基于CT三维重建的正颌外科诊断分析，手术模拟及术后预测系统的应用研究

摘要

随着正颌外科的不断发展，传统的二维空间研究方法及手段已不能满足临床工作需要。人们期待对颜面结构形态进行三维的分析研究，从而为临床诊断分析、手术矫治设计、术后追踪观察及手术效果评价提供更多的信息和客观依据。鉴于此，本研究开发了基于CT三维重建的正颌外科诊断分析、手术模拟及术后预测系统，并将其临床实用化。为临床医生提供计算机生成的三维模型，帮助医生模拟手术的过程，预测手术的效果，选择合理的手术方案。从而提高临床诊断和治疗水平，促进医患的交流与合作。 系统以Windows2000Professional为平台，利用VC++6.0、VTK为工具进行开发。分为三个功能模块：基于CT影像数据的颅颌面硬软组织三维重建系统；颅颌面结构三维测量分析系统及颅颌面硬组织虚拟手术及术后软组织变化预测系统。各模块可根据临床需要独立运行。整个系统的设计遵循了面向对象的指导思想，各模块具有良好接口，因此保证了系统的可维护性和扩充性。整个研究分为三个部分： 1.基于CT影像数据的颅颌面硬软组织三维重建系统的开发及其在临床中的应用此研究构建了基于CT影像数据的具有自主知识产权的颅颌面硬软组织三维重建系统。系统获取患者CT颅颌面扫描的原始数据，经过二维预处理，三维预处理，运用改进的移动立方体法，即移动四面体法完成基于断层图像的三维表面重建；用基于小波的脚印法实现体重建。 2.重建三维图像能够清晰的显示颅颌面复杂结构完整的形态，清楚的表面。对重建的三维图像临床医生能够动态旋转，从各个角度全面的观察颅颌面畸形特征，也能通过任意切割显示颅颌面内部解剖结构。系统成功解决了困扰此领域已久的金属托槽X线反射问题，病人X线照射剂量问题及重建时间效率问题，使得该系统真正能够在临床得以实际应用。为进一步的三维分析诊断、手术模拟和预测构建了基础平台。 颅颌面结构三维测量分析方法的研究及应用此研究在借鉴国外经验的基础上首次在国内提出了颅颌面结构三维测量分析方法。该方法不需要确定空间三维坐标及参考平面，只需要确定4个解剖特征点(眶上切迹，眶下孔，颏孔，P点)，测量项目为26项。与传统方法相比大大简化了操作，提高了效率而分析结果的精度和准确度却进一步提高。新测量法利用4个特征点连线构成的空间几何体(双五面体)形态的表现来反应颅颌面畸形的特征，临床医生即使在没有取得测量值之前就能通过直观的观察三维几何体对颅颌面畸形做出准确的定性诊断。测量项目对正常值数据库依存度低，通过对特征点间三维位置关系及其连线构成的角度，平面空间位置关系进行定性定量分析，诊断颅颌面结构左右对称性及上下颌骨位置关系有无偏移及旋转。为手术矫治设计、手术效果评价及术后追踪观察提供更科学的信息和客观依据。 3.颅颌面硬组织虚拟手术及术后软组织变化预测系统的开发及应用此研究为临床医生提供了虚拟手术的平台，医生根据诊断结果结合临床经验确定手术类型。在颅颌面三维模型上选择手术方案需要切割的骨块，再根据手术截骨线的方案在骨块上交互地选择截骨特征点，系统根据这些特征点自动生成截骨线，将手术骨块切割开来。切割下来的骨块，在三维模型上与颅颌面其他结构分离，临床医生根据手术设计方案向系统提供骨块的移动参数，系统将骨块移动到预计的位置上。本研究成功地采用交互方式对正颌外科临床经典的几种手术方式进行了模拟，包括LefortⅠ型截骨术、下颌矢状劈开截骨术和颏成形术及多种手术联合多骨块移动等。实际使用中系统可以反复进行手术模拟，直到结果满意为止。将截开的骨块移动到新的位置后，软组织的模型也会发生相应的变化。本研究采用基于曲面插值的方法来预测术后软组织变化。通过本研究获取的临床正颌患者术前术后CT数据三维重建结果的验证，此方法预测的术后软组织形变结果与实际患者术后CT三维重建软组织结果及患者面相对比，该方法能比较准确的预测颅颌面软组织跟随硬组织移位所发生的形变。选择不同的手术方案，系统交互的给出不同的软组织模拟结果直到医生和患者满意为止。 本研究已经开发完成了从颅颌面三维重建到颅颌面结构三维测量分析，虚拟手术，再到术后效果预测的整套系统，通过该系统近一年的临床测试，能够有效的辅助正畸正颌患者的治疗，帮助医生模拟手术的过程，预测手术的效果，选择合理的手术方案。进一步的研究任务是根据临床医生操作使用中遇到的问题，对系统易用性做进一步的完善；同时鼓励患者和临床医生在术前使用该系统，根据反馈的结果，调整系统参数，使之更好的为正畸正颌临床服务。

目录

独创性声明及保护知识产权声明

缩略语表

前言

文献回顾

基于CT三维重建的正颌外科诊断分析，手术模拟及术后预测系统概述及总体流程

实验一 基于CT影像数据的颅颌面硬软组织三维重建系统的开发及其在临床中的应用

1.系统设计原则:

2.技术指标:

3.材料和方法

4.系统的功能及应用

5.结果

6.讨论

实验二颅颌面结构三维测量分析方法的研究及应用

实验三颅颌面硬组织虚拟手术及术后软组织变化预测系统的开发及应用

全文总结

参考文献

附录

致 谢

临床病例展示