi，P2,. . .，Pi，. . .，P。}，Pi表示所述破損骨塊集P中第i個破損骨 塊，n表示所述破損骨塊的個數(shù)，1《i《n;
[0016] 步驟4:破損骨塊復(fù)位
[0017] 步驟4. 1、采用基于對稱性檢測方法計算所述主骨塊M的主對稱面，將所述主對稱 面的對稱變換矩陣記為主對稱面矩陣H;
[0018] 步驟4. 2、采用基于對稱性檢測方法計算所述第i個破損骨塊Pi相對于所述主骨 塊M的位移，獲得第i個破損骨塊Pi的變換矩陣T1;
[0019] 步驟4. 3、利用式（1)獲得所述第i個破損骨塊Pi的位移矩陣Qi;利用所述第i個 破損骨塊Pi的位移矩陣Q1對所述第i個破損骨塊P1進行處理，獲得所述第i個破損骨塊 Pi恢復(fù)正常位置時的擬正常骨塊Q(Pi);
[0020] Qi=Ti.H (1)
[0021] 步驟4. 4、重復(fù)步驟4.2和步驟4.3,從而獲得n個破損骨塊恢復(fù)正常位置時的擬 正常骨塊集Q任）=陽化)，0化)，…，0化)，…，Q(P。)};
[0022] 步驟4. 5、由所述擬正常骨塊集Q(巧和所述主骨塊M重構(gòu)成完整的正常頌骨模型； 所述正常頌骨模型中各個擬正常骨塊之間，W及各個擬正常骨塊與所述主骨塊M之間形成 的接縫即為頌骨骨折線；
[0023] 步驟5 :添加定位裝置：
[0024] 在所述正常頌骨模型的頌骨骨折線處設(shè)置定位裝置，從而形成具有定位裝置的各 個擬正常骨塊和主骨塊M;所述定位裝置為一對相互禪合的積木式組件； 陽02引步驟6:打印組裝：
[0026] 步驟6.1、將所述具有定位裝置的各個擬正常骨塊和主骨塊M分別轉(zhuǎn)換為STL模型 文件；并利用3D打印機分別進行打印，從而獲得各個擬正常骨塊和主骨塊M的3D實體骨塊 模型；
[0027] 步驟6. 2、根據(jù)所述定位裝置對所述3D實體骨塊模型進行組裝，從而獲得完整的 頌骨3D實體模型；所述頌骨3D實體模型中各個3D實體骨塊模型之間的接縫即為骨折線。 [002引本發(fā)明所述的保留骨折線的頌骨3D模型重構(gòu)方法的特點也在于：
[0029] 所述步驟3是按如下步驟進行：
[0030] 步驟3. 1、定義所述頌骨表面模型S中各個=角面片所構(gòu)成的面片集合為F= 化，fz，. . .，fu，. . .，f"J;fu表示第U個^角面片；1《U《m;
[0031] 步驟3. 2、計算所述第U個S角面片f。的形狀直徑函數(shù)值SDF(f。)，從而獲得m個S 角面片的形狀直徑函數(shù)值集合SDF訊二怯DF化），SDF化)，...，SDF(f。)，. ..，SDF;
[0032] 步驟3. 3、初始化i=1 ;
[0033] 步驟3. 4、選取第i個破損骨塊Pi作為前景；則其余n-1個破損骨塊和所述主骨塊 M作為背景；
[0034] 步驟3. 5、在所述第i個破損骨塊Pi上繪制若干筆觸，從而獲得屬于所述第i個 破損骨塊Pi的C1個S角面片，記為={/i'，尤，…，乂，表示屬于所述第i個破損骨 塊Pi的第k個S角面片；則屬于所述第i個破損骨塊P1的第k個S角面片的形狀直徑函 數(shù)值為、，屬于所述第i個破損骨塊Pi的C1個=角面片的形狀直徑函數(shù)值集合記為 SDF(Fi)，除所述屬于所述第i個破損骨塊Pi的C1個S角面片的形狀直徑函數(shù)值集合之外 的所有m-Ci個S角面片的形狀直徑函數(shù)值集合記為SDF(F-F1) ;1《k《Ci;
