皮膚軟組織擴張輔助系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種皮膚軟組織擴張輔助系統，包括二維顯示模塊，三維重建模塊，擴張模擬模塊和效果模擬模塊。二維顯示模塊用于顯示醫學圖像，三維重建模塊根據醫學圖像重建患者三維模型，擴張模擬模塊根據三維模型計算患者患處面積，模擬擴張效果，確定擴張方案，最后由效果模擬模塊輸出術后效果圖。采用本發明的輔助系統，有利于為患者選取最佳的擴張方案，不會造成擴增皮膚不夠或過多的情況，減少患者的痛苦。
【專利說明】皮膚軟組織擴張輔助系統
【技術領域】
[0001]本發明屬于整形整容【技術領域】，尤其涉及一種皮膚軟組織擴張輔助系統。
【背景技術】
[0002]皮膚是人體最大的器官，重量約占體重的16%，具有保護機體、抵抗外界侵害、排泄廢物、分泌、吸收、調節體溫等多種功能。但是現實生活和生產經營活動中，多種原因可導致皮膚缺損，如:先天性畸形、創傷、腫瘤等,另外各種類型的禿發以及疤痕的修復也需要正常皮膚組織的重新覆蓋，因此如何促進皮膚生理性修復以及如何進行皮膚軟組織再生與功能重建具有重要意義。
[0003]皮膚軟組織擴張術(tissue expansion)是繼皮膚移植術(植皮術)和皮瓣轉移術之后整形外科發展起來的又一項最基本的組織修復技術。美國Georgetown醫學院的整形外科醫師ChadomirRodovan是最具創造力的先驅之一,976年I月26日，他在華盛頓的Veteran’s Administration hospital實施了他本人的第一例擴張器置入手術；其后，他將皮膚擴張術應用于乳腺癌術后患者的乳房再造。通過眾多醫生學者的共同努力，皮膚軟組織擴張術終于成為一項重要的外科治療手段，已廣泛應用于整形外科、美容外科、修復重建外科等諸多領域。
[0004]但是皮膚軟組織擴張術需要根據待修復的部位、形態、病變范圍的變化，精確地預判所需皮膚軟組織擴張器的形狀、大小以及放置的部位和數量，評估擴張后的軟組織量、預計手術方式和手術效果是手術能否成功的關鍵。由于皮膚軟組織是具有各向異性、非線性、粘彈性等生物力學特性的生物活性組織，同時擴張器取出后皮瓣的舒平涉及皮瓣的三維空間再分布，上述因素決定了擴張器的手術設計是一個復雜的綜合判斷，到目前為止，臨床上主要還是依靠醫生長期臨床實踐積累的經驗來進行判斷，因此初學者或非整形專業醫師難以在短期內掌握皮膚擴張技術。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是通過計算機技術，建立皮膚軟組織擴張術輔助系統，以解決現有技術無法精確地預判擴張器形狀、大小以及放置的部位和數量，只能靠臨床經驗來進行手術帶來的風險問題。
[0006]一種皮膚軟組織擴張輔助系統，所述皮膚軟組織擴張輔助系統包括:
[0007]二維顯示模塊，用于醫學圖像的瀏覽；
[0008]三維重建模塊，用于根據醫學圖像模擬得到患者患處的三維模型；
[0009]擴張模擬模塊,用于建立擴張模擬模型，確定最優的擴張方案；
[0010]效果模擬模塊，用于根據擴張模擬結果，給出術后效果圖。
[0011]進一步地，所述二維顯示模塊設置有水平面X軸滑動條和Y軸滑動條，豎直方向Z軸滑動條，拖動三個滑動條，可以限定所需要瀏覽的平面。
[0012]進一步地，所述三維重建模塊包括:[0013]三維通用模型模擬單元，用于建立患者患處的三維通用模型；
[0014]修正單元，用于根據患者的醫學圖像，對三維通用模型進行修正，得到該患者的三維模型。
[0015]其中，所述三維通用模型模擬單元采用立體分割的活動形體建模法和非均勻有理B樣條NURBS表面表示法建立人體頭部的三維通用模型
[0016]進一步地，所述擴張模擬模塊包括:
[0017]面積測量單元，用于測量患者患處面積和擴張模擬模型軟組織的面積；
[0018]擴張參數選擇單元，用于選擇擴張參數；
[0019]擴張模擬模型建立單元，用于根據選擇的擴張參數，建立擴張模擬模型。
[0020]其中，所述的擴張參數包括:擴張器的形狀，擴張器放置位置和擴張器預估擴張大小。
[0021]進一步地，所述皮膚軟組織擴張輔助系統還包括切割模塊，用于提取醫學圖像中感興趣的區域圖像；鼠標取點模塊，用于選取三維模型上的坐標；角度測量模塊，用于測量三維模型上的角度，并顯示其對應的弧度值。
