基于逆向工程技術(shù)的體表器官仿真修復(fù)重建研究.pdf

1、本研究借鑒工業(yè)領(lǐng)域逆向工程思想的先進技術(shù)，建立體表快速立體成像、手術(shù)仿真模擬設(shè)計、療效客觀評價系統(tǒng)，以期為體表組織器官修復(fù)重建提供一種全新的治療模式，達到個性化治療的目的。主要研究內(nèi)容如下： 1.人體體表組織器官的三維數(shù)據(jù)采集。高效、高精度地實現(xiàn)被測對象的三維數(shù)據(jù)獲取，是逆向工程的第一環(huán)節(jié)，也是實現(xiàn)計算機輔助手術(shù)模擬的基礎(chǔ)。基于相位偏移測量原理的莫爾條紋測量方法解決了傳統(tǒng)測量方法不適合采集活體表面三維數(shù)據(jù)采集的問題。應(yīng)用CT掃描

2、獲取器官內(nèi)部結(jié)構(gòu)的二維圖像信息，用數(shù)學(xué)方法經(jīng)過電子計算機處理而重建斷層截面圖象，根據(jù)不同位置的斷層圖像建立被測器官的三維信息。這兩種方法相互補充，可以根據(jù)不同需求分別獲取器官表面或內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維數(shù)據(jù)信息，充分滿足器官再造的需求。 2.數(shù)據(jù)預(yù)處理。針對相位偏移測量原理采集的人體點云數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理主要包括濾波和拼接。結(jié)合人體數(shù)據(jù)的自身特點，設(shè)計了矩形窗口加權(quán)中值濾波器，使用濾波器可以以較高的精度剔出大部分噪聲數(shù)據(jù)。 3.構(gòu)建

3、三維曲面模型。將經(jīng)預(yù)處理后的一組點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入逆向工程軟件，通過對多視點云的拼接擬合，融合構(gòu)建成為三角面片組成的曲面；再將構(gòu)成曲面進行補洞、平滑、細分、曲面擬合、曲面光順等處理，構(gòu)建精確完整的數(shù)字化曲面模型。應(yīng)用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件和三維重建軟件完成了基于DICOM標準的CT圖像數(shù)據(jù)采集和三維重建，獲得了顱骨模型的三維數(shù)字化曲面模型。 4.制作三維實體模型。將三維數(shù)字化曲面模型轉(zhuǎn)換為STL格式后輸入到激光快速成型機，制造出三維實體模型。實

4、體模型能夠精確地復(fù)制和再現(xiàn)被測對象的形貌狀態(tài)，直觀、詳盡的表達解剖結(jié)構(gòu)和周圍關(guān)系。對于復(fù)雜病例，手術(shù)前可以在三維實體模型上進行手術(shù)模擬。 5.精度和誤差分析。對精度的追求是逆向工程技術(shù)在人體體表器官仿真修復(fù)重建中應(yīng)用的首要目標。本研究通過對人體器官相應(yīng)三維形貌信息進行傳統(tǒng)方法測量和計算機輔助測量，驗證構(gòu)建的三維數(shù)字化模型和三維實體模型的精度均小于0.2mm，能夠滿足臨床應(yīng)用的要求。 6.臨床應(yīng)用研究。本研究分別對顏面部軟

5、組織畸形、小耳畸形、顱骨缺損以及乳房整形進行了臨床應(yīng)用研究。 (1)在逆向工程軟件中對三維數(shù)字模型人工交互曲面變形方法或鏡像模擬法設(shè)計手術(shù)后效果，并測量分析出需要整形修復(fù)的量化數(shù)據(jù)，為手術(shù)提供參考。 (2)應(yīng)用快速原型技術(shù)，制作正常的實體模型，為手術(shù)前設(shè)計和手術(shù)中修復(fù)重建提供直觀的參考。 (3)應(yīng)用CAD軟件分析缺損和畸形部位，設(shè)計植入體的三維數(shù)字模型，應(yīng)用數(shù)控機床生產(chǎn)出與缺損或畸形部位完全契合的個性化植入體，無

6、需再在手術(shù)臺上對植入體進行裁剪、塑形，縮短手術(shù)時間，降低手術(shù)難度，提高手術(shù)安全性。 (4)將患者手術(shù)前、手術(shù)模擬和手術(shù)后的三維數(shù)字模型應(yīng)用逆向工程軟件進行配準、分析，驗證手術(shù)效果和手術(shù)設(shè)計方案的實現(xiàn)程度。 (5)將患者手術(shù)后的顏面部數(shù)字化曲面模型和模擬的手術(shù)后曲面模型導(dǎo)入逆向工程軟件，進行配準比較，驗證手術(shù)設(shè)計方案的實現(xiàn)程度。 課題引入逆向工程思想的先進知識，建立了體表快速立體成像、手術(shù)仿真模擬設(shè)計、療效客觀評價

7、系統(tǒng)。經(jīng)精度驗證完全可以滿足臨床需求。通過試驗研究和臨床應(yīng)用研究驗證了該系統(tǒng)在體表組織器官仿真修復(fù)重建中的可行性，獲得了良好的手術(shù)效果。但是本研究尚未能建立成為一個完整的計算機系統(tǒng)，進行手術(shù)預(yù)測和模擬時還比較復(fù)雜。此外，器官再造手術(shù)前后組織的形態(tài)變化是手術(shù)精確化的重大障礙，手術(shù)前模擬以及模型外科都是將組織器官認為是剛性結(jié)構(gòu)，預(yù)測不夠精確。在進一步地研究中我們要將現(xiàn)有的系統(tǒng)和程序結(jié)合起來，并構(gòu)建人體體表器官的三維數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)自動分析程序，