半邊小臉癥之三維網(wǎng)格模型重建與分析系統(tǒng)課件

1、半邊小臉癥之三維網(wǎng)格模型重建與分析系統(tǒng)指導(dǎo)老師：萬書言 副教授姓名：王俊富13D Mesh Model Reconstruction and Analysis System for Craniofacial Microsomia第1頁，共23頁。大綱背景動(dòng)機(jī)目的相關(guān)文獻(xiàn)探討研究方法時(shí)程表參考資料2第2頁，共23頁。背景(1/3) - 二維測顱術(shù) vs. 三維重建由於現(xiàn)代人對(duì)外觀越來越重視，為了讓顱顏有缺陷的患者不感到自卑，顱顏修復(fù)手術(shù)就顯得相當(dāng)重要。在顱顏修復(fù)過程中，大多數(shù)顱顏醫(yī)生都欠缺三維模型的建立，仍以二維測顱術(shù)來定量人類頭部。但測顱術(shù)的基本限制在於僅能做二維的評(píng)估，而建構(gòu)三維顱顏模型能提

2、供更可靠的量測結(jié)果，也能讓醫(yī)生從不同角度及曲面對(duì)病患進(jìn)行評(píng)估。特別針對(duì)半邊小臉癥的患者建立三維顱顏模型。3第3頁，共23頁。背景(2/3) - 淺談半邊小臉癥半邊小臉癥 (Hemifacial microsomia或Craniofacial microsomia)是指臉的一邊發(fā)育不良，看起來比正常側(cè)小。通常有下列三種組織或器官患有不同程度的發(fā)育不全：顏面骨骼耳朵皮膚、肌肉、神經(jīng)發(fā)育不全 或嘴唇側(cè)裂導(dǎo)致大嘴癥。4第4頁，共23頁。背景(3/3) - 半邊小臉癥治療方式由於這種病波及的組織器官較多，程度可由輕微到很嚴(yán)重，因此治療原則是依各部位畸形而有所不同：顏面骨骼部分：可用下顎骨延長牽引術(shù)，運(yùn)用

3、內(nèi)或外固定器的牽引來改善臉型不對(duì)稱。耳部畸形：較輕微的外耳畸形手術(shù)比較簡單，不必經(jīng)過多次手術(shù)。較為嚴(yán)重者可能需接受整個(gè)耳朵的重建；目前以永田悟醫(yī)師（Dr.Satoru Nagata）的兩階段重建方式為主。軟組織部分：皮膚、肌肉、神經(jīng)的缺損可使用神經(jīng)移植、肌肉移植等方法來加以改善。5第5頁，共23頁。動(dòng)機(jī)(1/2)市面上三維醫(yī)學(xué)軟體大多昂貴且複雜操作，因此大部分醫(yī)生仍以二維測顱法評(píng)估，不過二維得到的資訊有限，若能提供醫(yī)生一套簡單操作且有效建構(gòu)三維模型系統(tǒng)，醫(yī)生在診治過程中也能多一種參考方式。大多數(shù)顱顏患者的治療方式是以對(duì)稱鏡射的方式治療，不過半邊小臉癥不但不對(duì)稱甚至整個(gè)臉會(huì)歪斜不正，因此無法以對(duì)

4、稱鏡射方式預(yù)估手術(shù)成果，所以提供一個(gè)平臺(tái)讓醫(yī)生操作並能夠大略展現(xiàn)手術(shù)後成果。6第6頁，共23頁。動(dòng)機(jī)(2/2)雖然手術(shù)前醫(yī)生對(duì)於手術(shù)的流程結(jié)果都很清楚，但病患卻無法得知手術(shù)後自己將變成如何。若能提供一個(gè)平臺(tái)建立出病患手術(shù)前的三維模型，並且讓醫(yī)生在平臺(tái)上進(jìn)行修補(bǔ)的動(dòng)作，使病患能在手術(shù)前能看到手術(shù)後大略的模樣，也會(huì)對(duì)手術(shù)的過程比較安心。7第7頁，共23頁。目的提供平臺(tái)建構(gòu)出三維模型，並供醫(yī)生調(diào)整工具調(diào)整模型，再以正常人臉表面比較。以CT或MRI影像建構(gòu)三維影像，並對(duì)三維影像進(jìn)行分割(Segmentation)，找出軟組織及硬組織表面。分別建構(gòu)出軟組織及硬組織的可調(diào)整網(wǎng)格模型。建立調(diào)整硬組織時(shí)軟組織

5、的相對(duì)關(guān)係。以解剖學(xué)及法醫(yī)學(xué)的觀點(diǎn)以調(diào)整後的硬組織建立出正常人的臉部表面。8第8頁，共23頁。相關(guān)文獻(xiàn)探討(1/4)二維測顱術(shù)：主要是以二維的影像描繪病患顱顏的前方、右側(cè)或左側(cè)的型態(tài)。優(yōu)點(diǎn)：方法簡單缺點(diǎn)：受二維限制僅能看單一方向沒辦法表現(xiàn)整體三維可看不同角度，能觀察表面曲度，甚至能做放大縮小(Scaling)、旋轉(zhuǎn)(Rotation)及位移(Translation)的操作。9第9頁，共23頁。相關(guān)文獻(xiàn)探討(2/4)從正面與側(cè)面兩張人臉影像重建三維頭部模型2： 先找出臉部五官特徵位置對(duì)應(yīng)到人臉通用模型上調(diào)整正面與側(cè)面影像的亮度值投影到三維模型上優(yōu)點(diǎn)：只須兩張二維影像缺點(diǎn)：三維模型會(huì)失真要針對(duì)半邊

