CN110236673B - 一种基于数据库的双侧颌骨缺损重建术前设计方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种基于三维形态数据库的双侧颌骨缺损重建术前设计方法及装置，所述方法及装置基于预设数据库，从所述预设数据库中选择与待修复头颅最为接受的健康头颅作为参考，重建双侧大范围缺损颌骨部分，使得缺少健侧对照的双侧大范围缺损颌骨也能够重建出合适的颌骨形态和修复体形态。

Description

一种基于数据库的双侧颌骨缺损重建术前设计方法及装置

技术领域

本申请属于医学图像生成与应用领域，特别涉及一种基于三维形态数据库的双侧大范围颌骨缺损重建术前设计方法及装置。

背景技术

颌骨是构成口腔的骨，包括上颌骨和下颌骨，面部中下方主要是由上下颌骨作为骨支架。颌骨缺损一般是指由于疾病或损伤等引起的上下颌骨的组织缺损，颌骨缺损常常导致严重的外貌缺陷和功能障碍，颌骨缺损畸形直接导致患者极大的功能障碍与心理障碍，因此，颌骨缺损畸形及其修复重建一直是口腔颌面外科的研究热点。

近年来，数字化外科技术已越来越多的应用于各种类型的颌骨重建手术，数字化外科技术可以提供直观形象的三维模型，获得精确的三维可视诊断信息，数字化外科技术的辅助使重建手术更加个性化、精细化。具体地，利用数字化外科技术在术前可设计完善的手术方案并模拟手术实施，从而发现设计缺陷，及时改进手术方案，有助于减少手术并发症；术中利用导航技术或导板/模板引导精确定位，引导手术实施，提高手术精度和安全性，从而达到精确修复的目的，获得更好的临床效果。利用数字化外科技术进行的颌骨重建术，术后不仅能精确恢复颅颌面外形，更能达到功能性重建的目标。

由于颌面部器官多呈对称性，对于单侧器官缺损可以通过对侧数据来对缺损进行重建，以保证面部双侧对称性。传统镜像法设计以健侧作为模板，利用健侧的颌骨对称至患侧，恢复被破坏的颌骨外形，为颌骨外形的重建提供依据。

然而对于跨过中线区的双侧大范围缺损，设计则困难的多，没有镜像健侧作为模板，难以准确确定重建后颌骨的形态和位置，难以精确设计移植骨的长度和角度。对于跨过中线区的双侧大范围缺损，传统数字化设计仅能凭借医生经验估测粗略设计，恢复颌骨形态；或者采用三维模型的人工绘制获得模型；再或者采用标准头颅模型，进行一定的人为修改，通过缩放、旋转、局部形变等三维物体形态编辑的方法获得模型，恢复颌骨的解剖形态；再或者借助患者的近亲属的面部数据进行重建术前设计。

对于估测法，尽管可以借助测量等方法，然而对于大范围缺损患者，残留部分颌骨也大多有一定的移位，无参照条件下恢复颌骨形态没有评价标准，因此人为设计结果各异，难以互相比较和评价。如果设计者经验不丰富，常导致移植骨位置不佳、患者面型美观程度低、咬合功能不良，患者只能遗憾的接受面容改变、长期义齿修复困难的结局。

对于采用三维模型的人工绘制获得模型的方法，耗时长，仍然无法避免医生设计者之间的巨大差异。

对于采用标准头颅模型的方法，虽然有一定的模板作为参照，设计较为迅捷，可比性强，弱化设计者主观影响。然而，该方法耗时较长，而且参照模板单一，不具有个性化特征，对设计者使用软件的能力和美学设计基础要求较高。

发明内容

本申请提供一种基于三维形态数据库的双侧颌骨缺损重建术前设计方法，所述方法基于预设数据库，从所述预设数据库中选择与待修复头颅最为接受的健康头颅作为参考，重建双侧大范围缺损颌骨部分，使得缺少健侧对照的双侧大范围缺损颌骨也能够重建出合适的种植体形态和位置。

本申请的目的在于提供以下几个方面：

第一方面，本申请提供一种基于数据库的双侧颌骨缺损重建术前设计方法，所述方法包括：获取待修复头颅模型和预设数据库；在预设数据库中检索目标标准头颅模型；根据所述待修复头颅模型生成缺损模型；根据所述目标标准头颅模型以及所述缺损模型生成个性化参照模板；根据所述个性化参照模板设计所述切除范围的终末牙列形态；根据所述个性化参照模板、终末牙列形态设计种植***置以及供体骨的形态和位置。

结合第一方面，在一种可实现的方式中，所述在预设数据库中检索目标标准头颅模型包括：在预设数据库中检索候选标准头颅模型；根据预设规则，从所述候选标准头颅中筛选目标标准头颅模型。

