Метод реконструкции лица на основе 3D модели черепа
«Всё в порядке, просто ему нравится твоя форма черепа» Доктор Гонзо
Реконструкция лица используется преимущественно в двух областях: криминалистике и антропологии. Реконструкция заключается в следующем: на основе входных данных (форма черепа), подбирают подходящие черты лица и тем самым узнают, как выглядел человек. Современные общепринятые методы основаны на ручном ваянии лица из пластичного вещества на копии исследуемого черепа с учётом анатомических особенностей и справочной информации. Это занимает несколько недель.
Ранние подходы к компьютерному восстановлению
Не так давно были предложены автоматизированные методы реконструкции лиц на основе 3D модели черепа. В работах, посвященных этим методам, используются различные техники для последовательной реконструкции лица. Рассмотрим некоторые из них.
Terner и коллеги в своей работе A novel method of automated skull registration for forensic facial approximation ввели новый метод для автоматизированного получения 3D модели черепа и восстановления черепно-лицевой части головы, который основан на получении отдельных поверхностей из данных томографии.
Для получения трёхмерной модели предложенный метод находит грани лица, например, надбровные дуги и подбородок, с помощью алгоритма ICP, а затем применяет сплайновый алгоритм интерполяции под названием “thin plate spline warping — TPPW”.
Shui и коллеги в своей работе Densely Calculated Facial Soft Tissue Thickness for Craniofacial Reconstruction in Chinese Adults представили подход, основанный на FSTT статистике томографических данных (FSTT — Facial soft tissue thickness – толщина лицевого кожного покрова). Их метод использует 78 меток, вручную выбираемых на черепе, которые определяют общие особенности его строения. Затем происходит более точное определение его структуры и реконструкция лица с использованием алгоритмов ICP и TPPW.
FSTT измерения происходят для каждой вершины исследуемого черепа в направлении, зависящем от её геометрических координат. Грубое восстановление лица достигается за счёт смещения каждой вершины черепа в определённом направлении на расстояние FSTT, измеренной в этой вершине.
Для достижения более гладкого представления лица необходимо добавить 6 дополнительных меток, которые будут определять деформацию сплайнов при грубом восстановлении. И наконец, восстановление рта, глаз и носа должно производиться при участии криминологического эксперта. Таким образом, использование данного метода требует вмешательства человека.
Предлагаемый подход
Новый подход к реконструкции лица условно разделён на две стадии: генерация модели и восстановление лица. Предлагаемый метод полностью автоматизирован, начиная с получения 3D модели черепа и заканчивая определением структуры лица, и поэтому не требует вмешательства человека. Исключение составляет лишь начальная генерация модели (т.н. фаза тренировки). Ниже перечислены модели, используемые в рассматриваемом методе:
- Параметрическая модель черепа.
- FSTT статистика.
- Параметрическая модель головы.
Генерация моделей
Рис.1. Обзор процесса генерации модели.Рассмотрим процесс создания моделей.
Первый шаг заключается в установлении зависимости между различными моделями черепа и моделями головы. Для этой цели посредством аппроксимации происходит определение подходящей шаблонной модели черепа для каждой заданной сетки, построенной по определенным входным данным (см. Рис.1). Затем появляется возможность использовать шаблоны аппроксимации для определения геометрической вариативности моделей черепа и, соответственно, лиц, что происходит посредством PCA алгоритма. В результате мы определяем сразу две параметрических модели: модель черепа и модель головы. И далее на основе томографических сканов полученных 3D моделей черепа и головы строится FSTT карта.
Генерация параметрической модели черепа
Для генерации параметрической модели черепа устанавливается связь между различными 3D моделями черепа из специально созданной базы данных. Для этой цели один шаблон сравнивается с каждой отдельной моделью черепа. Для того, чтобы точно воспроизводить структуру черепа, данная шаблонная модель должна представлять собой трёхмерную тетраэдрическую сетку.
- Глобальная трансформация. В рамках этого этапа происходит наложение входной модели черепа на шаблонную модель, и в качестве результата мы получаем грубо аппроксимированную параметрическую модель.
- Точная аппроксимация. На данном этапе происходит уточнение шаблонной модели с помощью ICP алгоритма. Уточнение деталей происходит итерационно, на каждой итерации минимизируется энергия для определения подходящего закона трансформации:
где S – вершина сетки, Efit – аппроксимирующее слагаемое, Ereg – регулиризующее слагаемое. В случае используемой нежёсткой трансформации Efit может быть записано как:
где sc – вершина шаблона, fc – точка, близкая к сетке входной модели черепа. Ereg может быть записано как:
Это слагаемое выражает геометрическое расхождение шаблона и входной модели в ходе аппроксимации.
