本發(fā)明涉及醫(yī)療信息，特別是一種基于3d仿真技術(shù)的整形效果模擬展示方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著醫(yī)療信息技術(shù)的快速發(fā)展，3d仿真技術(shù)在整形手術(shù)效果預(yù)測(cè)中的應(yīng)用日益廣泛。然而，現(xiàn)有技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨顯著挑戰(zhàn)：首先，形變模擬精度不足，傳統(tǒng)方法多依賴單一力學(xué)模型（如有限元或質(zhì)點(diǎn)彈簧模型），難以兼顧計(jì)算效率與多層軟組織的非線性變形特性，導(dǎo)致模擬結(jié)果偏離真實(shí)生物力學(xué)行為。其次，個(gè)性化適配不足，現(xiàn)有模型多采用通用生物力學(xué)參數(shù)，忽略患者個(gè)體差異，影響預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。此外，復(fù)雜形變計(jì)算依賴cpu串行處理，難以實(shí)現(xiàn)手術(shù)參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整的實(shí)時(shí)反饋，限制了臨床適用性。

2、同時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)缺乏對(duì)術(shù)后動(dòng)態(tài)恢復(fù)的建模。傳統(tǒng)方法多聚焦于術(shù)中即時(shí)形變模擬，未考慮組織愈合、瘢痕收縮等長(zhǎng)期形態(tài)演變，難以展示術(shù)后不同恢復(fù)階段的外觀變化。盡管已有研究嘗試多模型融合或參數(shù)優(yōu)化，但仍未有效整合多層次建模、混合計(jì)算架構(gòu)與動(dòng)態(tài)愈合預(yù)測(cè)，導(dǎo)致整形模擬的精準(zhǔn)化、個(gè)性化和實(shí)時(shí)化難以兼顧，制約了其臨床應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于現(xiàn)有整形手術(shù)模擬中存在軟組織形變模擬精度不足、個(gè)體化差異考慮不充分、實(shí)時(shí)交互性能低等問(wèn)題，提出了本發(fā)明。

2、因此，本發(fā)明所要解決的問(wèn)題在于如何通過(guò)多層次軟組織建模、個(gè)性化參數(shù)優(yōu)化和混合計(jì)算架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)整形效果模擬的精準(zhǔn)化、個(gè)性化與實(shí)時(shí)化。

3、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

4、第一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于3d仿真技術(shù)的整形效果模擬展示方法，其包括采集患者面部數(shù)據(jù)，構(gòu)建多層次面部結(jié)構(gòu)初始模型；構(gòu)建混合變形模型，混合變形模型采用有限元方法和質(zhì)點(diǎn)彈簧模型相結(jié)合的方式描述各層結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性；提取患者個(gè)體化特征參數(shù)，構(gòu)建生物力學(xué)參數(shù)預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，將個(gè)體化特征參數(shù)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的個(gè)性化生物力學(xué)參數(shù)集；將個(gè)性化生物力學(xué)參數(shù)集應(yīng)用于混合變形模型，優(yōu)化各層結(jié)構(gòu)的變形響應(yīng)特性；接收整形手術(shù)的操作輸入?yún)?shù)，基于gpu并行計(jì)算框架實(shí)時(shí)計(jì)算并顯示各層結(jié)構(gòu)的形變結(jié)果；構(gòu)建組織愈合與恢復(fù)動(dòng)力學(xué)模型，根據(jù)形變結(jié)果和組織愈合與恢復(fù)動(dòng)力學(xué)模型，生成術(shù)后不同時(shí)間點(diǎn)的外觀預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)；將外觀預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維可視化處理，形成整形效果對(duì)比展示界面。

5、作為本發(fā)明所述基于3d仿真技術(shù)的整形效果模擬展示方法的一種優(yōu)選方案，其中：構(gòu)建多層次面部結(jié)構(gòu)初始模型包括以下步驟：采集患者面部ct/mri數(shù)據(jù)和3d結(jié)構(gòu)光掃描數(shù)據(jù)，并記錄患者面部表情動(dòng)態(tài)視頻序列；應(yīng)用深度學(xué)習(xí)分割算法處理ct/mri數(shù)據(jù)，生成皮膚、脂肪、肌肉、筋膜、骨骼五層結(jié)構(gòu)的初步分割掩碼；對(duì)3d結(jié)構(gòu)光掃描數(shù)據(jù)與ct/mri數(shù)據(jù)進(jìn)行空間配準(zhǔn)，校正皮膚層分割掩碼的外輪廓；同時(shí)，通過(guò)構(gòu)建面部肌肉運(yùn)動(dòng)模式數(shù)據(jù)庫(kù)優(yōu)化肌肉層和筋膜層的分割掩碼；對(duì)各層結(jié)構(gòu)的分割掩碼執(zhí)行邊界平滑處理，生成三維邊界數(shù)據(jù)；基于患者面部表情動(dòng)態(tài)視頻序列測(cè)量各層結(jié)構(gòu)的形變特性，計(jì)算材料屬性參數(shù)；融合三維邊界數(shù)據(jù)和材料屬性參數(shù)，生成多層次面部結(jié)構(gòu)初始模型。