其中，所述在预设数据库中检索候选标准头颅模型包括：提取待修复三维特征信息，所述待修复三维特征信息为在所述待修复头颅模型中提取的三维特征信息；获取归一化预设三维特征信息和归一化待修复信息，所述归一化预设三维特征信息为预设三维特征信息归一化处理而得，所述归一化待修复三维特征信息为待修复三维特征信息归一化处理而得；根据所述归一化预设三维特征信息和归一化待修复三维特征信息依次计算所述预设数据库中每个健康头颅模型与所述待修复头颅的相似度；获取候选标准头颅模型，所述候选标准头颅模型为与所述待修复头颅相似度最高的若干个健康头颅模型。

结合第一方面，在一种可实现的方式中，所述根据所述待修复头颅模型生成缺损模型包括：在所述待修复头颅模型上确定待修复范围；根据待修复头颅的待修复范围生成待修复头颅缺损模型。

结合第一方面，在一种可实现的方式中，根据所述目标标准头颅合成个性化参照模板包括：将目标标准头颅模型的颌骨三维形态图像与待修复头颅模型的颌骨三维形态图像重合；根据所述待修复头颅缺损模型和目标标准头颅模型设计修复体模型；根据所述修复体模型与待修复头颅缺损模型生成个性化参照模板。

其中，根据所述修复体模型与待修复头颅缺损模型生成个性化参照模板包括：在所述目标标准头颅模型的相应位置上确定修复体模型；根据所述待修复范围修整修复体模型；将修整后修复体模型与所述待修复头颅缺损模型融合。

结合第一方面，在一种可实现的方式中，在根据所述个性化参照模板、终末牙列形态设计种植***置以及供体骨的形态和位置之后，所述方法还包括：根据所述种植***置以及供体骨的形态和位置设计导板；和/或分别制作所述待修复头颅缺损模型、颌骨修复后模型以及导板的实体模型。

结合第一方面，在一种可实现的方式中，在分别制作所述待修复头颅缺损模型、颌骨修复后模型以及导板的实体模型之后，所述方法还包括：将所述待修复头颅缺损模型、颌骨修复后模型设计导航参数；将所述导航参数导入术中导航仪。

其中，所述导航参数包括导航配准点、截骨标志、修复体标志、供体骨就位标志、种植体标志和修复后牙列标志中的至少一个。

本申请还提供一种基于颅颌面数据库的双侧颌骨缺损重建术前设计装置，所述装置包括：信息获取单元，用于获取待修复头颅的三维形态影像和预设数据库；模型检索单元，用于在预设数据库中检索目标标准头颅模型；缺损模型生成单元，用于根据所述所述待修复头颅模型生成缺损模型；个性化模板生成单元，用于根据所述目标标准头颅模型合成个性化参照模板；牙列形态设计单元，根据所述个性化参照模板设计所述切除范围的终末牙列形态；种植体设计单元，用于根据所述个性化参照模板、终末牙列形态设计种植***置以及供体骨的形态和位置。

本申请还提供一种基于颅颌面数据库的双侧颌骨缺损重建术前设计的程序，所述程序用于执行本申请第一方面所述方法。

本申请还提供一种硬件介质，所述硬件介质上存储有前述基于颅颌面数据库的双侧颌骨缺损重建术前设计的程序，并且能够在处理器上执行所述程序。

本申请针对双侧大范围颅颌面部缺损修复的需求，依托颅颌面部骨性三维形态数据库进行颅颌面三维形态检索，从而建立得到颅颌面修复手术数字化设计的解决方案，从而取得高效快速、减少经验依赖、个性化的修复手术设计的效果。

传统设计方案对于双侧大范围颌面部缺损由于不存在健康侧形态，因此，无法进行快速、精确和个性化的数字化术前设计方法，与传统方案相比，本申请提供的方案能够利用数字化技术提供一种个性化的修复形态模板，使医生可以在术前实现移植骨(腓骨/髂骨)虚拟定位设计，可以将患者供区数据导入数字化软件中，并且根据颌骨缺损的范围及位置，精确设计各段移植骨的长度与角度，使其在三维位置上满足移植骨在外形和功能修复上的需要。

本申请提供的方案还具有以下有益效果：

1.本申请将基于三维形态数据库而建立的颌骨缺损修复体个性化模板与绘图工具(如CAD软件)、3D打印外科导板技术以及外科手术导航***等结合起来，实现大范围颌骨缺损患者颌骨修复的完整数字化解决方案；

2.本申请提供的方案基于颅颌面骨性三维数据库，设计而得的移植骨具有形态精确、真实的优点，克服传统方案在无参考形态情况下需要依赖医生经验，供体骨位置不理想的缺点；

3.本申请提供的方案在提取颅颌面特征的过程中使用软件对颅颌面特征进行优化，并且设计全程采用图片引导式，便于医生快速准确提取特征点，减少特征点提取的人为误差；

4.整个个性化模板获取过程快捷，有参考模板的供体骨位置调整更加快速，缩短术前设计时间。

附图说明

图1示出本申请所提供的基于三维形态数据库的双侧颌骨缺损重建术前设计方法的流程图；

图2示出本实施例所用的一种半自动标记标准特征标志点的程序界面。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