[0035] 步驟3. 6、利用極大似然估計法對屬于所述第i個破損骨塊Pi的c1個=角面片的 形狀直徑函數(shù)值集合SDF(Fi)建立高斯混合模型，獲得前景高斯混合模型巧；
[0036] 步驟3. 7、利用式（2)獲得所述前景高斯混合模型G'/的概率分布密度函數(shù)pf狂）：
[0037]
錢
[0038] 式（2)中，a,表示所述前景高斯混合模型Gf1中第j個高斯分量的權(quán)重；y,表示 所述前景高斯混合模型Gfi中第j個高斯分量的期望；C,表示所述前景高斯混合模型Gf1中 第j個高斯分量的協(xié)方差矩陣；K表示所述前景高斯混合模型Gfi中高斯分量的總數(shù)；X表 示所述前景高斯混合模型Gfi的形狀直徑函數(shù)值SDF的變量；N,狂；y,，C,)表示所述前景高 斯混合模型Gfi中第j個高斯分量的概率分布函數(shù)；并有：
[0039]
W40] 式做中，n表示維度；|C,|表示所述前景高斯混合模型Gf沖第j個高斯分量的 協(xié)方差矩陣的行列式；:馬4表示所述前景高斯混合模型Gfi中第j個高斯分量的協(xié)方差矩陣 的逆矩陣；
[0041] 步驟3. 8、利用極大似然估計法對除了屬于所述第i個破損骨塊Pi的C1個=角 面片的形狀直徑函數(shù)值集合SDF(Fi)之外的所有m-Ci個S角面片的形狀直徑函數(shù)值集合 SDF(F-Fi)建立高斯混合模型，獲得背景高斯混合模型Gb; W42] 步驟3.9、利用式（4)獲得所述背景高斯混合模型Gb的概率分布密度函數(shù)Pb狂'）：
[0043]
[0044] 式（4)中，a't表示表示所述背景高斯混合模型Gb中第t個高斯分量的權(quán)重； y't表示所述背景高斯混合模型Gb中第t個高斯分量的期望；C' t表示所述背景高斯 混合模型Gb中第t個高斯分量的協(xié)方差矩陣；K'表示所述背景高斯混合模型Gb中高斯 分量的總數(shù)；X'表示所述背景高斯混合模型Gb的形狀直徑函數(shù)值SDF的變量；Nt狂'； y'。C't)表示所述背景高斯混合模型Gb中第t個高斯分量的概率分布函數(shù)；并有：
[0045]
[0046] 式（5)中，n'表示維度；|C't|表示所述背景高斯混合模型Gb中第t個高斯分 量的協(xié)方差矩陣的行列式；cri表示所述前景高斯混合模型Gb中第t個高斯分量的協(xié)方差 矩陣的逆矩陣；
[0047] 步驟3. 10 :利用圖割算法對所述頌骨表面模型S中的前景和背景進行分割，使得 如式（6)所示的分割第i個破損骨塊Pi時的能量函數(shù)E1最小，從而獲得預(yù)期的第i個破損 骨塊IV;
[0048]
(6)
[0049] 式化）中：
表示平滑項，A表示所述平滑項 的權(quán)重；并有：
[0050]
(7)
[0051] 式（7)中，e表示極小值；If表示第U個S角面片f。的分割標(biāo)記；lf= 1表示第 U個S角面片f。屬于所述前景；1f= 0表示第U個S角面片f。屬于所述背景；
[0052]
侈:)；
[005引式做中，fp和fq分別表示所述面片集合f中任意兩個相鄰的立角面片；0 (fp，fq) 表示所述相鄰的S角面片fp和fq之間的夾角；1《p，q《m;1p表示第p個S角面片fp的 分割標(biāo)記；Iq表示第q個=角面片fq的分割標(biāo)記；
[0054]步驟3. 11:判