基于数码照片的乳房形态测量分析系统的研制

摘要

1.研究背景: 乳房形态的测量分析研究，长期以来都是整形外科、人体美学以及人体测量学等相关学科关注的重点和热点。在外科领域里，乳房形态测量分析研究的主要目的是为随着经济社会发展而日益增多的乳房整形美容手术的设计和评估提供客观的参照依据及形象的交流平台，从而提高手术的准确性、科学性以及医患双方的共同参与度，减少手术的盲目性和术后纠纷发生率，取得更为理想的手术效果。 自20世纪初以来，各种乳房形态测量分析技术方法相继出现。时至今日，对乳房形态的测量分析研究已经逐步实现了从人工测量和描述到计算机辅助测量和模拟，从速度慢、误差大的接触式测量到快速而精确的非接触式测量，从信息损失量大的二维平面到信息丰富、形象直观的三维立体的飞跃。但是由于乳房自身独特的形态结构和生理特性以及外部研究条件等原因，到目前为止，各种乳房形态测量分析技术和方法，于实际应用中却分别在不同方面存在着一定局限性，因而亟需一种取材简易、成本低廉、操作便捷、与乳房特点相适应、精确度合乎要求的新技术/方法，综合起来说就是要求在实际应用中性价比高、易于推广普及。开发出这样一种新技术/方法，正是本课题研究的出发点。 近年来，随着计算机学、光学、图形图像学等相关学科技术的迅猛发展，基于数码照片对某一物体进行测量分析成了测量测绘学中新兴的一种技术方法，它在硬件上一般仅使用一套普通的数码摄像系统和一台常规配置的计算机，以被研究物体的数张二维数码照片为素材，操作专用软件，简便、快捷地进行比较精确实用的相关测量分析，还能实现一定程度的三维建模、模拟设计等功能，基本不受测量环境的限制，对外部条件的要求也非常低，成本相对于现有的各种乳房形态三维测量研究系统来说相当低廉。这一技术方法已经在工业等领域中取得大量的研究及应用成果，在整形外科领域中的面部测量分析上也已经得到了一定的应用，但应用于乳房形态的系统性研究则在国内外尚鲜有报道，更缺乏有针对性的测算理论和成形的专用软件系统。 2.目的: 在上述背景下，为了给乳房整形美容手术的设计和评估提供一种取材简易、成本低廉、操作便捷、与乳房特点相适应、精确度合乎要求、实用性更强的技术手段，我们设计开发了这套“基于数码照片的乳房形态测量分析系统”，尝试以人体乳房的数张数码照片(主要为正前位和左右正侧位共三张)或者相应摄像资料为素材，经过一定的校正和标定，对乳房形态的相关重要测量项目，如二维线性指标乳头间距(N-N)、乳房高度(H)、乳房突度(P)、乳房基底宽度以及实现三维建模后的乳房体积、乳房表面的曲线距离等进行较准确地测量、计算以及初步三维显示，并分析评估乳房的形态特征，为指导乳房整形美容手术的设计、假体选择、术前模拟、术后评价乃至大规模调查正常人群乳房形态，探索人类乳房生长发育规律以及建立乳房美学评价标准奠定基础。本系统还具备适用于其他所有相关的人体部位(主要是面部)长度/距离、角度、比例等指标的测量分析功能。 3.方法: (1)基于数码照片的乳房形态测量分析系统设计和误差校正在MICROSOFTWINDOWS平台上，主要应用VisualC＃语言进行设计；借鉴前人对同类型误差分析的研究成果，有针对性地制定相应校正措施，使系统的测量误差能够控制在可接受的范围内。 (2)软件法与手工法对乳房二维形态测量的比较通过编程实现软件的二维测量功能，按照本系统所要求的数码照片采集标准采集一组(12例)乳房模特数码照片，对同一乳房模型的4项重要测量参数分别进行软件测量和手工测量，对结果进行配对t检验，初步验证通过软件实现计算机辅助测量乳房相关参数的实用性和可靠性。 (3)升级系统，增加三维建模、测量分析功能对系统进行升级，应用计算机对乳房的正前位、正侧位数码照片边缘检测得到轮廓图形，对该轮廓图形进行数值拟合，获得三维乳房分别在xoy、xoz和yoz平面的轮廓曲线表达式，然后以此建立二元函数z=z(x，y)描述乳房基本三维模型，并以此为基础测算该模型体积。用语言将此算法编写为计算机程序，开发三维测量分析软件。 (4)检验系统对乳房形态进行三维测量分析的的准确性和可靠性按标准分别采集6具不同型号人体模特共12例乳房的正前位、左右正侧位数码照片，对本系统的乳房三维建模和测量分析功能进行实验研究。以测算乳房体积为例，与手工测量(体积置换法)结果进行比较(配对t检验)，评估以本系统进行计算机辅助乳房三维测量分析的准确性和可靠性。在临床上，初步应用系统对真人活体乳房形态进行测量分析。 4.