以下详述本申请。

在对本申请实施例的技术方案说明之前，首先对本申请实施例的技术场景做简要说明。

人颅面部的形态特征十分复杂，虽然所有人的颅面部具有明显的共性特征，但是每个人的颅部又具有非常明显的个性特征，而张口、视觉和咀嚼等功能需要与颅面部的个性特征相适配才能够正常发挥。由于创伤、肿瘤、炎症等疾病可以导致面部骨组织、软组织的大范围缺损，其重建修复效果依赖于对原有组织的形态解剖分析、供体的形态设计、供体存活条件(血供)、功能分析和美观设计。

由于，对于复杂的颅面三维结构和颅面畸形的认识不仅需要医生和专业人士定性、定位的观察，更需要定量化准确的描述。传统方案中，对于颅颌面部双侧大范围缺损，通常需要医生凭借经验制定手术设计模板，由于各医生的经验以及考虑的侧重点不同，完全依靠医生经验的方案会增加手术风险和预后的不确定性。

本申请应用于医学图像生成与应用领域，特别涉及三维形态数据库的双侧颌骨缺损重建，通过计算待修复头颅与健康头颅模型的相似度，从预设数据库中检索出与待修复头颅最相似的健康头颅，并以所述最相似健康头颅的三维形态作为参照，制作待修复头颅的手术设计模板，从而更贴切地恢复双侧大范围缺损患者正常的解剖形态，减少术后患者颅颌面部的畸形和功能异常。

本实施例提供的方法涉及对待修复头颅的三维形态影像以及预设数据库中健康头颅模型的三维形态影像处理，所述待修复头颅的三维形态影像可以通过CT(ComputedTomography，电子计算机断层扫描)，也可以以其他三维形态影像采集设备采集而得，例如核磁共振成像等数据为基础进行三维重建而得，同样地，所述健康头颅模型的三维形态影像可以是通过三维形态影像采集设备采集而得，也可以以CT数据为基础进行三维重建而得。

在本实施例中，所述CT数据可以是通过CT设备采集而得的，需要说明的是，对于同一患者而言，使用不同的CT设备采集到的CT数据可能是不同的，不同患者使用相同CT设备采集到的CT数据不同，同一患者使用同一CT设备采集到的CT数据可能相同也可能不同。

在本实施例中，所述健康头颅模型不是人为设计的头颅模型，而是采集得到的颅颌面功能正常人群的头颅数据，所述颅颌面功能正常人群是指至少有一部分颅颌面功能是正常的，允许有一部分颅颌面功能有缺损，但是这些缺损并不妨碍功能正常部分作为手术设计模板。例如，该患者患有腮腺肿瘤，但是该患者的眶壁骨、颌骨等均正常，则这些正常部位对应的功能也都正常，则该患者也可以为认为是正常人群。

本申请提供一种基于三维形态数据库的双侧颌骨缺损重建术前设计方法，所述方法的执行主体可以是包括显示器的终端，该终端的形态包括并不限于电脑或手机。

图2为本申请所提供的基于三维形态数据库的双侧颌骨缺损重建术前设计方法的流程图，如图2所示，本申请提供的方法包括步骤S101至步骤S106，具体地：

S101，获取待修复头颅模型和预设数据库。

在本实施例中，所述待修复头颅模型可以根据患者的CT数据或者核磁数据等现有技术任意一种头颅图像模拟重建而成，具体的重建方法可以使用现有技术中任意一种利用平面二维医学影像模拟重建生成三维形态的方法。

在本实施例中，所述预设数据库可以在获取待修复头颅模型前预先建立。

在一种可实现的方式中，建立所述预设数据库可以包括步骤S111至步骤S115，具体地：

S111，获取健康头颅影像数据。

在本实施例中，所述健康头颅影像数据可以为利用现有技术获得的任意一种平面影像数据，例如CT数据、核磁数据等。

对于不同平面影像数据各自的特点，在具体进行三维形态重建处理过程中可以使用本领域常规方法进行重建处理。为简便起见，本实施例以CT数据为例进行说明。

所采集CT数据的扫描基线可以是听眦线，也可以是听眉线，由于听眦线为CT扫描中是最为常用的基本扫描基线，因此，在本实施例中以听眦线为例进行说明。

对于要收录的健康头颅模型CT数据，所采集的CT数据应当没有明显的数据缺失，扫描层厚小于或等于2mm，以避免由于扫描层厚过厚导致重建而得的模型精度太低，进一步导致后续特征点的提取误差超过2mm，CT数据的格式可以为Dicom标准格式。

在本实施例中，所述健康头颅模型CT数据通常需要数据完整，扫描范围包含自眶上至颏下，牙尖交错位；扫描基线为听眦线，磨牙大致中性关系，覆盖基本正常，双侧基本对称；无CT可见的手术史；可以有软组织小肿物或异常存在，但无骨质受累、骨折及骨质缺损。

