唇裂畸形计算机质点弹簧模型建立的研究
[摘要]目的：探讨利用螺旋CT建立唇裂畸形计算机仿真模型的方法，建立一适用于唇裂手术模拟及术后面型预测的唇裂畸形计算机仿真模型。方法：利用薄层螺旋CT获取原始数据，利用面向对象的开源软件环境VTK(Visualization Toolkit)技术建立可视化模型，利用Visual C++编写质点弹簧模型程序并使之与VTK显示结合。结果：用质点弹簧模型及VTK技术成功建立出一个具有软组织生物力学特性的唇裂畸形模型，并且较大程度简化了运算过程，提高运算速度。结论：该模型有较好的力学和几何相似性，为唇裂手术模拟提供了一个研究平台。
[关键词]唇裂；模拟外科手术；质点弹簧模型；VTK
[中图分类号]R782.2 [文献标识码]A [文章编号]1008-6455(2007)03-0354-03
唇裂修复手术是难度较大的整形手术，制定精确的术前手术方案非常重要。医生的经验对手术质量有很大的影响，传统的训练和培训方法单一，住院医生一般只能通过见习高年资医生的手术来积累经验。因为术后面型无法提前预知，医患双方都不能对术后患者的面相有直观了解，导致医患交流困难。如何建立唇裂手术预测模拟系统是口腔颌面外科医生所共同关注的一个问题。模拟外科手术为此问题提供了可能的解决方法，而模拟外科手术中如何建立一个能反应组织生物力学特性，并且能够满足虚拟现实中人机交互所要求的快速算法的计算机模型是研究的热点。本研究利用薄层螺旋CT，基于VTK技术、Visual C++技术建立一个反应组织生物力学特性的唇裂畸形计算机质点弹簧模型，为唇裂的虚拟手术以及颌面外科医生手术的培训提供了基础。
, http://www.100md.com
1 材料和方法
1.1 数据对象的获取：测试对象选取临床上一个3个月大左侧Ⅲ度先天性唇腭裂患儿，无其他身体疾患。应用Toshiba公司16排螺旋CT扫描机Aquilion对其做全头颅扫描，所得数据用我们白行编写的软件将图像中骨组织和软组织分割。最后用Visual C++和VTK技术建立唇腭裂可视化模型。
1.2 质点弹簧模型的构建：质点弹簧模型把连续组织用质点进行离散化，每一个质点通过虚拟弹簧与周围质点连接，质点间的相互作用通过弹簧传递。设定不同类型的弹簧系数来模拟组织的不同物理学特性。我们设定维持软组织面结构的结构弹簧，防止软组织过度弯曲的弯曲弹簧，模拟软组织剪切性能的剪切弹簧，体现软组织粘弹性的虚拟弹簧。为了简化算法，我们采取现在虚拟手术中常用的拟线弹性模型。质量弹簧模型的运算在VisualC++.net 2003中事先实现。
1.3 模型的修正与模拟流程：为了更好的模拟唇裂变形范围及减少运算量，我们设置了变形区间，即主要手术区域。在手术过程中采用局部求精方法，在主要手术形变部位采用高分辨率，其他非手术区域采取低分辨率，以简化运算数据，提高速度。而在形变完成后，由于没有形变计算，全体数据即可采用高分辨率显示，以体现效果。我们利用VTK中抽取点的方法，以完成数据的变换。手术模拟流程在Visual C++.net 2003实现，并使之与VTK显示实时结合。
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2 结果
2.1 建立了唇裂计算机质点弹簧模型：利用VisualC++编写质量弹簧模型程序，并把其加载到唇裂可视化模型中，在VTK窗口显示，建立出唇裂畸形计算机质点弹簧模型。模型形态还原性好，重建效果理想，可以在生成视窗内任意旋转，为医生提供唇裂详尽的三维信息，并且包含了能反应软组织物理性质的生物力学信息。
2.2 实现了建模过程，并预留了标准数据接口：由原始CT数据、结合VTK及VisualC++技术建立具有生物力学性质的唇裂计算机模型，在CT数据转换、VTK及Visual C++程序编写过程中书写了标准代码，提前预留了由其他数据(如MRI)录入的接口，预留了以后为了提高模型精度而加载肌肉层、脂肪层的标准数据库接口。
