CN113034532B - 一种基于无网格模型的整形手术术后软组织形变预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及医学整形预测领域，公开了一种基于无网格模型的整形手术术后软组织形变预测方法，用以提升整形手术效果预测的精准程度。本发明包括；S1.从患者术前整形部CT数据中提取受手术影响区域的软组织的内、外表面；S2.在软组织内、外表面之间提取手术影响范围内的无网格软组织节点；S3.采用无网格建模方法，构建软组织节点的无网格形函数及其偏导数；S4.根据骨骼位移量对软组织节点进行无网格形变仿真；S5.通过对软组织外表面的节点位移进行插值和平滑，得到整个软组织外表面的位置仿真预测值。本发明适用于颌面整形手术、正畸手术等各种通过矫正骨骼来引起软组织外形改变的整形手术术后软组织形变预测。

Description

一种基于无网格模型的整形手术术后软组织形变预测方法
技术领域
本发明涉及医学整形预测领域，特别涉及一种基于无网格模型的整形手术术后软组织形变预测方法。
背景技术
随着经济发展和人们精神文化水平的提高，要求进行体态整形手术的患者数量逐年增多，颌面骨骼整形手术就是其中比较有代表性的一种。在颌面骨骼整形手术中，患者最关心的问题之一就是术后自己的面貌将得到多大的改善，而目前商用的整形手术仿真软件主要致力于截骨、正畸等硬组织的手术仿真及方案设计，而对于术后的软组织和面貌改变仅基于计算机图形学进行面部3D图像的轮廓形变预测，与真实的术后效果存在较大差异。经发明人研究，发现造成前述问题的主要原因是，现有技术缺乏对患者术后效果的客观量化的定性分析预测，而且容易出现术后真实效果与患者自己期望的改善效果相距甚远、引发患者对治疗结果不满等情况。
目前，公开号为CN107134010的专利涉及到使用有限元方法对***弹性软组织进行形貌预测，但是有限元方法基于网格模型建立，网格模型在在处理网格的初始化、大变形(如手术方案对骨骼进行较大位移)、网格分布不连续(如颌面部的口鼻处会破坏软组织网格的连续性)等问题时存在很大的困难，很容易出现病态网格，影响计算的精度和稳定性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于无网格模型的整形手术术后软组织形变预测方法，用以提升整形手术效果预测的精准程度。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于无网格模型的整形手术术后软组织形变预测方法，包括以下步骤：
S1.从患者术前整形部CT数据中提取受手术影响区域的软组织的内、外表面；
S2.在软组织内、外表面之间提取手术影响范围内的无网格软组织节点；
S3.采用无网格建模方法，构建软组织节点的无网格形函数及其偏导数；
S4.根据骨骼位移量对软组织节点进行无网格形变仿真；
S5.通过对软组织外表面的节点位移进行插值和平滑，得到整个软组织外表面的位置仿真预测值。
具体的，所述整形部可以为颌面部。
进一步的，步骤S1具体包括：
S1-1.从患者术前整形部CT影像数据文件中提取三维体素数据，并将三维体素的各个维度调整为统一的分辨率；
S1-2.根据软组织和骨骼在整形部CT中的密度差异，设定骨骼和软组织的密度分割阈值，利用三维等值面提取算法，提取三维体素在骨骼密度阈值下的等值面作为软组织内表面surface1，提取三维体素在软组织密度阈值下的等值面作为软组织外表面surface2。
进一步的，步骤S2具体包括：
S2-1.根据手术方案，在三维体素数据中确定接受整形部手术及受该手术影响的骨骼区域area1的三维坐标范围；
S2-2.设定受手术影响的软组织距离范围阈值threshold1，将步骤S2-1中得到的骨骼区域三维坐标范围向外扩充距离threshold1，得到受整形部手术影响的软组织区域坐标范围area2；