在本实施例中排除以下任意一种情形的CT数据：

(1)CT数据严重缺损，存在无法修复的伪影及其他影响重建和重要标志点选取的情况；

(2)严重骨性畸形、发育异常及骨组织肿瘤等疾病；

(3)软组织肿物累及骨质，骨质有破坏或受压改变；

(4)乳牙列及混合牙列儿童。

例如，用于本实施例的一个CT数据是根据以下参数获得的：

16排螺旋CT(Siemens,Germany)，扫描电压为120kV，扫描电流>200mA，矩阵512×512，扫描层厚1.25mm。

在上述参数下获得的CT数据完整，扫描范围包含自眶上至颏下，牙尖交错位；扫描基线为听眦线，磨牙大致中性关系，覆盖基本正常，双侧基本对称；无CT可见的手术史。

S112，根据所述健康头颅模型CT数据生成该健康头颅模型的三维形态影像。

在本实施例中，所获取的CT数据可以采用网络传输或者采用其它方式传输至处理器，所述CT数据采用通用的Dicom标准格式存储于存储器中，采用预设窗宽、预设窗位和预设界定阈值，以所述CT数据为基础，重建三维颅颌面骨组织，从而生成健康头颅的三维形态影像，所述健康头颅模型的三维形态影像可以以stl格式文件输出并保存于存储器中。

在本实施例中，可以采用现有技术中任意一种基于CT数据进行三维重建的方法来重建三维颅颌面骨组织，可选地，可以采用基于表面绘制的方法重建三维颅颌面骨组织。

在本实施例中，所述预设窗宽为适于观察头颅颅颌面骨形态的窗宽，例如500Hu，所述预设窗位为适于观察颅颌面骨病变情况的窗位，例如+100Hu，界定阈值可以为226～3071Hu。

窗技术是CT检查中用以观察不同密度的正常组织或病变的一种显示技术，包括窗宽和窗位。由于各种组织结构或者病变具有不同的CT值，因此，欲显示某一组织结构细节时，应选择适合观察该组织或者病变的窗宽和窗位，以获得最佳显示。其中，窗宽是CT图像上显示的CT值范围，在此CT值范围内的组织和病变均以不同模拟灰度显示，而CT值高于该范围的上限，均以白影显示，若CT值低于该范围的下限，则均以黑影显示。窗宽增大，CT图像所示的CT值范围增大，显示具有不同密度的组织结构增多，但是各个结构之间的灰度差别减小，减小窗宽，显示具不同密度的组织结构减少，但是各组织之间的灰度差别增加。而窗位是窗的中心位置，同样的窗宽，由于窗位不同，其所包括CT值范围的上下限位置不同，例如，窗宽同为100H，当窗位为0H时，其对应的CT值范围为-50H～+50H，如果窗位为+35H，则其对应的CT值范围为-15H～+85H。

在本实施例中，窗宽采用500Hu，窗位采用+100Hu，界定阈值采用226～3071Hu则可获得颅颌面骨的最佳显示，以此CT数据为基础重建而得的头颅模型三维形态影像能够满足对比分析的需求。

S113，在每个健康头颅模型的三维形态影像中选取标准特征标志点。

在本实施例中，所述标准特征标志点是指从健康头颅模型的三维形态影像上提取的特征标志点，所述特征标志点可以包括颅部标志点、上颌标志点和下颌标志点等，其中，颅部标志点可以包括鼻根点(正中矢状面上鼻额缝最前点)、左右鼻额点(上颌骨额突与鼻额缝的交点)、蝶鞍点(蝶鞍中心点)和颅底点(枕骨大孔前缘中点)等；所述上颌标志点可以包括前鼻棘点(前鼻棘尖部)、上齿槽座点(正中矢状面上前鼻棘与上齿槽缘之间骨的最凹点)、上齿槽缘点(上牙槽空在正中矢状面上的最前点)和上中切牙点(正中矢状面上上中切牙切缘的最前点)等；所述下颌标志点可以包括下切牙点(正中矢状面上下中切牙切缘的最前点)、左右下第一磨牙点(下第一磨牙近中颊尖)、下齿槽缘点(下牙槽突在正中矢状面上的最前点)和下齿槽座点(正中矢状面上下齿槽缘与颏前之间骨的最凹点)等。

在本实施例中，所述标准特征标志点可以是利用现有技术中任意一种自动标记模块在所述健康头颅模型的三维形态影像中自动识别并标记出来，也可以为操作者在所述健康头颅模型的三维形态影像上手动标记，也可以是操作者与计算机交互实现半自动标记。其中，所述半自动标记可以通过以下场景实现，当操作者在健康头颅的三维形态影像中的标准特征标志点时，计算机***提示第一个标准特征标志点为鼻根点，并提示该标准特征标志点的位置为正中矢状面上鼻额缝最前点，操作者即可根据该提示寻找到该标准特征标志点，依次地，按照上述方式人机互动标记出所有标准特征标志点。本申请人发现，通过操作者与计算机交互半自动标记得到的标准特征标志点既能够避免纯自动标记的机械性而导致的误差，也能够提高操作者的工作效率和准确率。