3 讨论
模拟外科手术(Simulation Surgery)是采用计算机图形学与数据可视化技术，利用计算机图像处理和分析方法，选择数学模型对三维数据进行人体器官几何重建，进而在计算机上模拟出病灶部位的三维结构，并使依据三维数据建立的模型具有实际物体的物理性质，最后利用VR(VirtualReality)手段虚拟手术的逼真场景，使医生能够在计算机建立的虚拟的环境中设计手术过程。随着计算机技术的不断发展，以及各种模拟软件的出现，手术模拟已经有了很大的进展，其中骨组织的手术模拟及力学分析现在已经有成熟产品上市。但在软组织的手术模拟中普遍存在着一些技术方面的难点，其中如何建立一个能反应组织生物力学特性，并且能够满足虚拟现实中人机交互所要求的快速算法的模型是研究的热点。
, http://www.100md.com
质点弹簧模型是描述连续性介质的一种模型，它把物体离散成若干个点，使用有质量的点来表达数据，使用弹簧的刚性来表达点之间的相互影响。最初由于该模型计算速度快，实现物体变形较为简单，多被用于动画游戏中物体的变形仿真模拟，特别是对织物、人脸动画的变形仿真模拟。软组织物理性质复杂，模型受力变形或切割后引起拓扑变化。质点弹簧模型对于软组织的拓扑变化适应能力好，被学者用于软组织的变形、切割、缝合等虚拟手术仿真。
唇裂的计算机模拟外科国内外开展很少。Stephen Schendel在2005年建立了一个能用于虚拟手术的唇裂计算机模型并且给出了最后修复效果，但是文章并没有给出模型的变形方法，该模型也只用作对颌面外科医生唇裂手术中定点设计的评价。本研究提出了一种利用VTK结合质点弹簧模型建立了模拟外科手术模型的新方法，给出了详细的建模过程，成功建立了一个可以反应唇部软组织生物力学特性、具有良好的几何相似性的唇裂畸形计算机模型。该模型有以下特点：
3.1 模型采用质点弹簧模型：在软组织外科手术模拟研究中，常用的有限元模型和质点弹簧模型。前者已经被应用于外科仿真手术中的软组织变形模拟，而且精确度和稳定性较高。我们之所以没有选择有限元模型，因为虽然有限元模型精确度高，但是由于其计算量大，计算效能低，特别是在切割缝合时随着大量单元的出现，其计算量会急剧增高，不适应于虚拟手术实时性的要求。质量弹簧模型优点在于可以方便的模拟软组织的弹性，可以在静态和动态条件下计算，切割缝合也比较容易实现，可以简单的去除和连接相应单元便可以做到切割和缝合，能够适应实时处理的要求。
, 百拇医药
3.2 模型的可提升性：本模型在建立过程中采用了面模型，因为考虑到原始运算量的大小对运算速度有最根本影响，我们在分割数据只提取了骨骼和皮肤两层，而假定唇部皮肤均匀一致，认为其物理性质没有差别。但在软件设计过程中，我们预留了加载多层数据的标准数据库接口，随着计算机运算速度的提升，我们可以在分割图像时多提取脂肪层、肌肉层等，可以直接加载到模型中，这将大幅度提高模型的准确性。
3.3 为唇裂手术模拟及评价提供了一个研究平台：唇裂修复手术在临床上有多种修复方法，已经成为颌面外科常规手术，但是由于术后面型的不确定性，临床上至今还没有一个大家公认的术前评价系统，如何确定手术方案很大程度受医生临床经验的影响，另外口腔颌面外科医生在唇裂手术上培养途径较少，只能通过见习手术来积累经验。我们采用虚拟手术的原理，通过计算机建立一个模拟外科手术平台，可以进一步与虚拟现实技术结合，使医生能够在虚拟环境下重复练习手术过程，并且系统可以提前记录储存专家的手术过程，这样便大大缩短临床上对于医生的手术培训时间，并且减少医生对昂贵手术对象的要求，降低医生培训成本和时间。另外通过模拟展现不同手术方法的修复效果，提前在计算机上预知手术过程中可能出现的问题与术后患者整体面相，这样可以协助医生定量地制定手术方案，获得最佳手术效果。, http://www.100md.com(李 浩 封兴华 林 勤 卢虹冰 李云鹏 魏建华)
