專利名稱：一種體網(wǎng)格變形方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種將虛擬三維人體模型參數(shù)化、并通過參數(shù)的調(diào)整對三維人體模型形狀進(jìn)行改變，即參數(shù)驅(qū)動人體骨骼和軟組織變形的體網(wǎng)格變形方法。
背景技術(shù)：
對于隆鼻整形手術(shù)的模擬，最常用的方式是采用基于圖像變形技術(shù)的仿真系統(tǒng)， 如美國的AlterImage Cosmetic Surgery Simulation system，這類系統(tǒng)輸入患者的側(cè)面肖像照片，然后對圖像的鼻子區(qū)域進(jìn)行局部的拉伸和扭曲變形.但是，二維的圖像模擬，顯然缺乏三維的深度信息，不能轉(zhuǎn)動察看任意視角的形態(tài)，同時對于手術(shù)指導(dǎo)的意義不大。為此，少數(shù)學(xué)者研究了基于自由變形技術(shù)(Free-form Deformation, FFD)的隆鼻整形手術(shù)系統(tǒng)，對激光掃描獲得的表面網(wǎng)格進(jìn)行變形。FFD變形計算量小，但是需要構(gòu)建額外的包圍控制網(wǎng)格，利用控制網(wǎng)格對所包含的空間域進(jìn)行變形，操作不方便，且變形效果受到控制網(wǎng)格的限制。Lee等人采用基于特征線段的體數(shù)據(jù)變形技術(shù)進(jìn)行隆鼻模擬，同樣是一種嵌入式的空域變形方法，和FFD變形一樣，難以控制變形的效果。同時，有眾多的學(xué)者研究和探索了通用的整形手術(shù)仿真系統(tǒng)，其關(guān)鍵的變形技術(shù)采用得最多的是彈簧質(zhì)點(diǎn)模型、和有限元方法。彈簧質(zhì)點(diǎn)模型是一種離散的、簡化的粒子交互模型，容易實現(xiàn)，而且計算量相對較小，可以進(jìn)行交互甚至實時的模擬。但是，對連續(xù)體力學(xué)結(jié)構(gòu)簡化的代價，是計算得到的變形結(jié)果精度較差。彈簧的彈性常數(shù)往往是粗略地確定， 同時一些物理約束也難以得到表達(dá)，如體積不可壓性質(zhì)就難以在建模中準(zhǔn)確考慮。有限元方法是直接從連續(xù)體力學(xué)方程推導(dǎo)得到的，可以更準(zhǔn)確的描述軟組織的材質(zhì)屬性，提供更強(qiáng)真實感的變形模擬。但是，有限元方法的計算量相對較大，難以進(jìn)行實時交互，同時，有限元法的原理較為復(fù)雜，不容易達(dá)到魯棒的數(shù)值實現(xiàn)。另外，這些通用的三維仿真系統(tǒng)的操作和交互比較復(fù)雜，不利于推廣應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供里一種體網(wǎng)格變形方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的一種體網(wǎng)格變形方法，該方法應(yīng)用于隆鼻手術(shù)模擬系統(tǒng)中，包括以下步驟
(1)將患者的CT掃描體數(shù)據(jù)導(dǎo)入到系統(tǒng)的圖像分割和三維模型重建模塊，利用自動和半自動的圖像分割算法，重建出三維頭骨模型和皮膚表面模型；
(2)生成面部軟組織的四面體網(wǎng)格，生成體網(wǎng)格的同時，系統(tǒng)自動采樣每個四面體單元所在軟組織區(qū)域內(nèi)的CT像素平均灰度值，并采用生物力學(xué)領(lǐng)域有限元方法相同的映射算
法，得到每個四面體單元的非均勻材質(zhì)參數(shù)t