例如，如图2所示，是一种半自动标记标准特征标志点的程序界面，利用该程序可以多角度清晰地显示健康头颅的三维形态影像，并给以特定角度自然光照，使三维显示效果明显增强，可以自由拖动、旋转缩放图像，以便于在各个角度观察，准确定位特征标志点，并且，所述程序预先设定标准特征标志点的提取顺序，给用户以图片及文字提示，便于快速、准确提取特征点。

S114，获取每个标准特征标志点的特征信息，所述特征信息包括：标准特征标志点坐标、标准线距、标准角度和标准比例参数。

在本实施例中，在所述健康头颅模型的三维形态影像中标示出标准特征标志点后，提取每个标准特征标志点对应的特征信息，为计算待修复头颅与该健康头颅的相似度提供基础。

在一种实现方式中，所述标准特征标志点坐标为每个标准特征标志点的位置坐标。

所述标准线距为所述健康头颅模型的颅部线距、眶部线距、下颌线距、上颌线距和面高线距等，其中，所述颅部线距具体包括前颅底长、后颅底长和全颅底长，所述眶部线距具体包括左右眶外侧间距、左右眶内侧间距、左右眶高度和左右眶宽度；所述下颌线距具体包括下颌骨宽度、左右下颌支高度、左右下颌支高度和左右下颌体长；所述上颌线距具体包括：上面宽、颧骨宽度、中面宽、上颌宽度、上颌长和上牙槽高度；所述面高线距具体包括：前面高、上前面高、下前面高和后面高。

所述标准角度为所述健康头颅模型的三维形态影像中各结构的夹角，例如在颅部测量的颅底角，在上下颌骨处测量的左右下颌角等。

所述标准比例参数为健康头颅模型的各个线距的比例，例如，前后面高比、前下面高与前面高比、下颌宽度与颧面宽的比、下颌宽度与眶宽度比、下颌宽度与髁突宽度比、颧面宽与眶宽的比和颧面宽与髁突宽度比等。

在一种可实现的方式中，所述标准特征标志点坐标、标准线距、标准角度和标准比例参数可以由软件模块根据提取的特征点计算而得。

S115，根据每个标准特征标志点的特征信息生成预设数据库，所述预设数据库包括多个健康头颅模型特征信息，每个健康头颅模型特征信息包括该健康头颅模型对应的所有标准特征点的特征信息。

在本实施例中，将每个健康头颅模型的三维形态影像与该健康头颅的所有标准特征标志点对应的标准特征信息均形成对应关系，形成包括多个健康头颅模型特征信息的数据库，即为预设数据库。

在本实施例中，对于获取的待修复头颅模型也提取特征标志点，提取待修复头颅模型特征标志点的方法与提取健康头颅模型标准特征标志点的方法类似，区别仅在于对于颌骨缺损部位特征标志点进行跳过处理，不予提取特征标志点。

S102，在预设数据库中检索目标标准头颅模型。

在本实施例中，所述在预设数据库中检索目标标准头颅模型可以具体包括：

S121，在预设数据库中检索候选标准头颅模型。

在本实施例中，具体地，所述在预设数据库中检索候选标准头颅模型可以包括：

S1211，提取待修复三维特征信息，所述待修复三维特征信息为在所述待修复头颅模型中提取的三维特征信息。

所述提取待修复三维特征信息可以具体包括：

在所述待修复头颅的三维形态影像上标示多个特征标志点；

获取每个特征标志点对应的特征信息，所述特征信息包括特征标志点坐标、线距、角度和比例参数。

在本实施例中，在所述待修复头颅的三维形态影像上标示多个特征标志点的实现方式可以参考步骤S113，在此不再赘述。

在本实施例中，获取每个特征标志点对应的特征信息的实现方式具体可以参照步骤S114，在此不再赘述。

S1212，获取归一化预设三维特征信息和归一化待修复信息，所述归一化预设三维特征信息为预设三维特征信息归一化处理而得，所述归一化待修复三维特征信息为待修复三维特征信息归一化处理而得。

在本实施例中，所述归一化预设三维特征信息包括健康头颅模型的线距、角度、比例参数和归一化特征标志点坐标等，同样地，所述归一化待修复三维特征信息包括待修复头颅模型的线距、角度、比例参数和归一化特征标志点坐标等，其中，归一化特征标志点坐标为在原始图像中标记的特征标志点经过归一化处理后的坐标。而线距、角度以及比例参数等参数可以使用该头颅模型在原始三维形态影像中的生成的相应数值，从而避免由于归一化处理导致的误差，而这些误差在归一化过程中难以避免。

