鼻部假体植入手术是需求量较大的医疗美容手术之一，鼻部假体均由厂家按照有限型号量产。在手术植入过程中需要医生凭借经验进行手工打磨修改假体形状。
工作量大且难以满足患者的个性化需求，同时存在假体返修率高、整形手术易失败等问题。目前，工程技术应用于医学领域的价值正逐步突显。
运用逆向工程思想，建立面部三维点云模型， 从数据预处理、特征提取及鼻部假体模型构建和三维打印等几个方面的研究来实现满足患者个性化鼻部特征的假体模型设计方法。
将鼻部假体模型通过光固化立体成型（SLA）三维打印实验打印获取实体模型验证对鼻部假体设计方法的可行性。
并对鼻部假体交互系统进行设计搭建，设计面部模型预处理模块、特征曲线重构模块、面部模型曲面重构模块和鼻部假体上表面拟合模块，实现了对于鼻部假体的个性化设计。
一、研究背景及目的意义
整容术最早出现于德国， 1910年时有许许多多被战争毁掉人生的士兵，同时也被残酷的战火毁掉了他们原本的样貌，使他们一辈子都生活在灰暗中。
不但在最大限度上修复了患者原先的外貌，更关键的是帮助他们重燃生活的希望。 从此，拉开了整容行业的序幕。伴随着科学技术高速的发展，新材料和新技术也不断应用和出现。
三维点云数据在各行各业中的应用越来越广泛，尤其在医学领域的应用使很多实际问题得以解决。基于三维点云技术来解决医学问题属于机械工程技术与医学工程技术相结合的领域范畴。
目前，整容医美行业在医疗领域中占据了重要的地位，已经从传统的单纯以面部修复为目的中完全脱离出来， 形成了满足重塑、美化等多方面需求的新兴行业。
美容修复也成为了一种主要以特殊的诊治技术和治疗方式来对人体体型维护、修复，从而提高生命活力和质量为主要目的的一种新型学科。
更多的新技术、新材料被广泛应用于面部整形与修复，为人们通过面部整形而获得流畅完美的面部线条提供了无限可能。
鼻子突出于面部中央，在面部美学中占有重要位置，精致的面庞与完美的五官结构离不开挺拔俊俏的鼻部结构。
而东方人的鼻部多数存在山根较低平、整体挺拔度不够、鼻头不够精致等问题，因此鼻部整形手术是目前国内美容外科最常见的手术之一。但是，鼻部假体都是统一由厂家生产。
在手术过程中需要医生凭借经验手工进行打磨，受医生主观及手术环境的影响易存在假体返修率高、整形手术失败等问题，这些问题给整形患者带来的痛苦是无法磨灭的，会直接影响整形患者的生活质量及身心健康。
同时在当今审美多元化的时代，人们越来越注重对鼻部整形个性化、定制化等方面的需求。所以，对于鼻部整形行业也提出了更高的诊疗要求。所以，针对上述背景，经过对三维扫描仪器及点云数据的进一步了解与研究，可提出上述问题的解决方法。
可通过扫描仪获取面部点云数据，根据手术者的鼻部特征和美学标准对医生提出的期望结果，采用对点云数据的处理及曲面构建模拟出满意的手术效果，构建出理想鼻部假体模型，并通过整形技术对患者鼻部进行修复。
二、三维打印技术在医学中的应用
推动跨学科融合创新发展在近年来已经成为很多学科的重要课题之一。 三维打印以及医学工程等技术的飞速发展共同推进了机械工程技术与医学工程技术的学科交叉，并解决了很多实际问题。
在2012年， R等人提出一种基于三维打印技术的颅骨成型假体制造方法，运用CT与三维打印技术对颅骨假体实现个性化定制并将其植入。通过快速成型制造可以很大程度上减少颅骨成型外科手术所需时间并改善假体安装。
在2013年，Tam MD等人利用患者的呼气和吸气阶段的胸部动态CT获得立体成像的STL文件，并运用三维打印技术将患者的气管和中央气道模型打印出来以规划未来的支架手术。
在2015年，Li Z等人利用三维打印技术将脊柱骨折模型进性打印出实体，将其用于医学教育加深了医学生对复杂脊柱骨折解剖结构的认识。
同年，Xu J等人基于三维打印技术用于规划髋臼杯的位置，以便医生能够直观识别骨盆结构，评估理想的扩髓范围和确定重建手术后臼杯大小有利于髋关节置换手术的完成。
在2016年， F等人将三维打印定制的接骨板应用于肱骨髁间骨折手术中并对13例肱骨远端髁间骨折患者中的6例进行治疗，验证了个性化三维打印接的骨板治疗肱骨髁间骨折的安全有效性。
并可明显缩短手术时间，在2017年，Li H等人将三维打印技术应用于左心耳封堵手术中，并验证了手术的可行性以及具备一定临床应用价值。
