医学信息学论文 - 副本

医学信息学与颅骨复原

摘要：

颅面复原是以法医学、人类学、解剖学中颅骨与面貌的相互关系为科学依据，从颅骨样本恢复出死者生前面貌的一类技术．随着计算机事业的不断发展以及计算机图形学所影响领域的不断扩大，采用计算机辅助的三维颅面复原技术也逐渐成为计算机图形学领域的一项重要研究内容，不过尽管国内外的研究人员在这方面已经做了不少工作【】，但快速、准确和逼真地重构三维颅面模型，仍具挑战【】．

关键字：颅骨复原法医学医学信息学

引言：

颅面复原是对人类的颅骨进行面部容貌复原的技术, 该技术以法医学、人类学和解剖学中的头骨与面貌相互关系规律为科学依据，广泛应用于刑侦、考古等领域。三维颅面复原有手工颅面复原和计算机辅助三维颅面复原两种主要方式。手工颅面复原过程就是专家在受害人颅骨石膏模型上，根据经验及其辅助手段添加橡皮泥等，逐步再现受害人容颜的过程。手工复原耗时长，缺乏质感，且复原效果不理想。随着计算机技术的发展，出现了借助计算机技术复原颅骨面貌的虚拟三维技术, 即计算机辅助颅面复原技术【1】。

1、颅像重合及其发展史

颅骨面貌复原：是指根据人体头面部软组织及五官的形态特征与颅骨形态特征间的相关关系，在颅骨上，或颅骨的石膏模型上，或颅骨的影像上，用可塑物质（橡皮泥、粘土、塑像蜡等）雕塑或其他方法（颅骨侧面描记、计算机颜面影像等）重建颅骨生前面貌形象的技术。在法医人类学中，颅骨面貌复原用于无名尸身源查找工作。【4】

颅像重合起初是为了检验历史名人的肖像是否真实而发展起来的,因为在19世纪80年代,人们怀疑许多历史名人的肖像可能因画家为取悦名人而不够真实,因而要求解剖学家根据名人的颅骨和其肖像画进行对比,以确认其真实性"在当时的条件下人们只能使用画像!半身塑像!或尸体面膜与颅骨进行比对鉴别,尽管这时期在设备!精度!检测方法等方面还很不完善,但学者们积累的许多检验判定身源的数据指标仍是现代颅面鉴定研究的基础"照相技术问世以后,人们的颜面肖像可以直接!准确无误地被摄取,这使得鉴定的精度和效率都有了很大的提高,尤其随着相机在社会生活中的普及,颅像重合技术也进入了新的发展阶段,相应地出现了很多相关的检测方法和仪器【3】

【3】L.Yu wen.A study on national differenees in identifieation standards forChineseskullimagesuPerimPosition.ForensieSeieneeIntemational,Vol.7 4,1995,135一153.

1935年英国人Glaister等首次将照相重合法应用于刑事案件鉴定获得了成功.现代电视技术的飞速发展使摄取和再现图像的质量不断提高,视频图像重合技术随即应运而生:即通过视频设备将摄取的颅骨和人像照片的图像混益在一起,形成重合像后再进行鉴定,使操作过程更加灵活"传统的颅像重合法经过几十年的发展,已经在重大刑事案件侦破、灾难事故善后处理、战乱失踪人员遗骸身源鉴定等方面得到了广泛的应用。

2、医学信息学在颅骨重合方面的的应用

有一些学者采用CT，MRJ技术采集颅骨三维数据,并通过选取参考模型来研究待复原颅骨和参考颅骨模型特征点处的几何关系,由参考颅面模型通过变形生成待复原颅面模型"计算机辅助颅面复原的目的是在有人类学理论可依的基础上,更迅速、更准确的复原出颅面数据【2】

【】数字化三维颅骨建模之后, 要在数字化颅骨上添加软组织。可以把软组织的添加分成两种: 一种是通过颅骨的变形用所谓硬组织充填软组织的空间; 另一种是确定软组织的厚度之后, 定量的充填软组织。基本方法有以下几种:

①对照匹配法。对照匹配法是以完整的软组织厚度为基础的计算机辅助3 D 颅

骨面貌复原技术, 其代表有由Michael 等( 19 96) 提出的颅骨变形法, 英国Mark 提出的面部重构( FR ) 系统,Nelson 等研究的三维体积变形。,这种方法是用CT 扫描与待复原颅骨相似的活体颅面, 作为参考颅面; 在两个颅骨上边扫描, 边计算厚度, 实际上就是把参考人头的完整的软组织厚度加到待复原颅骨上。这种方法存在的问题是数据量大, 处理速度很慢, 而且找到和待复原颅骨相似的活人样本也耗费人力、财力。

②二维凸包法。以二维凸包理论为基础, 主要是在待复原的颅骨切片上求得二

维凸包, 在其上加软组织厚度, 得到复原的面貌。这种方法未充分考虑颅骨结构以及颅骨和软组织厚度的解剖学关系, 所以面貌映射有一定的缺陷, 复原后的面貌有明显的错位现象。由于是逐层切片, 所以对断层错层需要构片处理, 数据量大, 不易处理。

③模板法。这种方法建立在数据库的基础上, 用数据库存放大量的通过扫描各

种人物面孔获得的数字化的面部模板。复原时, 根据颅骨的特点选择适当的面部模板, 把它像面罩一样覆盖到颅骨上, 同时, 对面模调整变形使之于待复原颅骨的标志点的位置匹配。这种方法由vanezis 于20 0 年提出, 由该方法得到的复原头像一般是不完整的,头顶和下巴经常缺失。

④三维凸包和分区法。改法结合了凸包技术、模板技术和变形技术, 是充分发

挥了各方法优点的一种新方法。采用三维包裹技术( quick一hull 算法) 包裹整个颅骨。软组织厚度数据可根据颅骨的子区域大小进行比例伸缩, 合理的适应待复原颅骨结构。该方法可以极大地减少对专家的依赖, 是重建效果基本真实的一种方法。

⑤特征点法。以少量特征点及其软组织厚度为基础的计算机辅助3 D 颅骨面貌

复原技术。这是英国Kat ir n a 等人较早研究的。这种方法只要求在颅骨模型上插人带有软组织厚度值的木楔做标记点, 每个木楔被指定1 个在分层B 样条曲面上对应的参数位置,该参数位置表明分层B 样条曲面的哪个位置将与木楔的端点吻合。因为特征点稀少, 所以不能合理地按照颅骨和软组织厚度的依存关系去处理, 不能准确地预测标记点间软组织厚度的变化规律, 而且由于标记点相隔太远, 两个点间插值生成的曲面太光滑, 导致生成的曲面不一定符合颅骨的曲率。

⑥统计模型法。此方法对大量颅面样本进行标定和训练,使用统计分析的方法

建立关于目标平均形状及变形模式的先验模型,依据训练集中的变形模式对任意颅面模型进行形状调整,根据统计模型的结果和待复原颅骨的形状自动计算出该颅骨对应颅面的形状"从复原过程的总体思路分析,目前主流的复原方法分为两类:一类是通过研究参考颅骨模型和待复原颅骨模型特征点处的位置关系得出变形矩阵,再通过对参考颅面模型进行变形得到待复原的颅面模型;另一类借助参考模型提供的特征点处软组织厚度和待第一章绪论复