在本实施例中，由于健康头颅模型的三维形态影像所在的坐标系(下文称原坐标系)与CT拍摄基线及拍摄时的头位有关，因此，各个健康头颅模型的三维形态影像与人体标准解剖方位有差异，为方便比较不同颅骨间特征标志点的坐标差异，以及后续相似度比较需要，本实施例为所述头颅模型(包括健康头颅模型和待修复头颅)建立统一的坐标系，即归一化(Regularize)处理，所有头颅模型的三维形态影像在经过归一化处理后记录于归一化数据库中。

在本实施例中，定义FH-S-N坐标系作为标准化坐标系。所述FH-S-N坐标系参考二维头影测量学中的基准平面FH平面(眶耳平面)，以眶下缘中点及双侧耳点所构成的平面作为XOY平面，过蝶鞍点作XOY平面的法线，为Z轴，Z轴与XOY平面的交点即为原点O，过Z轴和鼻根点得到XOZ平面，XOY和XOZ平面的交线为X轴，XOY平面中，过原点垂直于X轴的直线为Y轴，从而得到FH-S-N坐标系。

将头颅模型的三维形态影像上所有点转换到FH-S-N坐标系下，单位化FH-S-N坐标系中沿着X轴方向的向量得到单位向量

同理可以得到沿Y轴方向的单位向量

沿Z轴方向的单位向量

并且

和

构成了FH-S-N坐标系下的一个单位正交基。

S1213，根据所述归一化预设三维特征信息和归一化待修复三维特征信息依次计算所述预设数据库中每个健康头颅模型与所述待修复头颅的相似度。

在本实施例中，可以使用特征点最小距离法来计算待修复头颅模型与健康头颅模型的在三维形态上的相似度。

具体地，可以定义待修复头颅模型的特征标志点为P_i(x_i,y_i,z_i)，定义预设数据库中任一健康头颅模型与待修复头颅模型相对应的特征标志点为P‘_i(x′_i,y′_i,z′_i)，首先将待修复头颅模型与健康头颅模型用前述方法统一至FH-S-N坐标系下，并在FH-S-N坐标系下计算待修复头颅模型与每一个健康头颅模型任意一个三维特征标志点之间的欧几里得距离E_i，所述欧几里得距离E_i可以根据下式(1)进行计算：

在本实施例中，待修复头颅模型与健康头颅模型的相似度函数F定义为两头颅间所有对应特征点欧氏距离的均值，可以根据下式(2)进行计算：

F＝∑E_i/n (2)

其中，i＝1,2,3…n

由式(2)可知，F值越大，表示两头颅模型的相似度越小，反之，F值越小，表示两头颅模型的相似度越大。

S1214，获取候选标准头颅模型，所述候选标准头颅模型为与所述待修复头颅相似度最高的若干个健康头颅模型。

由于颅颌面部的结构极其复杂，通过前述方法计算得到的相似度最高的几个头颅的相似度可能仅差别小数点后几位，即，从相似度数据上看几乎没有差别，因此，单纯依靠相似度来选取手术设计模板可能也会存在一些与患者具体情况不匹配的问题，因此，在本实施例中，首先选取相似度最高的若干个健康头颅模型作为候选头颅模型，例如，可以选取3个候选头颅模型。

S122，根据预设规则，从所述候选标准头颅中筛选目标标准头颅模型。

在本实施例中，所述预设规则可以为凭借医生的经验而设置的规则，也可以为其它适用于选取目标标准头颅模型的规则，例如，可以采用逆向工程软件，例如Geomagic提供的色谱比较法来筛选与待修复头颅模型相似度最大的候选头颅模型作为目标标准头颅模型。

在本实施例中，采用Geomagic提供的色谱比较法来筛选与待修复头颅模型相似度最大的候选头颅模型可以简述为以下几个步骤：

将候选头颅模型的三维表面绘制数据以及待修复头颅模型的三维表面绘制数据分别载入逆向工程软件，例如Geomagic等；

利用所述逆向工程软件自带的色谱比较法来分析比较待修复头颅模型与每个候选头颅模型的相似程度，即，吻合程度，再从所述候选头颅模型中选择一个与所述待修复头颅模型最相似的一个头颅模型。

在本实施例中，从所述候选头颅模型中选择一个与所述待修复头颅模型最相似的一个头颅模型可以完全依据所述逆向工程软件提供的色谱比较法的结果，也可以主要根据待修复部位与健康头颅对应位置的相似度来选择。

在本实施例中，所述目标标准头颅模型只有一个。

S103，根据所述待修复头颅模型生成缺损模型。

在本实施例中，所述根据所述待修复头颅模型生成缺损模型包括：

S131，在所述待修复头颅模型上确定待修复范围。

在本实施例中，可以根据待修复部位或者是病灶部位在所述待修复头颅模型上圈定待修复范围。

在本实施例中，圈定所述待修复范围可以根据修复的需要而进行。

S132，根据待修复头颅的待修复范围生成待修复头颅缺损模型。

在本实施例中，在所述待修复头颅上圈定待修复范围的过程中，同时在目标标准头颅模型上也相应地圈定出一个与待修复范围对应的候选修复范围，所述待修复范围与候选修复范围是同时生成的，具体地，所述待修复范围可以是在所述待修复头颅上任意数量的任意点形成的闭合区域。

