[发明专利]预测颌面骨整形术后软组织容貌变化的计算机仿真方法

说明书

技术领域

本发明涉及计算机辅助外科技术及颌面整形医疗设备领域，尤其涉及预测颌面外 科手术后软组织容貌变化的计算机仿真方法。

背景技术

随着循证医学和微创外科的发展，颌面外科中精确的术前计划变得越来越重要。 同时在颌面部生长发育研究、创伤修复及美容整形治疗过程中，软硬组织的三维建模、测量 分析及手术效果仿真是数字化术前设计的前提和关键，其中软组织容貌预测尤为重要。为 了获取最好的手术效果，颌面外科手术常需医生在术前能依据拟采取的术式、截骨部位、截 骨量以及骨段移动的方向，来预测患者术后的颜面形态变化结果。对整形外科而言，通过软 组织模拟能够对各种手术方案进行术前的评估，从而为优化手术方案提供重要的参考依 据，也是进行医患交流，取得患者对手术方案的支持和理解的重要手段。另据报道，几乎所 有经过术前手术模拟和容貌预测的颌面手术患者，因其术前与医生取得了良好的沟通，积 极参与手术计划的商定。因此在术后对手术效果普遍感到满意。但如何在手术之前就能准 确的预测术后的软组织容貌变化，一直是生物医学工作者和临床医生们关心和研究的热门 课题之一。

由于人体面部皮肤软组织的复杂结构，其生物力学性能很难测量，确定形变规律 更加复杂。它不仅取决于骨块移动的方向、距离，而且与手术类型、手术方式有关，同时还有 一些其它因素：术区软组织的厚度、弹性、质地；皮肤、皮下脂肪的厚度；皮下筋膜的有无及 其连接方式；软组织的张力效应；术区周围区域软组织的厚度和类型；瘢痕以及患者年龄、 种族等有关。在软组织变形过程中，需要软组织对骨组织变形比例关系的数据库，而该变形 规律必须通过临床颌面患者的回顾性研究来获得。手术仿真融合了医学图像学、计算机图 形学和数学模型学等多学科。软组织的预测模拟所建立的软组织模型必须同时具有软组织 的解剖结构特征和生物力学行为特性，特别是对于软组织的复杂的非线性变形行为，需要 通过建立更加具有物理真实感的模型来模拟。有学者总结了目前国际上多种有效的形变模 型，将它们分为两类：网格结构模型和无网格模型，前者包括长单元模型、质点-弹簧模型、 有限元方法、边界元方法、张量-质点模型等，后者包含粒子系统、有限球方法、光滑粒子流 体动力学方法、传递链模型等。

早期的容貌预测是通过二维的手工剪影或平面描图实现的，其大多是建立在传统 的X线头影侧位片基础上，根据颌面骨骼的移动量等比的实现软组织变化，无法反映面部 外形的三维立体变化。并且颅颌面结构复杂、其面部形态并非完全左右对称，使得在X线投 照左右侧重叠问题上影响了传统二维手术模拟及疗效预测的准确性。近十几年来，欧美发 达国家科研机构投入了巨额资金用于颅颌面三维重建与模拟仿真系统的开发。目前，国际 上有一定知名度的几款模拟系统包括QuickCeph(QuickCephSystems,SanDiego, Calif.QC)系统、DentoFacialPlanner(DentofacialSoftware,Toronto,Ontario, Canada.DFP)、OrthognathicPredictionAnalysis(OPAL)和OrthognathicTreatment Planner(GACInternational，Birmingham，Ala)系统等。现有模拟软件系统的主要缺陷 是：1）.使用的模拟算法是基于大量几何模型分析后的统计学结果，并未建立高精度的物 理参数模型，这种算法得出的软组织变形效果只是生理特性的近似值；2）.算法的统计学 数据多是来源于西方人种的实验数据，并不适用于我们东方人群；3）.在配准过程中的系 统误差无疑会影响预测的精确性。利用计算机三维测量和自动化模型制造技术进行模拟预 测，即使在技术成熟的发达国家，因其高昂的价格也不易得到临床上的普及。加上其配套设 备昂贵、难以携带以及购买的模块仅可作为三维显示而无法编辑或进一步开发等特点，更 无法在国内临床上得到推广。因此，寻求一种具有高度仿真性且便于临床应用的模拟仿真 的方法有待于进一步探讨。

迄今为止，国内外仍缺乏一种理想的、全面的三维建模方法及软组织形变模拟仿 真平台。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明研发了一种适合东方人群的、针对口腔颌面和美 容整形外科的术前计划中软组织容貌预测与软组织手术的仿真平台和方法流程。