在2019年，由Xu R等人提出基于三维打印对个性化踝足矫形器进行定制， 并通过探讨个性化三维打印踝足矫形器对筋膜炎患者足底生物力学及舒适度的影响验证个性化矫形器在治疗足底筋膜炎方面具有更好的疗效。
在2021年， DM等人通过实验对比验证通过三维打印的上颌骨与下颌骨覆盖义齿可以很好的替代传统义齿，可以提升患者口腔健康相关的生活质量。
在2022年，由孙爱民等人提出将联合三维打印技术重建的供血动脉应用于肝癌经导管动脉化疗栓塞手术中可提高手术效率及成本并减少对患者的危害。
三维打印技术已经在医学工程领域解决了很多实际问题，应用三维打印技术制造可植入假体是可行的并且有很好的发展前景。
选择通过对面部三维点云模型进行处理得到鼻部假体模型并应用三维打印技术制造鼻部假体模型。
三、面部数据的采集及处理
因为三维数字模型具有直观化和可视化等优点而被应用于逆向工程技术， 在逆向工程设计中，靠前步往往是获得数据。
基于鼻部分析建立鼻部美学整形标准并从三维模型的表现形式入手分析点云数据的优点，使用手持扫描仪采集面部点云模型。
通过对三维点云数据滤波降噪算法的研究并对模型进行处理，通过对比结果得到光顺平滑的面部点云模型， 并通过点云精简算法对面点云模型处理。
1、鼻部整形约束建立
（1）鼻部分析
鼻子作为人脸面部最突出的器官，通常是人们在观察一个人时首先注意到的部位。 鼻部结构从上至下依次包括山根、鼻梁、鼻尖、鼻翼、鼻中柱、鼻孔、鼻小柱等。
鼻子的软组织覆盖物由皮肤、皮下脂肪、纤维肌肉层以及覆盖在软骨骨架上的软骨膜和骨膜组成。美观的鼻子可以提升人脸的整体面部层次感，所以鼻整形手术是美容外科领域最常见的手术之一。
在进行鼻部假体填充之前，对病人的鼻部软组织结构的评估是至关重要的，通常对于亚洲人来说，皮下组织在鼻梁处分布较薄且鼻部血管较为丰富。
对于软组织较厚并且皮肤油性大的患者，鼻部假体的植入会更加困难，同时可能会对患者的鼻部血管造成损伤。故理想的鼻部假体填充位置应位于肌肉层的浅层肌肉腱膜与软骨膜或骨膜之间，通常鼻部假体的上端患者的山根位置，填充假体的下端在患者鼻中柱位置。
理想的假体填充位置可以减少后期对于假体修复的次数以及更大程度上提高手术的成功率，常见的鼻部假体分为硅胶鼻部假体、膨体鼻部假体和超体鼻部假体。实现鼻部假体的设计研究的靠前步是对人脸面部数据进行采集。
（2）整形美学标准建立
虽然鼻子的比例会因为性别、种族有所差异也会随着年龄的增长而变化， 但在正常范围内都有助于鼻部美学标准的建立与分析。
在主视图中，面部可以分为水平五等分及垂直三等分， 完美的鼻子恰好占据面部中水平第三和垂直第二的交界处且鼻子的宽度恰好与眼睛的宽度一致即三庭五眼比例。
鼻额角即鼻子从鼻根骨与额骨或鼻额缝的连接处延伸连线与到鼻尖位置连线所形成的钝角，理想鼻额角角度约为115°至130°之间。
鼻面角即鼻根骨与鼻尖位置连线与面部平面的夹角，鼻面角的理想值为37°。鼻尖角即鼻尖分别与鼻根骨与鼻小柱位置连线的夹角，理想的鼻尖角为90°。
我们可以把鼻尖与鼻根骨位置连线与鼻尖到面部平面垂直线段与垂线段端点到鼻骨位置连线组成的三角形看作一个勾三股四弦五的直角三角形，并且鼻长为三角形的斜边。
鼻头弧度角的理想角度为30°。鼻唇角即鼻小柱分别与鼻尖和唇珠连线夹角理想角度在90°至95°之间，在鼻部仰视视角情况下，理想的鼻子鼻尖点与左右鼻翼下端点形成的三角形近似于等边三角形。
四、三维打印技术的结果
通过分析现有的三维打印技术及介绍了各种打印技术的优缺点最终选择SLA三维打印机实现对假体模型的打印。 叙述了在在打印过程中的各种参数设置、分层处理和模型摆放及支撑方式并对实验所用到的Gcode做了介绍。
通过对比假体模型与市面上的假体模型以及假体模型与面部模型贴合度验证对假体模型的构建方案是可行的，最后对鼻部假体交互系统进行搭建并介绍。
结论
通过手持激光扫描仪获取的面部点云模型为基础并经过对其一系列处理实现了对整形鼻部假体的设计研究，最终通过三维打印技术制造出实体模型。
在现有研究的基础上，逐步开展对面点云模型的获取及滤波降噪、精简，对面点云模型的关键点提取以及特征曲线的构建。
基于点云曲面重构和B样条的整形假体表面设计，鼻部假体交互系统的搭建等研究，对于鼻部假体设计研究及制造具有重要的参考意义和研究价值。