[0022]本發明的皮膚軟組織擴張輔助系統，通過計算機技術，根據患者的醫學圖像，通過二維顯示模塊和三維建模，對醫學圖像進一步進行顯示，有利于醫生觀察和診斷。同時，通過擴張模擬模塊，選擇合適的擴張器和擴張方案，不會造成擴增皮膚不夠或者過多情況，減少了患者的痛苦，避免了僅靠醫生的臨床經驗帶來的風險。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1為本發明皮膚軟組織擴張輔助系統結構框圖；
[0024]圖2為醫學圖像的瀏覽示意圖；
[0025]圖3為體繪制三維模型示意圖；
[0026]圖4為面繪制三維模型示意圖；
[0027]圖5為擴張模擬模型示意圖；
[0028]圖6為本發明切割顯示示意圖；
[0029]圖7為本發明鼠標取點示意圖；
[0030]圖8為本發明角度測量示意圖。
【具體實施方式】
[0031]下面結合附圖和實施例對本發明技術方案做進一步詳細說明，以下實施例不構成對本發明的限定。
[0032]本發明的皮膚軟組織擴張術輔助系統結構框圖如圖1所示，包括二維顯示模塊，三維重建模塊，擴張模擬模塊和術后效果模擬模塊。
[0033]其中，二維顯示模塊用于醫學圖像的瀏覽。
[0034]本發明中，對于給定的一組患處的磁共振成像MRI或者計算斷層造影CT切層圖像，在三維體數據中以一個點和法向量確定一個平面，提取出體數據在這個平面上的像素點以及灰度值，形成新的圖象，進而顯示出來，從而可以從任意角度瀏覽醫學圖像。如圖2所示為某一醫學圖像的橫狀面、冠狀面和矢狀面的示例，供醫師診療查看患者患處的圖像，該圖像是512x512像素的，一共有249層，那么在水平方向，可以按像素或者在豎直方向按層數來瀏覽冠狀面、矢狀面和橫截面。該二維顯示模塊設置有水平面X軸和Y軸，以及豎直方向Z軸滑動條，層數的設定是通過拖動三個滑動條來設定的，可以設置任何一個方向是顯示還是不顯示，所以可以隨意瀏覽任何一個方向的任意一面。
[0035]三維重建模塊，用于根據醫學圖像模擬得到具體患者的最佳三維模型。
[0036]具體地，三維重建技術是指利用CT或者MRI等醫學影像設備輸出的圖像體數據，根據需要選擇合適的三維重建算法，得到可以從任意視角進行觀察的三維投影圖像，這樣診斷醫生就可以方便地對人體內部組織或器官的結構進行觀察診斷。
[0037]目前應用最多的三維重建的方法主要有面繪制和體繪制兩類。體繪制是采用光照模型，直接在體數據采樣，三維空間的這些離散采樣點原本是不具有色彩屬性的，只具有灰度值，采樣點的顏色值和透明度等屬性值是在物質分類的基礎上人為的賦予。將采樣點的屬性值分布情況進行合成，從而得到全部采樣點對屏幕象素的貢獻，也就是每一個屏幕象素的光強度值。這種繪制方法也稱直接體繪制，體繪制能夠完整地顯示出三維圖像的內部結構信息。目前體繪制用的比較多的方法有光線投射法、投影成像法和頻域變換法。體繪制方法的一個基礎是物質分類，不同密度的物質在圖像中表現為具有不同的灰度值。為了在最終的圖像中用不同的顏色正確地反映出共存的多種物質的分布，就需要對數據進行分類，找出數據與不同物質之間的對應關系，只有對三維數據進行準確的分類，經過后續處理才能得出合理的圖像。
[0038]面繪制是指表面重建，即從醫學影像設備輸出的切片數據集構造出三維體數據，然后在三維數據中通過插值方式抽取出等值面，將等值面進行曲面表示，再進行三角剖分以獲得三角形面片，最后用圖形學中的圖元繪制技術將三角形面片繪制出來而實現表面繪制。目前表面繪制算法有表面跟蹤法MC法(Marching cube)、MT法(MatchingTetrahedral)和DC法(Dividing Cube)方法等。面繪制可以將三維數據中具有某個特定值的表面有效地繪制出來，相比體繪制，面繪制大大減少了處理的數據。需要說明的是，本發明不限于各種三維重建技術和繪制方法。