S2-3.在上述受整形部手术影响的软组织区域坐标范围area2内，按照设定的节点间距阈值threshold2提取位于步骤S1-2中所述软组织内表面上、软组织外表面上以及软组织内、外表面之间的软组织节点。
进一步的，步骤S3中，形函数及其偏导数的计算采用无网格移动最小二乘法或无网格径向基插值法。
进一步的，步骤S4具体包括：
S4-1.利用无网格法构建全部软组织节点的弹性力学总体刚度矩阵K；
S4-2.以软组织内表面上的节点位移量作为本质边界条件构建无网格法的弹性力学惩罚刚度矩阵Ka和惩罚外力矩阵Fa；
S4-3.构建弹性力学离散控制方程(K+Ka)U＝Fa,利用最小二乘法解算出式中的全部节点位移向量U。
本发明的有益效果是：本发明基于无网格建模方法，通过对颌面整形后面部软组织的位移变化进行精确的生物力学建模仿真，具有方法新颖、结果可靠、预测精准等优点，可提升整形手术效果预测的精准程度，为医患提供重要的术前参考。本发明可适用于颌面整形手术、正畸手术等各种通过矫正骨骼来引起软组织外形改变的整形手术术后软组织形变预测。
附图说明
图1为实施例提供的一种基于无网格模型的颌面整形手术术后软组织形变预测流程图。
图2为实施例从dicom中提取得到的软组织上表面surface1和软组织下表面surface2示意图。
图3为实施例提取出的软组织无网格节点示意图。
图4为实施例根据仿真结果预测的软组织上表面示意图。
具体实施方式
为了提升整形手术效果预测的精准程度，本发明提供了一种基于无网格模型的整形手术术后软组织形变预测方法，包括以下步骤：
S1.从患者术前整形部CT数据中提取受手术影响区域的软组织的内、外表面；
S2.在软组织内、外表面之间提取手术影响范围内的无网格软组织节点；
S3.采用无网格建模方法，构建软组织节点的无网格形函数及其偏导数；
S4.根据骨骼位移量对软组织节点进行无网格形变仿真；
S5.通过对软组织外表面的节点位移进行插值和平滑，得到整个软组织外表面的位置仿真预测值。
该方法通过无网格方法对颌面部软组织在术后的形变进行仿真，提升手术效果预测的精准程度，为医患提供重要的术前参考。
下面以颌面整形手术术后软组织形变预测为例对本发明技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一种优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
如图1所示，实施例提供的一种基于无网格模型的颌面整形手术术后软组织形变预测方法，其具体实施步骤如下：
S1，从患者术前CT数据中提取受手术影响区域的软组织的内、外表面：
S1-1，从患者术前头部CT影像数据dicom文件中提取三维体素数据，并根据dicom数据中的像素分辨率信息和层厚信息，将三维体素的各个维度调整为统一的分辨率，如1mm*1mm*1mm；
S1-2，根据软组织和骨骼在CT中的密度差异，设定骨骼和软组织的密度分割阈值，典型的骨骼密度阈值如2000，典型的软组织密度分割阈值如800，利用三维等值面提取算法如Dual Contouring算法，提取三维体素在骨骼密度阈值下的等值面作为软组织内表面surface1，提取三维体素在软组织密度阈值下的等值面作为软组织外表面surface2，surface1对应附着在骨骼表面的最靠内的软组织层，surface2对应皮肤的表皮层，如图2所示。
S2，在软组织内、外表面之间提取手术影响范围内的无网格软组织节点：
S2-1，根据手术方案，在三维体素数据中确定接受颌面部手术及受该手术影响的骨骼区域area1的三维坐标范围，例如，在颏成型手术中，该坐标范围即包含手术方案所切割和移动的颏顶部骨骼，而在下颌支倒L型骨切开手术中，该坐标范围应不仅包含切开和移动的倒L型骨部分，还应该包含随着倒L型骨同时产生位移的整个下颌骨部分；
S2-2，设定受手术影响的软组织距离范围阈值threshold1，典型的阈值为30mm～50mm，将步骤S2-1中得到的骨骼区域三维坐标范围向外扩充距离threshold1，得到受颌面部手术影响的软组织区域坐标范围area2；
