GCL论文获奖：SMI 2024国际会议最佳论文

9月 24, 2024 1 分钟阅读时长

在美国底特律举行的国际会议 Shape Modeling International (SMI 2024) 上，中国科学技术大学 GCL 实验室的卢俞锟同学（指导老师为刘利刚老师）与新加坡科技设计大学的宋鹏老师、南京信息工程大学的王雨航、新加坡樟宜综合医院的Hang Siang Wong与Yingjuan Mok一起合作发表的研究论文《Computational design of custom-fit PAP masks》荣获大会唯一的Best Paper Award （最佳论文奖）（图1）。

该奖项信息发布在SMI 2024特别专栏 [https://doi.org/10.1016/j.cag.2024.104047]及Shape Modeling International网站上[https://smiconf.github.io/SMI/]。

祝贺所有获奖单位及作者！

图1 SMI2024 Best Paper Award的奖状
图1 SMI2024 Best Paper Award的奖状

【背景与问题】

睡眠呼吸障碍（SDB）指的是一系列与睡眠相关的呼吸状况，包括阻塞性睡眠呼吸暂停症（OSA），受影响的个体在睡眠期间会反复出现气道塌陷并阻塞呼吸。据估计，全球有10亿人受到SDB的影响。除了引起白天嗜睡和生活质量下降外，SDB还与不良的心血管结果有关。正压通气（PAP）疗法一直是SDB的一线治疗方法。在PAP疗法中，患者在睡眠时佩戴PAP面罩。便携式PAP机器通过连接到PAP面罩的管子，将室内空气加压从而吹入患者的上气道。这种正压气流有助于保持气道开放，从而允许正常呼吸。

尽管PAP疗法已被证明在改善症状和生活质量方面有效，但由于面罩形状不适配，许多患者无法耐受PAP治疗。目前，市面上可用的PAP面罩只是标准尺寸，但由于患者面部形状的巨大差异，面罩的尺寸和形状不能适合每个患者。面罩不合适会导致面罩漏气和患者不适，从而导致患者无法忍受佩戴和治疗。另外，不合适的面罩会导致空气泄漏，从而无法维持上呼吸道内的目标正压，进而无法达到治疗的效果。许多患者倾向于过紧地系紧面罩带，以弥补不合适的面罩导致的空气泄漏，这可能会导致不适，有时还会导致面部皮肤摩擦受伤。

为了解决面罩不合适的问题，可以设计和制造定制的PAP面罩，以适应患者面部的特定形状。由于面罩垫是PAP面罩中唯一接触人脸的部分，定制的PAP面罩通常被设计为个性化面罩垫和通用PAP面罩框架的组合，其中个性化面罩垫通常由柔软的硅胶材料制成，而通用面罩框架则由硬塑料材料制成。现有的研究只是将个性化面罩垫简单建模，使其在静止状态下完全匹配为患者扫描的静态面部模型。这些研究报告称，他们的定制面罩比通用面罩更舒适，但在空气泄漏方面没有改善。

针对这一问题，该工作的目标是开发一种计算方法来设计个性化的面罩垫，以适应不同的面部模型，旨在提高漏气和舒适度方面的面罩贴合性能。

图2 给定一个扫描的人脸模型，本文提出优化方法设计PAP面罩，使得它贴合人脸。本文制造出设计的面罩可以和通用的面罩框架组合使用。
图2 给定一个扫描的人脸模型，本文提出优化方法设计PAP面罩，使得它贴合人脸。本文制造出设计的面罩可以和通用的面罩框架组合使用。

【解决方案】

该文的关键发现是定制的PAP面罩应在变形状态下适合面部模型，而不是在静止状态下。这是因为在PAP治疗中，面罩必须带地足够紧，以平衡面罩内的加压空气。面罩带施加的力使面罩垫在达到平衡状态之前经历显著变形。只有当PAP面罩在平衡状态下适合患者的面部时，患者才会感到舒适并且漏气少。