6、小臉癥患者建構(gòu)模型，因此要符合真實(shí)情形。10第10頁，共23頁。相關(guān)文獻(xiàn)探討(3/4)A System for Facial Reconstruction using Distraction and Symmetry Consideration3：透過Distraction與Symmetry的方式讓非對(duì)稱的臉轉(zhuǎn)換為對(duì)稱的臉，並建構(gòu)成三維模型。Distraction是對(duì)下顎骨做逐步拉扯的動(dòng)作並增加或移除組織及骨頭，使整個(gè)臉型能趨近於對(duì)稱。Symmetry是用鏡射(Mirroring)的方式，先隨機(jī)產(chǎn)生一平面，再計(jì)算兩邊特定組織結(jié)構(gòu)的加總，根據(jù)產(chǎn)生結(jié)果再?zèng)Q定平面要往哪邊移動(dòng)，找出平面後再以正常的一

7、邊映射到受創(chuàng)的一邊。11第11頁，共23頁。相關(guān)文獻(xiàn)探討(4/4)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)果不錯(cuò)。缺點(diǎn)：非專業(yè)醫(yī)生，無法對(duì)下顎骨調(diào)整 方向。半邊小臉癥的整張臉都歪斜不正用鏡射對(duì)稱法會(huì)有誤差。若能提供工具讓醫(yī)生調(diào)整，病人對(duì)結(jié)果較能信服。12第12頁，共23頁。研究方法(1/8)流程圖：13第13頁，共23頁。研究方法(2/8)直接採用醫(yī)院得到的CT與MRI影像。要讓顱顏醫(yī)生準(zhǔn)確評(píng)估患者，採用體積成像(Volume Rendering)的方式建構(gòu)三維模型。體積成像是由很多張二維影像堆疊所形成的三維影像。14第14頁，共23頁。研究方法(3/8)透過影像灰階(Gray Level)的閥值(Threshold Val

8、ue)區(qū)分每張二維影像的硬組織與軟組織部分。得到軟、硬組織影像後，可組成人臉及頭骨的表面。15第15頁，共23頁。研究方法(4/8)在實(shí)際影像序列為依據(jù)之人臉動(dòng)作模擬4 論文中探討不同建構(gòu)表面的方式，比較後發(fā)現(xiàn)以多邊形表面(Polygonal surfaces)方式建構(gòu)最能貼近人臉的變化。其中多邊形以三角形最好，因?yàn)槿c(diǎn)共面，以三角形為可調(diào)整網(wǎng)格(Mesh)模型。16第16頁，共23頁。研究方法(5/8)建構(gòu)完三維網(wǎng)格模型後，得到頭骨與人臉網(wǎng)格模型讓醫(yī)生調(diào)整，醫(yī)生選擇手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)整人臉表面，若選擇自動(dòng)，醫(yī)生調(diào)整頭骨部分，沿著法線方向更改人臉表面部份。17第17頁，共23頁。研究方法(6/8)在

9、基於肌肉與頭骨結(jié)構(gòu)的人臉?biāo)苄闻c表情合成5這篇論文中提出以解剖學(xué)、法醫(yī)學(xué)及考古學(xué)觀點(diǎn)，讓調(diào)整完的頭骨以臉部的二十一個(gè)特徵點(diǎn)建構(gòu)出正常人臉的皮膚厚度。18第18頁，共23頁。研究方法(7/8)建構(gòu)出正常人的皮膚厚度再與調(diào)整完後的臉部表面網(wǎng)格模型比較，讓醫(yī)生判斷是否需要對(duì)病患進(jìn)行額外的皮肉移植。19第19頁，共23頁。研究方法(8/8)病患能從醫(yī)生調(diào)整完的頭骨與人臉表面部分看出手術(shù)後外觀的大略情形，對(duì)手術(shù)也更加安心。在三維成像採用Visualization Toolkit(VTK)來輔助建構(gòu)出三維模型。20第20頁，共23頁。時(shí)程表21第21頁，共23頁。參考資料1王祥亞 “淺談半邊小臉癥,”長庚醫(yī)

10、訊, vol. 29, no. 10, August 1, 2008.2蘇明信, 陳俊諺, 鄭國揚(yáng), “從正面與側(cè)面兩張人臉影像重建三維頭部模型,” Department of Computer Science and Information Engineering, National Taiwan University, Institute of Information Science, Academia Sinica, Taiwan.3O. Burgert, T. Salb, T. Gockel, R. Dillmann, S. Hassfeld, J. Brief, R. Krempie

11、n, S. Walz, J. Mhling, “A System for Facial Reconstruction using Distraction and Symmetry Consideration,” Institute of Real-Time Computer Systems & Robotics, University of Karlsruhe, D-76128 Karlsruhe, Germany, Department of Oral and Maxillofacial Surgery, University of Heidelberg, D-69120 Heidelberg, Germany, Department of Radiology, University of Heidelberg, D-69120 Heidelberg, Germany.