在本实施例中，使用所述方法确定待修复范围以及候选修复范围，能够快速在目标标准健康头颅上圈定出与待修复范围最为相似的候选修复范围。

在本实施例中，除去所述待修复范围的待修复头颅模型即为待修复缺损模型。

S104，根据所述目标标准头颅模型以及所述待修复缺损模型生成个性化参照模板。

在本实施例中，根据所述目标标准头颅合成个性化参照模板具体包括：

S141，将目标标准头颅模型的颌骨三维形态图像与待修复头颅模型的颌骨三维形态图像重合。

在本实施例中，以上颌或下颌为基准，将目标标准头颅模型的三维形态图像与待修复头颅模型的三维形态图像重合，使得待修复头颅模型与目标标准健康头颅各特征标志点在三维形态图像上尽可能地重合与对应，从而增加所设计的修复体在待修复头颅上中的精准度和适用度。

S142，根据所述待修复头颅缺损模型和目标标准头颅模型设计修复体模型。

在本实施例中，在所述目标标准健康头颅模型上圈定的候选修复范围，可以通过软件预设的功能以模块的形式抓取出来，为便于表述，以下将所抓取出来的模块简称为待用修复模型，所述待用修复模块可以嵌入至待修复头颅模型的待修复区域中。

由于待修复头颅模型与目标标准健康头颅模型存在不可避免的差异，这就导致待用修复模块在嵌入待头颅模型的待修复区域后，边缘连接处很可能存在不吻合之处，因此，可以对待用修复模块进行修整，使得待用修复模块与所述待修复头颅模型上形成的待修复区域边缘连接处吻合。

S143，根据所述修复体模型与待修复头颅缺损模型生成个性化参照模板。

在本实施例中，所述根据所述修复体模型与待修复头颅缺损模型生成个性化参照模板可以具体包括：

在所述目标标准头颅模型的相应位置上根据所述待修复范围确定修复体模型；

修整修复体模型；

将修整后修复体模型与所述待修复头颅缺损模型连接形成一个模型。

在本实施例中，所述待用修复模块嵌入至待修复头颅模型后，会在待修复头颅模型上遗留边界线，形成嵌入痕迹，因此，本实施例可以采用曲面编辑技术，将待用修复模块与待修复头颅模型进行连接，形成连贯统一的面网格数据，并将融合所得的面网格数据作为个性化参照模板。

在本实施例中，由于步骤104是通过有限数量的选定点来圈定待修复范围的，因此，所圈定的待用修复模块会比较粗糙，待修复范围圈定也可能存在不精准的问题，其中，选定点即为步骤104中选定的用于圈定待修复范围的点。

因此，步骤101至步骤104所得到个性化参照模板可以被认为是初步设计模板，本实施例可以在个性化参照模板的基础上进一步确定精确待修复范围。

此外，利用目标标准健康头颅模型设计的个性化参照模板上具有牙列，而采用其它方案获取的手术模板缺失牙列设计，因此，本实施例选择以个性化参照模板为基础进一步设计修复体形态。

在本实施例中，由于闭口情况下，上下颌骨相互咬合，因此，重建而得的待修复头颅模型的上下颌骨在影像上存在交叠部分，因此，本实施例将待修复头颅模型根据上下颌骨分割成两个独立的子模型，从而避免在圈定待修复区域时将不相关的上/下颌骨圈定至待修复区域中。

在单独的上颌骨影像以及下颌骨影像上分别确定颌骨切除范围，所述颌骨切除范围是根据病灶部位精确确定的。

在本实施例中，在确定颌骨切除范围的过程中，在个性化参照模板上同时精确确定出修复体范围。

S105，根据所述个性化参照模板设计所述切除范围的终末牙列形态。

在本实施例中，可以根据所述个性化参照模板获取颌骨切除范围内的终末牙列形态，并将所述终末牙列形态嵌入至颌骨切除范围，再根据所述颌骨范围边缘上的牙列调整终末牙列形态。

S106，根据所述个性化参照模板、终末牙列形态设计种植***置以及供体骨的形态和位置。

在本实施例中，在终末牙列设计完成后，进一步地根据个性化参照模板以及设计而得的终末牙列形态来进一步修整种植体和供体骨的形态和位置，从而完成双侧大面积缺损颅颌骨修复的设计。

本申请人发现，使用本申请提供的方法对双侧大面积缺损颅颌骨进行手术设计，设计时间大大缩短，由原来的4-5小时，可以缩短至1-2小时，而且，本申请提供的方法依据健康人群三维形态大数据以及计算机进行精准设计，使得双侧大范围颌骨缺损这样的复杂病例，由传统的完全依赖医生经验、非标准化的手术设计，变得标准化、证据化，同时也保证了个性特征和功能性特征。设计而得修复体与待修复区域的匹配程度更高，使用设计而得修复体对双侧大面积缺损进行修复，患者术后美观程度以及功能恢复均具传统方法大为提高，