Генерация статистики толщины лицевой ткани
В процессе статистической оценки измеряются дистанции между 43-мя моделями черепа и соответствующими моделями голов, полученными из данных томографии.
Для этой цели определяется кратчайшее расстояние между каждой точкой черепа и поверхностью кожи полученной головы. И наконец, для каждой точки вычисляются стандартное отклонение и среднее для FSTT. Рис.2 иллюстрирует распределение этих величин по поверхности черепа.
Генерация параметрической модели формы головы
Так же как и модель черепа, модель головы генерируется посредством аппроксимации шаблонной моделью сканов реальных объектов: сначала устанавливается соответствие между ними и затем производится статистический анализ на основе PCA алгоритма. Для генерации модели извлекаются лицевые поверхности с 43-х томографических сканов, которые затем используются для построения FSTT статистики. Далее скан головы представляется в виде набора точек Q = {q1, … , qn}. Так как модель головы представляет собой только поверхности кожи, то аппроксимирующий шаблон головы является трёхмерной треугольной сеткой, состоящей из примерно 6000 вершин H = {h2, … , hn}.
Процесс аппроксимации шаблоном состоит из двух этапов, сходных с этапами аппроксимации формы черепа:- Вначале оптимизируются масштаб, поворот и сдвиг шаблонной модели для дальнейшего наложения на набор точек Q. Оптимизация происходит посредством минимизации квадрата расстояний между точками из набора Q и точками шаблона H с помощью ICP алгоритма.
- После произведенной грубой инициализации происходит уточнение модели за счёт преобразования точек из набора H таким образом, чтобы шаблонная модель наилучшим образом аппроксимировала точки из набора Q. Нелинейная функция преобразования может быть записана как:
Аппроксимирующее слагаемое Efit выражает квадрат расстояния между точками набора Q и соответствующими точками набора H:
Регулиризующее слагаемое Ereg выражает геометрическое расхождение состояния модели на предыдущей итерации и состояния модели на текущей итерации:
Заключение
Авторы предложили полностью автоматизированный метод восстановления лица на основе 3D модели черепа, использующий параметрическую модель формы черепа, лица и FSTT статистику.
Подход позволяет узнать, как выглядело лицо человека по форме его черепа. Метод основан на проведении статистических оценок посредством использования томографической базы данных и 3D сканов головы. С помощью создания набора правдоподобных (с точки зрения статистических оценок) моделей головы появляется возможность распознать личность человека, которому принадлежит череп.
Рис.4. Сравнение полученных моделей головы и лица, извлеченных из томографических сканов. Слева направо: аппроксимация на основе среднего FSTT, аппроксимация на основе среднеквадратичного FSTT, аппроксимация на основе оригинального FSTT, поверхность кожи, извлеченная из томографических сканов.Главное достоинство рассмотренного подхода по сравнению с ориентированными FSTT измерениями заключается в получении плотной FSTT карты без необходимости использования дополнительной априорной информации. Для каждой вершины параметрической модели формы черепа FSTT значение определяется непосредственно из FSTT статистики.
Можно ожидать, что рассмотренный метод найдёт широкое применение в криминологии и антропологии в ближайшем будущем.
Реконструкция лица по черепу — Sapiens: Антропология и биоархеология
Метод восстановления лица по черепу (графическая или скульптурная), метод антропологических исследований, позволяющий реконструировать на черепе мягкие ткани (части лица, сформированные хрящевой, мышечной и жировой тканью) и получать, таким образом, скульптурный или графический портрет индивида. Основан на исследовании толщины мягких тканей в различных участках головы и лица, а также на корреляционных зависимостях между формой отдельных костей и отделов лицевого черепа и покрывающими их мягкими тканями. В России известен как метод М. М. Герасимова. В антропологии и музейном деле используется, главным образом, как иллюстративный материал; в криминалистике и судебной медицине – как один из способов идентификации личности по скелету [Антропологический словарь, 2003].
Различают графическую реконструкцию: в этом случае внешний облик представляется в виде плоскостного портрета в фас и профиль; и скульптурную реконструкцию, когда восстановление прижизненных черт проводят в объемном выражении, создавая прижизненный скульптурный образ.
При скульптурной реконструкции воспроизводится мягкие покровы либо на черепе, либо на его копии. Материалом для работы служит твердый (скульптурный) пластилин, после завершения снимается гипсовая копия, и затем череп освобождается от пластилина.
Графическая реконструкция позволяет проработать образ, подобрать прическу, головной убор и другую атрибутику, задача которой дать объективный материал для восстановления [Герасимов, 1949,1955].