[关键词]唇裂；模拟外科手术；质点弹簧模型；VTK
[中图分类号]R782.2 [文献标识码]A [文章编号]1008-6455(2007)03-0354-03
唇裂修复手术是难度较大的整形手术，制定精确的术前手术方案非常重要。医生的经验对手术质量有很大的影响，传统的训练和培训方法单一，住院医生一般只能通过见习高年资医生的手术来积累经验。因为术后面型无法提前预知，医患双方都不能对术后患者的面相有直观了解，导致医患交流困难。如何建立唇裂手术预测模拟系统是口腔颌面外科医生所共同关注的一个问题。模拟外科手术为此问题提供了可能的解决方法，而模拟外科手术中如何建立一个能反应组织生物力学特性，并且能够满足虚拟现实中人机交互所要求的快速算法的计算机模型是研究的热点。本研究利用薄层螺旋CT，基于VTK技术、Visual C++技术建立一个反应组织生物力学特性的唇裂畸形计算机质点弹簧模型，为唇裂的虚拟手术以及颌面外科医生手术的培训提供了基础。
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1 材料和方法
1.1 数据对象的获取：测试对象选取临床上一个3个月大左侧Ⅲ度先天性唇腭裂患儿，无其他身体疾患。应用Toshiba公司16排螺旋CT扫描机Aquilion对其做全头颅扫描，所得数据用我们白行编写的软件将图像中骨组织和软组织分割。最后用Visual C++和VTK技术建立唇腭裂可视化模型。
1.2 质点弹簧模型的构建：质点弹簧模型把连续组织用质点进行离散化，每一个质点通过虚拟弹簧与周围质点连接，质点间的相互作用通过弹簧传递。设定不同类型的弹簧系数来模拟组织的不同物理学特性。我们设定维持软组织面结构的结构弹簧，防止软组织过度弯曲的弯曲弹簧，模拟软组织剪切性能的剪切弹簧，体现软组织粘弹性的虚拟弹簧。为了简化算法，我们采取现在虚拟手术中常用的拟线弹性模型。质量弹簧模型的运算在VisualC++.net 2003中事先实现。
1.3 模型的修正与模拟流程：为了更好的模拟唇裂变形范围及减少运算量，我们设置了变形区间，即主要手术区域。在手术过程中采用局部求精方法，在主要手术形变部位采用高分辨率，其他非手术区域采取低分辨率，以简化运算数据，提高速度。而在形变完成后，由于没有形变计算，全体数据即可采用高分辨率显示，以体现效果。我们利用VTK中抽取点的方法，以完成数据的变换。手术模拟流程在Visual C++.net 2003实现，并使之与VTK显示实时结合。
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2 结果
2.1 建立了唇裂计算机质点弹簧模型：利用VisualC++编写质量弹簧模型程序，并把其加载到唇裂可视化模型中，在VTK窗口显示，建立出唇裂畸形计算机质点弹簧模型。模型形态还原性好，重建效果理想，可以在生成视窗内任意旋转，为医生提供唇裂详尽的三维信息，并且包含了能反应软组织物理性质的生物力学信息。
2.2 实现了建模过程，并预留了标准数据接口：由原始CT数据、结合VTK及VisualC++技术建立具有生物力学性质的唇裂计算机模型，在CT数据转换、VTK及Visual C++程序编写过程中书写了标准代码，提前预留了由其他数据(如MRI)录入的接口，预留了以后为了提高模型精度而加载肌肉层、脂肪层的标准数据库接口。
3 讨论