(3)進(jìn)行三維頭部解剖測量，在頭骨模型和皮膚表面模型上選取預(yù)定義的解剖標(biāo)志點(diǎn)， 然后系統(tǒng)自動生成隆鼻整形中常用的解剖測量器，包括各種直線距離、垂線距離、線段角度等等，并與數(shù)據(jù)庫中統(tǒng)計的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值相比較，用于指導(dǎo)術(shù)前手術(shù)設(shè)計；同時，利用選取的位于中切面上的幾個解剖標(biāo)志點(diǎn)生成中切平面，并生成中切平面的二維視圖，采樣和顯示該平面上CT掃描紋理數(shù)據(jù)和皮膚表面模型的切割二維輪廓線；
(4)系統(tǒng)自動設(shè)置驅(qū)動變形所需的邊界條件；系統(tǒng)用中切平面切割皮膚表面模型得到的二維輪廓線中對于鼻子區(qū)域的局部段擬合成樣條曲線，并自動合理分布樣條曲線的控制點(diǎn)，后面交互模擬時用戶可以通過操作這些控制點(diǎn)方便的改變控制曲線的形狀，并用于驅(qū)動變形；另一方面，系統(tǒng)將軟組織體網(wǎng)格的與骨模型相接觸的內(nèi)層邊界面上的區(qū)域設(shè)置為變形的固定區(qū)域，所屬網(wǎng)格點(diǎn)的位置在變形的過程不變；
(5)設(shè)置好邊界條件區(qū)域后，系統(tǒng)將自動集成求解變形的矩陣A，并進(jìn)行Cholesky預(yù)分解；隨后，用戶可以任意在二維視圖上操作控制點(diǎn)改變控制曲線的形狀，系統(tǒng)通過插值得到前面定義的驅(qū)動變形點(diǎn)的新位置，系統(tǒng)更新邊界條件快速回代得到變形后的體網(wǎng)格頂點(diǎn)坐標(biāo)；另一方面，由于軟組織體網(wǎng)格的分辨率不高并且只是局部模型，系統(tǒng)進(jìn)一步將體網(wǎng)格的變形映射到完整的皮膚表面模型。本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明體網(wǎng)格變形方法在得到高質(zhì)量的體網(wǎng)格變形效果時，使其盡可能的保持幾何細(xì)節(jié)特征和模型體積不變，同時，充分考慮非均勻的材質(zhì)參數(shù)對變形的影響，以得到類似物理變形的效果。將這種方法運(yùn)用到隆鼻手術(shù)模擬系統(tǒng)中，便于操作的實現(xiàn)，有利于推廣。


圖1為基于拉普拉斯體網(wǎng)格變形方法的軟組織變形流程圖； 圖2為三維鼻解剖測量體系圖3為驅(qū)動變形操作的二維視圖； 圖4為初始生成的軟組織體網(wǎng)格； 圖5為隆鼻變形后的軟組織體網(wǎng)格圖6為術(shù)前的皮膚表面模型和配準(zhǔn)對齊好的從真實術(shù)后CT數(shù)據(jù)重建的皮膚表面模型的疊加圖7為隆鼻變形后的皮膚表面模型和從真實術(shù)后皮膚表面模型的疊加圖。
具體實施例方式本發(fā)明將面網(wǎng)格上的基于拉普拉斯坐標(biāo)的變形方法推廣到體網(wǎng)格上，步驟如下
1、將輸入的四面體網(wǎng)格表示為一個二元組JWr=(只幻，其中P=IASAO 是三維歐氏空間中的點(diǎn)集；I = FUSUPUr是一個抽象單純復(fù)形，描述網(wǎng)格的全部鄰接信息，包括頂點(diǎn)集「=利1^€均、邊子集S二很J)}、面子集F =恨J乂))、和四面體子集 T = {{i,j,Piq)}。將體網(wǎng)格上的拉普拉斯算子應(yīng)用到每個網(wǎng)格頂點(diǎn)以定義體網(wǎng)格拉普拉斯坐標(biāo)
權(quán)利要求