6、作為本發(fā)明所述基于3d仿真技術(shù)的整形效果模擬展示方法的一種優(yōu)選方案，其中：構(gòu)建混合變形模型包括以下步驟：構(gòu)建骨骼層和筋膜層的有限元模型，將骨骼層網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)設(shè)置為剛性固定邊界條件，同時(shí)定義筋膜層與骨骼層之間的連接約束關(guān)系；構(gòu)建肌肉層的復(fù)合變形模型，對(duì)肌肉纖維方向區(qū)域應(yīng)用非線性有限元方法，對(duì)肌肉連接區(qū)域應(yīng)用質(zhì)點(diǎn)彈簧模型，并定義肌肉層與筋膜層之間的滑動(dòng)約束關(guān)系；構(gòu)建脂肪層的質(zhì)點(diǎn)彈簧模型，根據(jù)脂肪組織的黏彈性特性設(shè)置彈簧參數(shù)，并定義脂肪層與肌肉層之間的黏附約束關(guān)系；構(gòu)建皮膚層的非線性有限元模型，引入超彈性材料本構(gòu)方程描述皮膚變形特性，并定義皮膚層與脂肪層之間的連接約束關(guān)系；整合各層結(jié)構(gòu)的變形模型，形成混合變形模型，將材料屬性參數(shù)應(yīng)用于混合變形模型，根據(jù)各層結(jié)構(gòu)的材料特性配置相應(yīng)的初始模型參數(shù)。

7、作為本發(fā)明所述基于3d仿真技術(shù)的整形效果模擬展示方法的一種優(yōu)選方案，其中：構(gòu)建生物力學(xué)參數(shù)預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)包括以下步驟：采集患者基本信息形成患者個(gè)體化特征參數(shù)集，同時(shí)提取多層次面部結(jié)構(gòu)初始模型的面部結(jié)構(gòu)特征向量，整合生成綜合特征數(shù)據(jù)；同時(shí)，構(gòu)建面部組織生物力學(xué)特性參考數(shù)據(jù)庫(kù)；構(gòu)建多分支神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，分別針對(duì)皮膚層、脂肪層、肌肉層、筋膜層、骨骼層建立獨(dú)立預(yù)測(cè)通道；采用多分支神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，基于面部組織生物力學(xué)特性參考數(shù)據(jù)庫(kù)預(yù)訓(xùn)練得到通用模型，通過(guò)遷移學(xué)習(xí)方法結(jié)合歷史患者的綜合特征數(shù)據(jù)，訓(xùn)練得到生物力學(xué)參數(shù)預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)；將當(dāng)前患者的綜合特征數(shù)據(jù)輸入至生物力學(xué)參數(shù)預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，并結(jié)合患者面部組織老化程度評(píng)估指標(biāo)和歷史手術(shù)案例數(shù)據(jù)庫(kù)中相似群體數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，生成患者個(gè)性化生物力學(xué)參數(shù)集。

8、作為本發(fā)明所述基于3d仿真技術(shù)的整形效果模擬展示方法的一種優(yōu)選方案，其中：將個(gè)性化生物力學(xué)參數(shù)集應(yīng)用于混合變形模型包括以下步驟：根據(jù)個(gè)性化生物力學(xué)參數(shù)集更新混合變形模型的材料屬性參數(shù)，并將更新后的參數(shù)映射至混合變形模型的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和單元屬性；執(zhí)行綜合變形測(cè)試，包括加載-卸載循環(huán)測(cè)試驗(yàn)證各層結(jié)構(gòu)的形變軌跡和恢復(fù)特性，以及局部變形測(cè)試計(jì)算面部區(qū)域的位移場(chǎng)和應(yīng)力分布，記錄變形響應(yīng)特征曲線；比較變形響應(yīng)特征曲線與歷史手術(shù)案例數(shù)據(jù)庫(kù)歷史數(shù)據(jù)中相似患者組的標(biāo)準(zhǔn)曲線，計(jì)算偏差值，生成參數(shù)微調(diào)指導(dǎo)；根據(jù)參數(shù)微調(diào)指導(dǎo)優(yōu)化各層結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)參數(shù)，重復(fù)執(zhí)行參數(shù)映射和綜合變形測(cè)試，直至變形響應(yīng)精度達(dá)到預(yù)設(shè)精度閾值，輸出優(yōu)化后的混合變形模型。