[0039]由于由醫學圖像重建出的三維表面模型數據量太大，因此本發明中，三維重建模塊包括三維通用模型模擬單元和修正單元，首先三維通用模型模擬單元采用立體分割的活動形體建模法和NURBS表面表示法建立人體頭部的三維通用模型；然后修正單元對具體患者醫學圖像的輪廓圖形進行自動分割和擬合，并將分割得到的圖像作為三維通用模型的擬合目標，對三維通用模型輪廓進行修正，最終逼近得到具體患者的最佳三維模型。三維頭部通用模型的建立方法是:在大量醫學圖像的基礎上，從圖像的訓練集中獲取頭部輪廓的先驗信息，該信息是用統計方法分析得到頭部輪廓的一般形狀、局部的變化范圍和分布概率密度，為人類頭部建立一個數字化的通用計算模型。頭部對象的這些統計知識是通過訓練的方法來得到的，主要內容包括點分布模型和灰度模型。活動形體模型非常適合于形狀比較復雜圖像的分割和擬合。在模型建立階段，通常采用設置權重的方法，用W矩陣來保存每個點與其它點之間的距離，距離相對不變的那些點表明它們在整個圖像中比較穩定，因此提高它們的權重，讓它們來主導搜索，同時來帶動其它點的搜索。分割擬合的過程就是形體匹配的過程，即點搜索的過程，在這個過程中，需要追求搜索速度和準確度的平衡，通常采用圖像分層的方法，這個方法首先將圖像的像素降低，然后用這個頭部通用模型來搜索，分割結束后提高像素繼續搜索，直到恢復到原來的像素，最終實現目標的準確和快速分割。這樣就得到了具體患者的最佳三維頭部模型。這個模型是用非均勻有理B樣條(簡稱NURBS)方法表示的，主要是借助調整控制點來改變曲線曲面的形狀，并且利用權因子，因此在分割和擬合階段具有較大的靈活性，用該方法最終得到一個光滑、連續的模型。如圖3，圖4所示。
[0040]擴張模擬模塊，用于根據患者患處面積建立擴張模擬模型，確定最優擴張方案。
[0041]醫師通常只能得到患處面積，然后根據個人經驗來選擇一定體積的擴張器，這就會導致較大的誤差，同時對于經驗較少醫師就更難以選擇一個合適大小的擴張器。通過測量患處面積以及對不同的擴張器最終所得軟組織面積的模擬，可以為醫師選擇擴張器提供參考。
[0042]本發明中，擴張模擬模塊包括面積測量單元，擴張參數選擇單元和擴張模擬模型
建立單元。
[0043]其中面積測量單元用于測量患者患處面積和擴張模擬模型軟組織的面積，適用于任何三維曲面和平面情況，當提取出目標區域后，通過Delaunay三角剖分法對該目標區域進行三角化，目標區域的表面積是表面模型三角化后所有三角形面積之和。計算每一個三角形面積，是將每個三角形單元當作平面處理，由三點構成的三角形面積為:
[0044]
【權利要求】
1.一種皮膚軟組織擴張輔助系統，其特征在于，所述皮膚軟組織擴張輔助系統包括: 二維顯示模塊，用于醫學圖像的瀏覽； 三維重建模塊，用于根據醫學圖像模擬得到患者患處的三維模型； 擴張模擬模塊，用于建立擴張模擬模型，確定最優的擴張方案； 效果模擬模塊，用于根據擴張模擬結果，給出術后效果圖。
2.如權利要求1所述的皮膚軟組織擴張輔助系統，其特征在于，所述二維顯示模塊設置有水平面X軸滑動條和Y軸滑動條，豎直方向Z軸滑動條，拖動三個滑動條，可以限定所需要瀏覽的平面。
3.如權利要求1所述的皮膚軟組織擴張輔助系統，其特征在于，所述三維重建模塊包括: 三維通用模型模擬單元，用于建立患者患處的三維通用模型； 修正單元，用于根據患者的醫學圖像，對三維通用模型進行修正，得到該患者的三維模型。
4.如權利要求3所述的皮膚軟組織擴張輔助系統，其特征在于，所述三維通用模型模擬單元采用立體分割的活動形體建模法和非均勻有理B樣條NURBS表面表示法建立患者患處的三維通用模型。
5.如權利要求1所述的皮膚軟組織擴張輔助系統，其特征在于，所述擴張模擬模塊包括: 面積測量單元，用于測量患者患處面積和擴張模擬模型軟組織的面積； 擴張參數選擇單元，用于選擇擴張參數； 擴張模擬模型建立單元，用于根據選擇的擴張參數，建立擴張模擬模型。
6.如權利要求5所述的皮膚軟組織擴張輔助系統，其特征在于，所述的擴張參數包括:擴張器的形狀，擴張器放置位置和擴張器預估擴張大小。
7.如權利要求1所述的皮膚軟組織擴張輔助系統，其特征在于，所述皮膚軟組織擴張輔助系統還包括切割模塊，用于提取醫學圖像中感興趣的區域圖像。
8.如權利要求1所述的皮膚軟組織擴張輔助系統，其特征在于，所述皮膚軟組織擴張輔助系統還包括鼠標取點模塊，用于選取三維模型上的坐標。
9.如權利要求1所述的皮膚軟組織擴張輔助系統，其特征在于，所述皮膚軟組織擴張輔助系統還包括角度測量模塊，用于測量三維模型上的角度，并顯示其對應的弧度值。
【文檔編號】G06F19/00GK103678847SQ201210356588
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年9月24日 優先權日:2012年9月24日
【發明者】邵雁, 林麗麗, 顧子春, 管秋, 陳勝勇 申請人:邵雁