结果: (1)研制形成“基于数码照片的乳房形态测量分析系统”，其功能包括：图像数据资料存储、显示和读写功能以及格式转换；对原始图像进行校正；对人体乳房进行二维测量，三维建模和测量分析；实现通用角度、弧度、距离等几何参数的测量。针对性地制定了一系列有效的误差校正措施。 (2)按标准采集一组(12例)乳房模特数码照片，对同一乳房模特的4项重要测量参数分别进行软件测量和手工测量，结果分别进行配对t检验表明：软件测量和手工测量结果之间没有显著性差异(p值在0.297-0.389之间)，初步验证了通过软件实现计算机辅助测量乳房相关参数的实用性和可靠性。 (3)实现对系统(主要是软件部分)的升级和功能完善，应用计算机对乳房的正前位、正侧位数码照片边缘检测得到轮廓图形，建立了以二元函数z=z(x，y)进行描述的三维乳房模型，并以此为基础测算出该乳房模型的体积。成功开发出乳房三维测量分析软件，具备取材简易、成本低廉、操作便捷、与乳房特点相适应、精确度合乎要求、实用性强的技术优势。 (4)使用本系统测算6具不同型号或者批次的人体模特共12例乳房体积，与手工测量(体积置换法)结果进行配对t检验表明：系统测量和手工测量结果之间没有显著性差异(p值为0.120)，验证了以本系统进行计算机辅助乳房三维测量分析的准确性和可靠性。使用系统初步实现了对真人活体乳房形态的测量分析。 (5)目前存在的问题和今后的研究展望： ①本课题尝试将一种新的技术手段引入乳房形态测量分析研究中，并在使用乳房模型进行的实验中验证了它的可靠性，但是真人活体乳房个体差异很大，而且临床使用中也许会面临更多的干扰因素，虽然在临床的初步应用获得了较为满意的效果，但毕竟样本量有限，因此目前还不宜下最终结论，有待今后更大样本、更多测量指标的实际应用来进一步证实和完善。 ②由于目前尚处于课题初期，所制作的软件在分析设计等方面的功能相对简单；尚只能显示乳房表面三维图像的雏形，真实度还不够高；系统测量误差依然存在可以进一步克服的空间，这些都有待在今后的研究中完善。 ③由于数码照片采集角度的局限，目前系统主要适用于在正前位照片上乳房基底轮廓没有被遮盖的情况(比如某些小乳房)，要想达到更广泛的应用还有待取得相关技术和理论的突破。 5.结论: 本课题所研制的基于数码照片的乳房形态测量分析系统，可快速、便捷、低成本、非接触、较精确地对塑料人体模特乳房和真人活体乳房形态进行测量，初步实现乳房三维建模，并能以图像数据的形式显示和存储，具备初步的美学分析和手术设计功能，为研究乳房形态提供了一种新的实用性较强、应用前景广阔的技术手段，并为指导乳房整形美容手术的设计、假体选择、术前模拟、术后评价乃至大规模调查正常人群乳房形态，探索人类乳房生长发育规律以及建立乳房美学评价标准奠定基础。本课题借鉴前人的误差分析研究成果，校正了本系统可能产生测量误差的一些因素，并对在一定情况下克服误差的干扰和影响提出了合理化建议。 通过对乳房模特的实验研究和活体乳房初步应用研究，检验了该系统的可靠性和实用性。研究表明基于数码照片的乳房形态测量分析系统是一套有效、简单、实用的应用软件，可供乳房整形美容外科的临床、科研和教学诸方面用于临床咨询、术前术后对照、效果评判、图像资料定量研究和临床示教等，也同样适用于需要人体形态测量和分析的其他情况。 系统今后要在临床上得到广泛的应用，还需要在一些方面继续改进和完善。

目录

文摘

英文文摘

声明

前 言

第一章 基于数码照片的乳房形态测量分析系统设计和误差分析校正

1材料

1.1硬件

1.2软件

2方法

2.1系统的界面设计

2.2图像文件操作功能模块设计

2.3图像测量功能模块设计

2.4乳房参数文件存储结构

2.5乳房三维建模及显示设计

2.6档案管理数据库设计

2.7系统误差分析

2.8系统误差校正

3结果

3.1系统的实施例图如下

3.2系统功能结构

3.3系统基本界面

3.4乳房测量与建模界面

3.5照片档案管理界面

3.6通用测量分析界面

3.7乳房形态测量分析报告界面

4结论

参考文献

第二章乳房二维形态快速测量系统的研制

1材料和方法

1.1材料

1.2方法

2结果

3讨论

参考文献

第三章基于数码照片的乳房形态三维建模和测量研究

1引言

2材料和方法

3结果

3.1三维模型函数的建立

3.2模型体积的计算

4结论与展望

参考文献

第四章基于数码照片的乳房体积三维测量实验研究

1引言

2材料和方法

2.1材料

2.2方法

3.结果

4.讨论

参考文献

全文总结

在读期间学术成果

致 谢