该文用扫描曲面（swept surface）作为面罩的几何表达，即以一条轨迹曲线和一系列不同的截面曲线在轨迹曲线的一个标架场上生成面罩垫曲面，然后偏移该表面生成面罩垫。进而，基于有限元方法模拟面部模型佩戴面罩时的平衡状态，提出了计算面罩在被患者佩戴时的变形情况的方法：在人脸和面罩佩戴合适的位置下，固定人脸和面罩的边界，通过极小化面罩的弹性势能和人脸的与面罩相互穿透的碰撞势能，以计算面罩的形变。利用面罩变形的受力情况，提出了定量的指标来评估面罩的漏气程度和舒适度。进一步，优化面罩垫的形状以减少漏气度并增加舒适度，同时保证面罩垫可以方便地用模具制造。具体内容细节请参考论文。

【实验结果】

该方法可以对不同的脸型设计相应的面罩、设计面罩适应一个人脸的不同表情、设计不同类型的PAP面罩。最后，通过实施用户实验，为四位健康的研究参与者设计相应的面罩并测试，证明了设计面罩的有效性。

图3 该方法可以为具有各种面部形状的（a）受试者设计（b&c）定制的PAP面罩，实现比（e）通用面罩更好的贴合性能。该文的定制化PAP面罩的（d）接触力在面罩垫的轨迹曲线上分布得更均匀，并且接触力的大小比（f）通用口罩更小。
图3 该方法可以为具有各种面部形状的（a）受试者设计（b&c）定制的PAP面罩，实现比（e）通用面罩更好的贴合性能。该文的定制化PAP面罩的（d）接触力在面罩垫的轨迹曲线上分布得更均匀，并且接触力的大小比（f）通用口罩更小。

图4 该方法可以为同一个用户设计适应三种不同表情的定制化面罩（左），实现比仅为表情#1设计的定制化面罩（中）以及通用面罩（右）更好的贴合性能
图4 该方法可以为同一个用户设计适应三种不同表情的定制化面罩（左），实现比仅为表情#1设计的定制化面罩（中）以及通用面罩（右）更好的贴合性能

图5 该方法可以设计不同类型的PAP口罩垫：（上） 鼻罩，（中） 口鼻罩，（下） 全面罩。
图5 该方法可以设计不同类型的PAP口罩垫：（上） 鼻罩，（中） 口鼻罩，（下） 全面罩。

图6 （a）对两名研究参与者者进行的用户研究，他们分别佩戴了基线定制面罩、BMC F2通用面罩和该文的定制面罩。用户研究场景如右图所示，参与者躺在床上，佩戴连接到ResMed PAP机器的PAP面罩。（b）为男性参与者设计和实验用的三个硅胶面罩垫。（c）两名参与者的面部模型以及使用该文方法设计的定制口罩。（d）用户研究中的空气泄漏统计，报告了每种口罩和每个空气压力水平下没有空气泄漏的参与者数量。（e）四名研究参与者对（f）中Q1-Q3的问卷回答总结。
图6 （a）对两名研究参与者者进行的用户研究，他们分别佩戴了基线定制面罩、BMC F2通用面罩和该文的定制面罩。用户研究场景如右图所示，参与者躺在床上，佩戴连接到ResMed PAP机器的PAP面罩。（b）为男性参与者设计和实验用的三个硅胶面罩垫。（c）两名参与者的面部模型以及使用该文方法设计的定制口罩。（d）用户研究中的空气泄漏统计，报告了每种口罩和每个空气压力水平下没有空气泄漏的参与者数量。（e）四名研究参与者对（f）中Q1-Q3的问卷回答总结。

【技术贡献】

  1. 通过有限元方法（FEM）模拟面罩-面部贴合，计算面罩垫的平衡状态，并提出在此状态下的漏气度和舒适度的定量测量方法。

  2. 优化面罩垫的几何形状，以最小化模拟计算的漏气和舒适度评估值，同时确保面罩垫可以方便地通过模具用硅胶材料制造。

【论文发表】

Yukun Lu, Yuhang Wang, Peng Song, Hang Siang Wong, Yingjuan Mok, Ligang Liu. Computational Design of Custom-Fit PAP Masks. Computers & Graphics (Proc. SMI), 122, 103998, 2024.

【论文主页】

https://sutd-cgl.github.io/supp/Publication/projects/2024-SMI-MaskDesign/index.html

学术成果 GCL获奖荣誉