Процесс создания скульптурной портретной реконструкции на краниологической основе делится на следующие этапы:
1). Антропологическая реконструкция внешности: а) антропологическое исследование с акцентом на описательные признаки, б) определение пола, в) определение возраста и т.д.
2). Графическое разрешение реконструкции. Эта работа носит прежде всего контрольный характер. Графические схемы дают объективную оценку далее выполняемому скульптурному портрету.
3). Скульптурное воспроизведение схемы головы. Сущность работы в том, что на подлинном черепе восстанавливаются основные мускулы, затем наносятся гребни толстот, обеспечивающие в дальнейшем объективное построение схемы головы.
4). Завершение работы над бюстом с учетом исторических данных (костюм, прическа) [Герасимов, 1949].
Методика графической и скульптурной реконструкции являются не только одним из приемов классических палеоантропологических исследований, но и одним из способов диагностики палеоантропологического материала, в результате которого костный материал приобретает выразительность и наглядность [Герасимов, 1949]. Реконструкция внешности на основе черепа находит широкое применение в антропологии и криминалистике [Лебединская, 2016].
Метод восстановления лица по черепу был разработан и апробирован на криминалистическом материале российским антропологом М.М. Герасимовым (1949, 1955). Многие специалисты обращаются к этому методу, как в целях визуализации научных исследований, в музейных проектах, так и в практике судебной медицины, где восстановление внешнего облика производят при идентификации неопознанных останков.
Один из этапов работы над реконструкцией облика молодой женщины из берелского кургана [по: (Нечвалода, 2015]Литература
Антропологический словарь.
– М.: Классикс Стиль, 2003. – 328 с.
Герасимов М.М. Восстановление лица по черепу (современный и ископаемый человек). М.: Изд-во АН СССР, 1955. 585 с.
Герасимов М.М. Основы восстановления лица по черепу. М., Гос. Изд. «Советская наука». 1949. – 188 с.
Лебединская Г.В. Реконструкция лица по черепу (методическое руководство). – Москва, 1998. 125 с.
Лицом к лицу. Каталог скульптурных и графических антропологических реконструкций А.И. Нечвалоды. – М.: Старый Сад, 2015. – 106 с.
Реконструкция черепа | Гора Синай
Программа реконструкции черепа в Mount Sinai лечит самых разных пациентов. Многие приобрели дефекты черепа после черепно-мозговой травмы или операции, в то время как у других могут быть врожденные дефекты или опухоль. Есть также люди, которым требуется операция по удалению части черепа для лечения одного заболевания, а затем требуется реконструкция черепа. В Mount Sinai мы используем краниопластику (операцию по реконструкции черепа), чтобы восстановить форму черепа, чтобы защитить мозг от повреждений, улучшить внешний вид и уменьшить боль.
Наша программа лечит как простые, так и сложные деформации. Для этого мы используем сложную технологию моделирования черепа и цифровое программное обеспечение, чтобы обеспечить пациентам наилучший результат, как с медицинской, так и с косметической точки зрения. Мы сотрудничаем с экспертами в области пластической хирургии, нейрохирургии, реабилитации и нейрорадиологии, а также с центрами нейрохирургического моделирования и медицинского моделирования.
Наши исследования
В Mount Sinai мы извлекаем пользу из исследований, проводимых в наших центрах моделирования нейрохирургии и медицинского моделирования. Эти программы исследуют трехмерное (3D) моделирование для создания трехмерных (3D) имплантатов, которые могут помочь нам разработать имплантаты, разработанные по индивидуальному заказу для наших пациентов. Как правило, для создания этих имплантатов мы используем различные материалы, в том числе титан, полиметилметакрилат и гидроксиапатит (ГА), а также полиэфиркетон.
Используя расширенное 3D-моделирование рентгенографических изображений, мы можем моделировать и проектировать трансплантаты для краниопластики, которые ранее изготавливались вручную. Это делает имплантаты более точными, а также снижает частоту осложнений. Мы также используем автоматизированное проектирование (САПР), чтобы помочь нам разработать высокоточные фантомы и слепки черепа, чтобы мы могли создавать предварительно изготовленные черепные имплантаты для конкретных пациентов. Мы также используем 3D-печать, чтобы проводить курсы повышения квалификации для нейрохирургов и объяснять пациентам, что мы собираемся делать и чего они могут ожидать во время и после операции.
Познакомьтесь с нашей командой
Наши преподаватели хорошо известны в Нью-Йорке, на национальном уровне и во всем мире благодаря нашей грандиозной работе в области нейрохирургии. Наряду с нашими специализированными клиническими поставщиками среднего уровня, мы сотрудничаем с анестезиологами, специалистами по реабилитации и социальными работниками, чтобы обеспечить исключительную помощь каждому из наших пациентов.
