一、研究背景及意义正常女性的形体特征由流畅、圆润、优美的曲线构成,而丰满的乳房在构成曲线美方面尤为重要。但是,作为女性第二性征器官的乳房,却往往因先天或后天发育不良(或不发育)、哺乳后自发性萎缩、乳腺切除手术等导致其胸部外观平坦或不对称,失去所特有的曲线美及女性魅力。因此,如何修复乳房良好的美学功能越来越受到整形外科医生以及患者自身的高度重视。尤其是近些年来,随着国民经济的快速发展和物质生活水平的迅速提高,人们对形体美的追求日益强烈,因胸部平坦或乳房不对称而要求进行隆乳术的患者日渐增多。假体隆乳术是对女性由于多种原因导致乳房瘦小、下垂、不对称等进行乳房增大的整形手术,是目前公认的一种安全、有效以及可操作的手术方法。然而,由于患者主观要求和医生临床经验的差异,且医患双方在术前沟通时均无法准确、形象地看到假体植入术后的乳房形态,造成一定的交流障碍,导致了一些患者对手术效果的不满,甚至引发了医疗纠纷。随着人们美学要求的逐渐提高,患者对手术效果不满意的比例也在逐步上升,临床上需要一种方法实现假体植入隆乳术的科学指导和植入效果的模拟仿真。近年来,随着计算机、光学等技术的飞速发展,计算机辅助光学三维测量技术因其能生动、形象地反映被测量物体形态特征,并全面地提供三维形态数据,成为研究的热点,在乳房整形美容外科领域也取得了一定的进展。目前,该技术的应用主要是通过激光扫描、立体照相等方式完成乳房的三维测量以进行乳房美学评估和修复重建手术的指导,国内外尚未见利用三维图像重建技术进行隆乳术效果模拟的有关报道。二、前期研究成果自2003年开始,本课题组引入了一种虚参考平面的光学测量方法——计算机辅助投射条纹测量法,建立了计算机辅助光学投射条纹三维形态测量系统(Computer-aided projecting fringe measuring 3-D system,CAPFMS)。该系统可精确、快速、便捷、非接触、高度自动化地采集到塑料人体模型乳房和真人活体乳房的三维形态数据,并能以三维数字图像方式显示和存储采集结果,实现了乳房表面任意两点间的平面或空间距离、乳房表面积及乳房体积等参数的测量。三、研究目的本文的主要目的是:以CAPFMS系统提供的三维测量数据为基础,通过对乳房曲面的三维重建及其真实感效果的模拟和乳房假体三维重建及其植入效果的模拟,为医患双方提供一个可视化的交流平台。四、研究内容和方法本文详细论述了乳房曲面三维重建的基本原理和方法。在研究了国内外大量曲线和曲面重建理论的基础上,提出了由测量数据快速重建非均匀有理B样条(Non-uniform Rational B-spline,NURBS)曲线曲面的基本方法,并给出了相应的实现算法。根据最小二乘逼近NURBS曲面的控制点重新计算了数据点云,并结合原数据点云进行了偏离程度的误差分析,得出了控制点个数与曲面光顺性及重建精度之间的关系。应用OpenGL人体真实感效果模拟的理论和方法,采用其提供的光照与材质等工具完成了人体真实感效果的显示,并对人体模型进行了光线跟踪。根据系统采集和测量的图像数据,提出了基于均匀像素点的二次筛选数值法,重建出了乳房的基本三维曲面网格图。对于采集丢失的乳晕颜色数据,通过乳晕半径信息,进行了乳房曲面模型上乳晕面的设计及建立,体现了乳房曲面的完整性。应用AutoCAD强大的渲染功能,为乳房曲面和乳晕曲面添加不同的皮肤材质,并进行了背景和光源的设置,创建出乳房的真实效果图。本文还完成了乳房假体的参数化设计,并分别应用AutoCAD和OpenGL实现其三维重建及植入效果的模拟。对医用假体的三维形状进行了研究,完成了两类常用假体的数学建模工作,实现了假体的数字化。利用OpenGL的选择功能,在人体三维模型中加入了假体数字化模型,完成了假体植入手术的效果仿真。应用AutoCAD的图形绘制类,对各种假体曲面网格模型及其植入后乳房曲面网格模型进行了效果模拟。根据仿真模拟的结果,对应用AutoCAD和OpenGL两种图形工具软件的优缺点进行了分析和比较。由于乳房曲面及假体的三维重建效果均依赖于测量数据,因此本文还研究了对测量采集到的数据进行误差点分类处理、三维正交拼接、自适应切割抗噪等各种预处理的原理和方法。通过分析各类系统误差产生的原因,提出了相应的处理方法。根据测量数据的实际情况选择变形区域,与非变形区域进行自动比较,计算出调节因子,解相后通过变形调节因子,纠正了三维数据的模拟形变误差。采用检测曲面的表面曲率连续性的方法发现误差点,提出距离加权法计算被替代误差点的数值,解决了数据点云中的突变误差点问题,满足了曲面拟合的实际需要。在分析多孔径拼接原理的基础上,推导出基于空间特征曲线匹配的三维正交拼接法,克服了多孔径拼接方法的不足,实现了特殊形态乳房的全景数据的采集与重建。采用自动切割条纹图的方法,消除了解相后三维数据中的高噪声,提高了三维几何形貌测量系统的自动化程度。基于投影栅相位法基本原理和实际测量应用,探索出预先计算参考平面数据的方法,减少了测量的工作量,简化了求解的计算过程。针对在实际应用过程当中,患者数量大、患者信息复杂等诸多情况,本文将患者信息、手术前后图像信息、医用假体信息、数据处理结果等全部存入数据库辅助系统中,有利于信息的集中管理,提高了系统的稳定性和可靠性。选择怎样的工具软件,如何将样海量的数据存入数据库是本系统的一个重要内容。本文采用VC++作为前台的应用开发工具,选择Access作为后台的数据库管理系统,讨论了相关数据库系统的连接和数据源的配置问题。同时,数据的处理还涉及到有关患者信息、手术信息等诸多数据的存储与显示以及手术前后患者图像的存储与显示等问题,就相应的处理方法,本文也分别作了详细的介绍。作为数据库动态存储测量数据的补充,依据串行化存储功能还实现了测量数据的文档存取。五、结论通过对本课题的研究,得出以下结论:1)通过本文的研究,开发了一套假体植入隆乳术计算机辅助设计系统(Computer-aided Designing System forAugmentation Mammaplasty,AM-CADS)。系统完成了从乳房三维数据采集、乳房曲面重建、乳房三维测量到手术效果显示的全过程,为假体植入隆乳术的设计提供了可视化的科学手段,对手术的实施具有积极的指导意义;2)根据投影栅相位法基本原理建立的计算机辅助投射条纹三维形态测量系统具有非接触、快速、易实现和精度较高等特点,是一种较为实用的三维形态测量技术;3)基于非均匀有理B样条(NURBS)的曲面重建技术,不但有利于快速重建,而且有利于数据的表达、存储和显示,是一种切实可行的三维图像重建技术;4)基于AutoCAD平台的二次开发和基于OpenGL进行应用软件的开发,各有优缺点,需要根据实践结果和用户的需求及反馈来确定在最终的AM-CADS系统中使用何种方式。