1. 一種體網(wǎng)格變形方法，其特征在于，該方法應(yīng)用于隆鼻手術(shù)模擬系統(tǒng)中，包括以下步驟(1)將患者的CT掃描體數(shù)據(jù)導(dǎo)入到系統(tǒng)的圖像分割和三維模型重建模塊，利用自動和半自動的圖像分割算法，重建出三維頭骨模型和皮膚表面模型；(2)生成面部軟組織的四面體網(wǎng)格，生成體網(wǎng)格的同時，系統(tǒng)自動采樣每個四面體單元所在軟組織區(qū)域內(nèi)的CT像素平均灰度值，并采用生物力學(xué)領(lǐng)域有限元方法相同的映射算法，得到每個四面體單元的非均勻材質(zhì)參數(shù)mK ；(3)進(jìn)行三維頭部解剖測量，在頭骨模型和皮膚表面模型上選取預(yù)定義的解剖標(biāo)志點(diǎn)， 然后系統(tǒng)自動生成隆鼻整形中常用的解剖測量器，包括各種直線距離、垂線距離、線段角度等等，并與數(shù)據(jù)庫中統(tǒng)計的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值相比較，用于指導(dǎo)術(shù)前手術(shù)設(shè)計；同時，利用選取的位于中切面上的幾個解剖標(biāo)志點(diǎn)生成中切平面，并生成中切平面的二維視圖，采樣和顯示該平面上CT掃描紋理數(shù)據(jù)和皮膚表面模型的切割二維輪廓線；(4)系統(tǒng)自動設(shè)置驅(qū)動變形所需的邊界條件；系統(tǒng)用中切平面切割皮膚表面模型得到的二維輪廓線中對于鼻子區(qū)域的局部段擬合成樣條曲線，并自動合理分布樣條曲線的控制點(diǎn)，后面交互模擬時用戶可以通過操作這些控制點(diǎn)方便的改變控制曲線的形狀，并用于驅(qū)動變形；另一方面，系統(tǒng)將軟組織體網(wǎng)格的與骨模型相接觸的內(nèi)層邊界面上的區(qū)域設(shè)置為變形的固定區(qū)域，所屬網(wǎng)格點(diǎn)的位置在變形的過程不變；(5)設(shè)置好邊界條件區(qū)域后，系統(tǒng)將自動集成求解變形的矩陣A，并進(jìn)行Cholesky預(yù)分解；隨后，用戶可以任意在二維視圖上操作控制點(diǎn)改變控制曲線的形狀，系統(tǒng)通過插值得到前面定義的驅(qū)動變形點(diǎn)的新位置，系統(tǒng)更新邊界條件快速回代得到變形后的體網(wǎng)格頂點(diǎn)坐標(biāo)；另一方面，由于軟組織體網(wǎng)格的分辨率不高并且只是局部模型，系統(tǒng)進(jìn)一步將體網(wǎng)格的變形映射到完整的皮膚表面模型。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種體網(wǎng)格變形方法，該方法用于隆鼻整形手術(shù)仿真系統(tǒng)的交互設(shè)計；系統(tǒng)將面網(wǎng)格上的基于拉普拉斯坐標(biāo)的變形方法推廣到體網(wǎng)格上，在簡單方便的交互操作方式下，得到高質(zhì)量的體網(wǎng)格變形效果，使其盡可能的保持幾何細(xì)節(jié)特征和模型體積不變，同時，充分考慮非均勻的材質(zhì)參數(shù)對變形的影響，以得到類似物理變形的效果。隆鼻整形手術(shù)仿真系統(tǒng)的原始輸入數(shù)據(jù)是患者的CT掃描體數(shù)據(jù)，導(dǎo)入到系統(tǒng)的圖像分割和三維模型重建模塊。
文檔編號G06T17/30GK102236913SQ201110094168
公開日2011年11月9日 申請日期2011年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月15日
發(fā)明者廖勝輝, 黃琦 申請人:杭州普樂信信息技術(shù)有限公司