9、作為本發(fā)明所述基于3d仿真技術(shù)的整形效果模擬展示方法的一種優(yōu)選方案，其中：基于gpu并行計(jì)算框架實(shí)時(shí)計(jì)算并顯示各層結(jié)構(gòu)的形變結(jié)果包括以下步驟：接收醫(yī)生輸入的整形手術(shù)參數(shù)，并將整形手術(shù)參數(shù)轉(zhuǎn)換為混合變形模型的力學(xué)約束條件及載荷分布參數(shù)，構(gòu)建手術(shù)操作的數(shù)字化映射模型；配置gpu并行計(jì)算框架，根據(jù)手術(shù)區(qū)域的空間分布劃分計(jì)算子域，并應(yīng)用異步自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化技術(shù)，對(duì)手術(shù)直接作用區(qū)域執(zhí)行網(wǎng)格加密；構(gòu)建異構(gòu)并行求解器，將有限元模型的稀疏矩陣求解任務(wù)分配至gpu張量核心，質(zhì)點(diǎn)彈簧模型的質(zhì)點(diǎn)計(jì)算分配至cuda多線程塊，通過(guò)共享內(nèi)存同步層間力數(shù)據(jù)；執(zhí)行組織變形實(shí)時(shí)計(jì)算，輸出位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)；通過(guò)gpu-cpu異構(gòu)流水線將位移場(chǎng)數(shù)據(jù)異步傳輸至可視化模塊，生成各層結(jié)構(gòu)的形變結(jié)果數(shù)據(jù)。

10、作為本發(fā)明所述基于3d仿真技術(shù)的整形效果模擬展示方法的一種優(yōu)選方案，其中：生成術(shù)后不同時(shí)間點(diǎn)的外觀預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)包括以下步驟：構(gòu)建組織愈合與恢復(fù)動(dòng)力學(xué)模型，包括急性期子模型、水腫消退子模型、組織纖維化子模型、瘢痕形成子模型，并定義各子模型間的狀態(tài)變量傳遞規(guī)則；導(dǎo)入形變結(jié)果數(shù)據(jù)作為術(shù)后初始狀態(tài)，構(gòu)建時(shí)間序列模型；依次執(zhí)行時(shí)間序列模型中的急性期、水腫消退、組織纖維化、瘢痕形成階段，各階段將前一階段的輸出狀態(tài)作為輸入，通過(guò)相應(yīng)子模型生成對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)的面部組織狀態(tài)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)；通過(guò)時(shí)間序列模型整合各階段的輸出數(shù)據(jù)，生成術(shù)后恢復(fù)過(guò)程的全周期外觀預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。

11、第二方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于3d仿真技術(shù)的整形效果模擬展示系統(tǒng)，其包括面部結(jié)構(gòu)初始化模塊，用于采集患者面部數(shù)據(jù)，構(gòu)建多層次面部結(jié)構(gòu)初始模型，獲取各層結(jié)構(gòu)的三維邊界數(shù)據(jù)和材料屬性參數(shù)；混合變形建模模塊，用于構(gòu)建混合變形模型，混合變形模型采用有限元方法和質(zhì)點(diǎn)彈簧模型相結(jié)合的方式描述各層結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性；參數(shù)個(gè)性化模塊，用于提取患者個(gè)體化特征參數(shù)，構(gòu)建生物力學(xué)參數(shù)預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，將個(gè)體化特征參數(shù)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的個(gè)性化生物力學(xué)參數(shù)集；模型參數(shù)優(yōu)化模塊，用于將個(gè)性化生物力學(xué)參數(shù)集應(yīng)用于混合變形模型，優(yōu)化各層結(jié)構(gòu)的變形響應(yīng)特性；實(shí)時(shí)形變計(jì)算模塊，用于接收整形手術(shù)的操作輸入?yún)?shù)，基于gpu并行計(jì)算框架實(shí)時(shí)計(jì)算并顯示各層結(jié)構(gòu)的形變結(jié)果；術(shù)后恢復(fù)預(yù)測(cè)模塊，用于構(gòu)建組織愈合與恢復(fù)動(dòng)力學(xué)模型，根據(jù)形變結(jié)果和組織愈合與恢復(fù)動(dòng)力學(xué)模型，生成術(shù)后不同時(shí)間點(diǎn)的外觀預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)；可視化展示模塊，用于將外觀預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維可視化處理，形成整形效果對(duì)比展示界面。

12、本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明創(chuàng)造性整合ct/mri、3d結(jié)構(gòu)光掃描與表情動(dòng)態(tài)視頻序列，突破傳統(tǒng)單模態(tài)數(shù)據(jù)建模的局限性，顯著提高了軟組織邊界識(shí)別精度；首創(chuàng)“有限元+質(zhì)點(diǎn)彈簧”混合變形模型架構(gòu)，針對(duì)不同組織特性進(jìn)行差異化建模，同時(shí)創(chuàng)新設(shè)計(jì)層間滑動(dòng)與黏附約束關(guān)系，既提高了計(jì)算效率又保持了高度生物力學(xué)保真度；通過(guò)多分支神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)個(gè)性化生物力學(xué)參數(shù)預(yù)測(cè)，將患者的個(gè)體特征轉(zhuǎn)化為精確的仿真參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了真正個(gè)體化的精確建模；構(gòu)建了從急性期到瘢痕形成的完整組織愈合與恢復(fù)動(dòng)力學(xué)模型，首次實(shí)現(xiàn)了術(shù)后不同時(shí)間點(diǎn)的外觀變化預(yù)測(cè)，為醫(yī)患提供了全面的術(shù)后恢復(fù)評(píng)估工具。