面瘫客观评估及统计形状模型自动建立方法研究

摘要

面瘫是由控制面部肌肉运动的面神经损伤所带来的面部运动肌群的功能和张力障碍所引起。面神经的损伤往往导致面瘫患者表情的异常，不但影响面部情感的表达，而且会降低患者信息交流和会话的能力，从而带来很大的心理障碍。临床上准确评估面神经损伤所导致的面瘫严重程度，对判断面神经功能、面瘫患者预后和疗效的评价都非常重要。理想的面瘫评估方法应该具有经济、容易掌握和能敏感检测到面瘫临床变化的特点。多年来，许多临床医生一直在设计和完善面瘫的评估和分类体系，以期找到科学、完善和容易接受的方法。但是到目前为止，临床上的面瘫病人主要都是由受过专业训练的医生凭经验来进行主观评估，评估结果建立在个人判断上，主观差异性很大。 在上海市科学技术发展基金<’1>支持下，本文提出了不同于现存的主观和手工面瘫评估方法(例如House-Brackmann)的计算机辅助客观评估方法。首先利用主动形状模型的方法，在人脸表情图像中提取出感兴趣的人脸区域和面部特征。然后利用医学图像分析的方法，使用光流和P<,face>对面瘫时具有的特殊面部表情进行评价。研究工作旨在建立一套客观、较为准确和容易被医生和患者接受的面瘫客观评估方法，以代替现存的传统主观评估方法。 为了使用主动形状模型对医学图像进行分割，需要建立统计形状模型，因此需要一系列标记好标志点的训练图像。这些标志点定义了训练样本集中相同结构的对应关系。由于统计形状模型中的标志点手工获取方法工作量大而且容易导致获得的模型精度不高，并且对于特定的医学图像，还需要标记者具有相应的专业解剖知识。为了提高相同标志点之间对应的精确程度，提高统计形状模型的精确度，在国家自然科学基金<’2>的支持下，本文针对形变模型中的统计形状模型自动建立这一热点问题，提出了改进的最小描述长度方法(Minimum DescriptionLength：MDL)。 1 No.014119079：面神经损伤客观评价系统研究。该项目已通过上海市科委科技成果项目的验收 2 No.60271033：立体脑图像可变形配准的全自动方法研究；No.60072029：视频分割应用与理论研究论文主要工作和创新点包括： 1)提出了基于特征光流(eigenflow)的面瘫客观评估方法。通过建立人脸统计形状模型，用它来获取人脸轮廓，以实现人脸背景的去除。然后再通过它获取眼睛轮廓中心和鼻尖的位置，进行人脸图像的规一化。在得到标准的人脸图像后，利用光流的方法对正常表情的运动特点进行分析，使用主分量分析的方法建立对应的表情特征光流空间。面瘫病人和正常群体之间的表情差异程度可以用对应光流在特征光流空问的重建误差来衡量，残差的大小可以用来衡量面瘫的严重程度。 2)提出了基于Pfac和特征光流的面瘫客观评估方法。从基于人脸认证的Dfac图像得到能衡量单由面瘫所导致的人脸左右不对称性的量度(Pface)，它主要反映面瘫人脸异常状态侧与正常状态侧的差异，不但能够利用它来衡量面瘫的严重程度，而且还可以用于面瘫人脸特定局部区域的康复监控。从eigenflow和Pfac。分别得到反映个体与正常群体的差异和反映个体内部左右侧脸的差异后，本文使用支持向量机(SVM)的方法将这两个方面的因素综合起来考虑，得到综合的量度值(Pdegre)。当它的值大于O时，可以判断人脸处于面瘫状态，而且其值大小与面瘫严重程度成正比。 3)提出了基于笛卡尔差分不变量的MDL统计形状模型建立方法。目前的MDL方法建立的统计形状模型仅仅对目标对象的形状加以研究，没有考虑到形状上的标志点在图像上的局部图像结构信息，因此得到的标志点位置往往不太理想。本文对MDL统计模型的目标函数进行修正，加入反映局部图像结构信息的因子。考虑待分割目标的灰度分布特点，计算每个训练样本上的标志点在不同尺度下的笛卡尔差分不变量，以反映标志点的图像局部结构信息。通过在MDL目标函数中增加反映各个标志点的局部图像结构信息对应关系的因子(CD，Cost)，给MDL统计形状模型的建立增加了新的约束，使得MDL目标函数更加收敛，从而得到更加紧致和专一的统计形状模型。 4)提出了基于椭圆傅立叶变换(EFT)的MDL统计形状模型建立方法。本文使用椭圆傅立叶分解得到的系数来代替笛卡尔坐标系来对形状进行描述，用一系列EFT系数组成的向量来表示训练样本的形状。在对训练样焊接熔池动态特征信息获取与智能控制一直是焊接界研究的前沿课题，也是智能焊接机器人的一个主要关键技术。目前大部分研究工作集中在GTAW不填丝无缝隙对接焊上，在焊缝的成形控制目标上也主要限于焊缝的二维信息上。而在填丝焊和对焊缝高度信息的控制方面研究很少，然而这种情况正是精密焊接所必需的。本文针对填丝脉冲GTAW熔池三维特征实时提取与智能控制这一问进行了以下几个方面的研究：首先采用图像传感的方法获得清晰的图像；然后对熔池的三维形状参数进行定义，并利用计算机视觉中恢复形状理论提取出熔池表面的三维形状信息；进一步建立焊接规多数同熔池形状参数之间的非线性模型；最后针对焊接过程多变量、非线性、变参数的特点设计了非线性智能控制器，实现了熔池三维形状参数动态智能控制。 被动式视觉传感方法是焊接过程传感的一种主要方法，其主要原理是利用电弧光照射熔池表面获得熔池图像。本文利用这一传感原理，选择合适的取像参数，获得了熔池表面不同形状时都很清晰的熔池图像。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：本文图索引及表格索引

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第1章引言

第2章相关研究综述

第3章基于主动形状模型的人脸特征提取

第4章基于eigenflow的面瘫人脸表情分析

第5章基于Pface的面瘫人脸表情分析

第6章基于笛卡尔差分不变量的MDL统计形状模型

第7章基于EF-PCA的MDL统计形状模型

第8章总结与展望

参考文献

作者攻读博士学位期间发表的学术论文

作者攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

上海交通大学学位论文答辩决议书