Джошуа Б. Бедерсон, доктор медицинских наук
Содиректор программы реконструкции черепа
Профессор и системный заведующий кафедрой нейрохирургии
Клинический директор, ядро моделирования нейрохирургии
Питер Дж. Тауб, доктор медицинских наук
Содиректор программы реконструкции черепа
Отделение пластической и реконструктивной хирургии
Peter F. Morgenstern, MD
Ассистент-профессор кафедры нейрохирургии и педиатрии
Радж К. Шривастава, MD
Доцент кафедры нейрохирургии и отоларингологии
Константинос Маргетис, MD
Доцент кафедры нейрохирургии
Томас П. Найдич, доктор медицины
Профессор кафедры радиологии, нейрохирургии и педиатрии
Реконструкция лица | Медицина Джона Хопкинса
Ожоги, травмы, онкологические операции и болезни могут повлиять как на внешний вид, так и на функции лица. Повреждение костей и мягких тканей лица может повлиять на способность моргать, улыбаться, говорить или принимать пищу.
Лицевые пластические хирурги могут реконструировать структуры лица, чтобы улучшить функции и помочь человеку чувствовать себя более комфортно со своей внешностью.
Что тебе нужно знать
- Чтобы восстановить структуры лица, лицевой пластический хирург может использовать ткани из тела человека, такие как пересадка свободной микрососудистой ткани или «свободный лоскут», когда хирург берет кожу, кость или мышцу из одной части лица. тело человека, чтобы восстановить новые черты лица.
- Этот тип хирургии называется «микрососудистым», потому что крошечные кровеносные сосуды трансплантированной ткани должны быть тщательно соединены с новыми сосудами для обеспечения успеха.
- Там, где этот подход невозможен, имплантаты и протезы могут помочь восстановить более естественные контуры и черты лица.
Типы операций по восстановлению лица
Процедуры по восстановлению лица включают следующее:
- Реконструкция структур лица, головы и шеи после онкологических операций
- Носовая реконструкция
- Восстановление расщелины губы и неба
- Реконструкция уха
- Лечение травм лица
- Реанимация лица
- Трансплантация свободной микрососудистой ткани
- Реконструкция носа
- Лечение рубцов
- Хирургия Мооса при раке кожи и реконструкция после операции
- Хирургия основания черепа
Реконструктивная хирургия лица: процедура и уход
Процедуры реконструкции лица могут проводиться в кабинете хирурга, в амбулаторном хирургическом центре или в больнице.
Перед операцией хирург тщательно собирает анамнез и проводит осмотр, а также оценивает, следует ли использовать собственные ткани человека, такие как кожа или хрящи, для реконструкции определенной области или же более подходящим является протез или имплантат.
Хирургическая бригада всегда уделяет большое внимание тому, чтобы человек чувствовал себя комфортно во время любой процедуры реконструкции лица с использованием анестезии. Для более сложных процедур команда может порекомендовать общую анестезию, которая вызывает глубокий сон во время операции.
Люди, перенесшие небольшие операции, могут получить комбинацию седативных препаратов и местной анестезии, чтобы привести их в расслабленное состояние с онемением области хирургического вмешательства. Хирург обсудит наиболее подходящий метод перед процедурой.
Восстановление после операции по реконструкции лица
Восстановление после операции по реконструкции лица — это очень разнообразный опыт. Продолжительность заживления зависит от основного повреждения лица, возраста и общего состояния здоровья человека, его отношения и переносимости боли, а также методов, используемых хирургом.
Лицевые пластические хирурги всегда стремятся свести к минимуму появление шрамов, работая над тем, чтобы по возможности скрыть разрезы в естественных анатомических складках. Большинство видимых шрамов со временем заживают и выглядят как тонкие линии, которые могут быть светлее или темнее, чем окружающая кожа.
Перед операцией важно, чтобы пациент обсудил с врачом предполагаемый курс выздоровления. Такие вопросы, как бинты, дренажи, повязки, уход за операционным полем (областями), деятельность, купание, плавание, диета, сон и лекарства, могут быть частью инструкций врача для пациента.
Крайне важно тщательно следовать послеоперационным инструкциям хирурга, особенно:
- Избегание определенных видов деятельности и окружения
- Немедленное оповещение вашей хирургической бригады в случае каких-либо проблем или неожиданных изменений, особенно сильной боли в хирургической области.
- Соблюдение последующих встреч
Пластическая и реконструктивная хирургия лица: Джонс Хопкинс | Вопросы и ответы