S2-3，在上述受颌面部手术影响的软组织区域坐标范围area2内，按照设定的节点间距阈值threshold2提取位于步骤S1-2中所述软组织内表面上、软组织外表面上以及软组织内、外表面之间的软组织节点P，如图3所示。
S3，采用无网格建模方法，构建软组织节点的无网格形函数及其偏导数，形函数及其偏导数的计算通常可采用无网格移动最小二乘法(MLS)或无网格径向基插值法(RPIM)；
S4，根据骨骼位移量对软组织节点进行无网格形变仿真：
S4-1，利用无网格法构建全部软组织节点的弹性力学总体刚度矩阵K；
S4-2，以软组织内表面上的节点位移量作为本质边界条件构建无网格法的弹性力学惩罚刚度矩阵Ka和惩罚外力矩阵Fa；
S4-3，构建弹性力学离散控制方程(K+Ka)U＝Fa,利用最小二乘法解算出式中的全部节点位移向量U。
S5，通过对软组织外表面的节点位移进行插值和平滑，得到整个软组织外表面的位置仿真预测值，得到的预测软组织外表面如图4所示。

Claims (6)

1.一种基于无网格模型的整形手术术后软组织形变预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.从患者术前整形部CT数据中提取受手术影响区域的软组织的内、外表面；
S2.在软组织内、外表面之间提取手术影响范围内的无网格软组织节点；
S3.采用无网格建模方法，构建软组织节点的无网格形函数及其偏导数；
S4.根据骨骼位移量对软组织节点进行无网格形变仿真；
S5.通过对软组织外表面的节点位移进行插值和平滑，得到整个软组织外表面的位置仿真预测值。
2.如权利要求1所述的一种基于无网格模型的整形手术术后软组织形变预测方法，其特征在于，所述整形部为颌面部。
3.如权利要求1或2所述的一种基于无网格模型的整形手术术后软组织形变预测方法，其特征在于，步骤S1具体包括：
S1-1.从患者术前整形部CT影像数据文件中提取三维体素数据，并将三维体素的各个维度调整为统一的分辨率；
S1-2.根据软组织和骨骼在整形部CT中的密度差异，设定骨骼和软组织的密度分割阈值，利用三维等值面提取算法，提取三维体素在骨骼密度阈值下的等值面作为软组织内表面surface1，提取三维体素在软组织密度阈值下的等值面作为软组织外表面surface2。
4.如权利要求3所述的一种基于无网格模型的整形手术术后软组织形变预测方法，其特征在于，步骤S2具体包括：
S2-1.根据手术方案，在三维体素数据中确定接受整形部手术及受该手术影响的骨骼区域area1的三维坐标范围；
S2-2.设定受手术影响的软组织距离范围阈值threshold1，将步骤S2-1中得到的骨骼区域三维坐标范围向外扩充距离threshold1，得到受整形部手术影响的软组织区域坐标范围area2；
S2-3.在上述受整形部手术影响的软组织区域坐标范围area2内，按照设定的节点间距阈值threshold2提取位于步骤S1-2中所述软组织内表面上、软组织外表面上以及软组织内、外表面之间的软组织节点。
5.如权利要求1或2所述的一种基于无网格模型的整形手术术后软组织形变预测方法，其特征在于，步骤S3中，形函数及其偏导数的计算采用无网格移动最小二乘法或无网格径向基插值法。
6.如权利要求1或2所述的一种基于无网格模型的整形手术术后软组织形变预测方法，其特征在于，步骤S4具体包括：
S4-1.利用无网格法构建全部软组织节点的弹性力学总体刚度矩阵K；
S4-2.以软组织内表面上的节点位移量作为本质边界条件构建无网格法的弹性力学惩罚刚度矩阵Ka和惩罚外力矩阵Fa；
S4-3.构建弹性力学离散控制方程(K+Ka)U＝Fa,利用最小二乘法解算出式中的全部节点位移向量U。
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