在本实施例中，在步骤106之后，所述方法还可以包括：根据所述种植***置以及供体骨的形态和位置设计导板；和/或分别制作所述待修复头颅缺损模型、颌骨修复后模型以及导板的实体模型。

在本实施例中，所述导板是一种通过计算机模拟形成的虚拟图像，在实际修复过程中，可以根据所述导板制作出形态完全相同的物理实体，用于辅助种植体、供体骨在手术实际中的实现。

在本实施例中，导板可以采用现有技术中任意一种可用的导板，例如：颌骨截骨导板、供体骨截骨导板、骨就位导板、种植导板等四类导板，或者合并其中若干个导板。

在本实施例中，所述导板实体可以通过3D打印的方式获得，导板实体可以包括颌骨缺损模型、颌骨修复后模型以及术中导板等。

在本实施例中，在步骤106之后，所述方法还可以包括：将所述待修复头颅缺损模型、颌骨修复后模型设计导航参数；将所述导航参数导入术中导航仪。

其中，所述导航参数包括导航配准点、截骨标志、修复体标志、供体骨就位标志、种植体标志和修复后牙列标志中的至少一个。

在本实施例中，用于生成导航参数的模型包括生成截骨后颌骨缺损模型以及颌骨修复后模型，将所述模型导入导航设计软件后，利用导航设计软件设计关键定点位置，导出导航文件至术中导航仪。

在本实施例中，所用导航方法以及导航仪可以采用现有技术中任意一种导航方法以及与之配套的导航仪。

本申请还提供一种基于颅颌面三维形态数据库的双侧颌骨缺损重建术前设计装置，所述装置包括：信息获取单元，用于获取待修复头颅的三维形态影像和预设数据库；模型检索单元，用于在预设数据库中检索目标标准头颅模型；缺损模型生成单元，用于根据所述所述待修复头颅模型生成缺损模型；个性化模板生成单元，用于根据所述目标标准头颅模型合成个性化参照模板；牙列形态设计单元，根据所述个性化参照模板设计所述切除范围的终末牙列形态；种植体设计单元，用于根据所述个性化参照模板、终末牙列形态设计种植***置以及供体骨的形态和位置。

在本实施例中，所述各单元的功能与实现其功能的方式如前方法中所述，在此不再赘述。

本申请还提供一种基于颅颌面数据库的双侧颌骨缺损重建术前设计的程序，所述程序用于执行本申请第一方面所述方法。

本申请还提供一种硬件介质，所述硬件介质上存储有前述基于颅颌面数据库的双侧颌骨缺损重建术前设计的程序，并且能够在处理器上执行所述程序。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (1)

1.一种基于颅颌面数据库的双侧颌骨缺损重建术前设计装置，其特征在于，所述装置包括：

信息获取单元，用于获取待修复头颅的三维形态影像和预设数据库；

模型检索单元，用于在预设数据库中检索目标标准头颅模型；

缺损模型生成单元，用于根据待修复头颅模型生成缺损模型；

个性化模板生成单元，用于根据所述目标标准头颅模型以及所述缺损模型合成个性化参照模板；

牙列形态设计单元，根据所述个性化参照模板设计切除范围的终末牙列形态；

种植体设计单元，用于根据所述个性化参照模板、终末牙列形态设计种植***置以及供体骨的形态和位置；其中，

所述模型检索单元具体用于：在所述待修复头颅的三维形态影像上标示多个特征标志点；获取每个特征标志点对应的特征信息，所述特征信息包括特征标志点坐标、线距、角度和比例参数；

所述特征标志点包括颅部标志点、上颌标志点和下颌标志点，其中，颅部标志点包括鼻根点、左右鼻额点、蝶鞍点和颅底点；所述上颌标志点包括前鼻棘点、上齿槽座点、上齿槽缘点和上中切牙点；所述下颌标志点包括下切牙点、左右下第一磨牙点、下齿槽缘点和下齿槽座点；

所述个性化模板生成单元具体用于：

将目标标准头颅模型的颌骨三维形态图像与待修复头颅模型的颌骨三维形态图像重合，其中，将待修复头颅模型根据上下颌骨分割成两个独立的子模型；

根据所述待修复头颅缺损模型和目标标准头颅模型设计修复体模型；

根据所述修复体模型与待修复头颅缺损模型生成个性化参照模板，其中，所述个性化参照模板上具有牙列；

进一步地，根据所述修复体模型与待修复头颅缺损模型生成个性化参照模板包括：在所述目标标准头颅模型的相应位置上确定修复体模型；根据待修复范围修整修复体模型；将修整后修复体模型与所述待修复头颅缺损模型融合。

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