模拟外科手术(Simulation Surgery)是采用计算机图形学与数据可视化技术，利用计算机图像处理和分析方法，选择数学模型对三维数据进行人体器官几何重建，进而在计算机上模拟出病灶部位的三维结构，并使依据三维数据建立的模型具有实际物体的物理性质，最后利用VR(VirtualReality)手段虚拟手术的逼真场景，使医生能够在计算机建立的虚拟的环境中设计手术过程。随着计算机技术的不断发展，以及各种模拟软件的出现，手术模拟已经有了很大的进展，其中骨组织的手术模拟及力学分析现在已经有成熟产品上市。但在软组织的手术模拟中普遍存在着一些技术方面的难点，其中如何建立一个能反应组织生物力学特性，并且能够满足虚拟现实中人机交互所要求的快速算法的模型是研究的热点。
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质点弹簧模型是描述连续性介质的一种模型，它把物体离散成若干个点，使用有质量的点来表达数据，使用弹簧的刚性来表达点之间的相互影响。最初由于该模型计算速度快，实现物体变形较为简单，多被用于动画游戏中物体的变形仿真模拟，特别是对织物、人脸动画的变形仿真模拟。软组织物理性质复杂，模型受力变形或切割后引起拓扑变化。质点弹簧模型对于软组织的拓扑变化适应能力好，被学者用于软组织的变形、切割、缝合等虚拟手术仿真。
唇裂的计算机模拟外科国内外开展很少。Stephen Schendel在2005年建立了一个能用于虚拟手术的唇裂计算机模型并且给出了最后修复效果，但是文章并没有给出模型的变形方法，该模型也只用作对颌面外科医生唇裂手术中定点设计的评价。本研究提出了一种利用VTK结合质点弹簧模型建立了模拟外科手术模型的新方法，给出了详细的建模过程，成功建立了一个可以反应唇部软组织生物力学特性、具有良好的几何相似性的唇裂畸形计算机模型。该模型有以下特点：
3.1 模型采用质点弹簧模型：在软组织外科手术模拟研究中，常用的有限元模型和质点弹簧模型。前者已经被应用于外科仿真手术中的软组织变形模拟，而且精确度和稳定性较高。我们之所以没有选择有限元模型，因为虽然有限元模型精确度高，但是由于其计算量大，计算效能低，特别是在切割缝合时随着大量单元的出现，其计算量会急剧增高，不适应于虚拟手术实时性的要求。质量弹簧模型优点在于可以方便的模拟软组织的弹性，可以在静态和动态条件下计算，切割缝合也比较容易实现，可以简单的去除和连接相应单元便可以做到切割和缝合，能够适应实时处理的要求。
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3.2 模型的可提升性：本模型在建立过程中采用了面模型，因为考虑到原始运算量的大小对运算速度有最根本影响，我们在分割数据只提取了骨骼和皮肤两层，而假定唇部皮肤均匀一致，认为其物理性质没有差别。但在软件设计过程中，我们预留了加载多层数据的标准数据库接口，随着计算机运算速度的提升，我们可以在分割图像时多提取脂肪层、肌肉层等，可以直接加载到模型中，这将大幅度提高模型的准确性。
3.3 为唇裂手术模拟及评价提供了一个研究平台：唇裂修复手术在临床上有多种修复方法，已经成为颌面外科常规手术，但是由于术后面型的不确定性，临床上至今还没有一个大家公认的术前评价系统，如何确定手术方案很大程度受医生临床经验的影响，另外口腔颌面外科医生在唇裂手术上培养途径较少，只能通过见习手术来积累经验。我们采用虚拟手术的原理，通过计算机建立一个模拟外科手术平台，可以进一步与虚拟现实技术结合，使医生能够在虚拟环境下重复练习手术过程，并且系统可以提前记录储存专家的手术过程，这样便大大缩短临床上对于医生的手术培训时间，并且减少医生对昂贵手术对象的要求，降低医生培训成本和时间。另外通过模拟展现不同手术方法的修复效果，提前在计算机上预知手术过程中可能出现的问题与术后患者整体面相，这样可以协助医生定量地制定手术方案，获得最佳手术效果。, http://www.100md.com(李 浩 封兴华 林 勤 卢虹冰 李云鹏 魏建华)
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