基于CT三维重建的正颌外科手术计划及仿真系统

摘要

正颌外科手术计划及仿真系统研究的两个关键问题是对人体组织的建模和对外科手术术式的仿真。过去的研究中，对手术术式的仿真研究多围绕人体的骨组织进行，对人体软组织的仿真多使用简单的理想化模型或对模型施加简单的实验步骤，缺乏对使用真实患者图像数据和真实外科术式对软组织进行完整虚拟手术过程的仿真研究。由于颌面部属于人体的显露部位，正颌外科手术将直接影响到患者的面部美学效果。由于许多复杂的正颌外科手术都涉及对软组织的手术操作，所以对软组织进行真实手术术式的仿真是非常必要的。本文使用真实的患者数据和真实的外科手术术式对软组织进行手术仿真研究。
　　本文主要以唇裂修复手术为具体实例，对颌面外科手术仿真系统进行了研究。因为唇裂修复手术只涉及患者颌面软组织的操作，可以避免因其他组织的形变对软组织手术仿真的干扰。本文主要研究了唇裂修复手术的主要仿真步骤，包括患者颌面部软组织的几何建模、手术标志点的定位和虚拟手术刀的构建。这些步骤亦适用于颌面外科其他手术的仿真。软组织的几何建模使用Marching Cubes等值面提取算法，并用体数据子采样和三角面片消除算法对模型进行优化。对手术标志点的定位，本文提出了二维切片图像与三维视图协同定位的方法和直接在三维多边形网格上定位两种方法，并对其适用性进行了比较，结果表明直接在三维多边形网格上定位的方法更易为医师所接受。虚拟手术刀的构建则利用图形学中三维物体建模方法构建虚拟手术刀的外观、利用VTK的3DWidget框架构建虚拟手术刀的行为。最后将各步骤有机结合，搭建了一个用于唇裂手术模拟的仿真系统。系统的实验验证采用来自真实患儿的薄层CT数据，仿真了唇裂修复术的部分术式及软组织切除等效果，结果表明本文研究方法的可行性。论文的研究工作为涉及软组织操作的颌面外科手术仿真提供了一种有效方法。

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缩略语表

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前言

1 正颌外科手术及其仿真

2 文献回顾

正文

1 手术仿真系统的框架

1.1 系统的硬件平台

1.2 系统的软件平台

2 CT 图像预处理

2.1 数据来源

2.2 CT 图像的分割

2.3 形成体数据

3 几何建模

3.1 几何模型的建立

3.2 几何模型的优化

4 交互式手术仿真部分的研究和设计

4.1 交互式手术标志点定位及标记

4.2 三维距离测量

5 实验与讨论

5.1 唇裂修复手术过程仿真实验

5.2 讨论

小结

参考文献

附录

1 唇裂介绍

2 唇裂修复手术

个人简历和研究成果

1 个人简历

2 攻读硕士期间研究成果

致谢