陳克光 傅窈窈 楊琳 戴培東 張?zhí)煊?/p>

三維耳郭導(dǎo)板的制作及其在耳郭再造術(shù)中的應(yīng)用

陳克光 傅窈窈 楊琳 戴培東 張?zhí)煊?/p>

目的參照小耳畸形患者健側(cè)耳郭影像數(shù)據(jù)，制作三維耳郭導(dǎo)板，并打印為三維實(shí)體模型，為患側(cè)耳郭再造提供手術(shù)指導(dǎo)。方法應(yīng)用Mimics軟件對患者健側(cè)耳郭CT數(shù)據(jù)進(jìn)行分割、鏡像、膨脹等處理，獲得患側(cè)耳郭和導(dǎo)板的三維虛擬模型，將其導(dǎo)入3D打印機(jī)生產(chǎn)三維實(shí)體模型，并應(yīng)用于臨床。結(jié)果成功制作出個體化仿真度較高的患側(cè)重建耳郭和導(dǎo)板的三維實(shí)體模型，并應(yīng)用于臨床耳郭再造術(shù)，用以指導(dǎo)術(shù)中精細(xì)雕刻耳郭軟骨支架，并協(xié)助患側(cè)再造耳定位。結(jié)論基于Mimics軟件和3D打印技術(shù)制作的耳郭和導(dǎo)板的數(shù)字與實(shí)體三維模型，有助于指導(dǎo)術(shù)中精細(xì)雕刻耳郭軟骨支架和定位。

小耳畸形耳郭三維打印

小耳畸形是較為常見的出生缺陷，發(fā)病率為0.5/10 000~1/10 000[1]。目前，小耳畸形主要通過耳郭再造術(shù)進(jìn)行整復(fù)。然而，耳郭的形態(tài)復(fù)雜，耳郭再造術(shù)是耳科和整形外科最富挑戰(zhàn)性的課題之一[2]。由于移植材料的組織相容性等問題，耳郭再造常采取自體肋軟骨雕刻移植。采用二維膠片法（在X光片上描繪正常耳郭的外形），對健側(cè)耳郭的二維信息進(jìn)行記錄，然后以此為參照雕刻耳郭支架。但耳郭的外觀是由其三維形態(tài)所決定的，單獨(dú)按二維模型雕刻出一個具有理想層次感和立體感的耳郭支架并對其進(jìn)行定位主要依賴于術(shù)者的經(jīng)驗(yàn)，對術(shù)者的空間感覺、審美能力也有極高的要求。因此，制備患側(cè)的三維耳郭和導(dǎo)板模型對于提高耳郭再造水平具有重要意義。

本研究運(yùn)用逆向工程技術(shù)，在Mimics（Materi-alise's interactive medical image control system）軟件平臺上，利用三維重建技術(shù)和圖形圖像處理等技術(shù)，制作患側(cè)重建耳郭和導(dǎo)板的三維模型，為術(shù)前預(yù)測耳郭成形效果和術(shù)中精確雕刻耳郭軟骨支架并協(xié)助再造耳定位提供參照。

1 材料與方法

1.1 設(shè)備及軟件

Mimics 12.3（Materialise公司，比利時），3D打印機(jī)（Quick450，西安交大）。3D打印機(jī)適用原材料為光敏樹脂，打印層厚0.05～0.3 mm，精度±0.1 mm（L≤100 mm，L表示打印長度）或±0.1%（L＞100 mm），支持帶有STL接口的所有三維造型軟件。

1.2 CT掃描

顳骨高分辨率CT（Siemens somatom10，德國），按聽眥線行顱底水平位掃描，掃描范圍包括整個耳郭，層厚0.75 mm，層間距0.5 mm，電壓140 KV，電流100 mAs，矩陣512×512，每層掃描13～17 sec。窗位700 HU，窗寬4 000 HU。掃描所得連續(xù)斷層數(shù)據(jù)圖像以DICOM格式輸出，存于移動硬盤中。

1.3 數(shù)據(jù)處理及三維重建

將CT掃描獲得的DICOM數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics軟件中，新建Mask，選擇閾值范圍為-435～330，界定軟組織，提取健側(cè)耳郭和顏面部的三維信息。作一過雞冠頂點(diǎn)、枕骨大孔后緣中點(diǎn)、枕外隆突點(diǎn)的正中矢狀面為鏡面，將健側(cè)耳郭和顏面部的三維信息鏡像至患側(cè)，從而獲得患側(cè)重建耳郭和顏面部的三維數(shù)據(jù)。應(yīng)用“Morphology Operation”中的“Dilate”功能對患側(cè)重建顏面部的Mask進(jìn)行像素點(diǎn)的膨脹，得到新的顏面部Mask，再將新的顏面部Mask和患側(cè)重建顏面部的Mask進(jìn)行“Boolean”計算，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、切割等操作，切割時鼻部上緣以雙內(nèi)眥連線水平為標(biāo)準(zhǔn)，得到導(dǎo)板的三維信息。將導(dǎo)板和患側(cè)重建耳郭進(jìn)行“Merge”操作，得到所需三維數(shù)字模型，即患側(cè)耳郭和導(dǎo)板的三維數(shù)字模型，最后根據(jù)所建模型的用途導(dǎo)出相應(yīng)的格式文件。本研究中三維數(shù)字模型以STL格式導(dǎo)出，再將其導(dǎo)入3D打印機(jī)中，設(shè)置打印層厚為0.1 mm，噴頭流速為10.0 m/s，噴頭溫度為25℃，即可生產(chǎn)出三維實(shí)體模型。

2 結(jié)果

本研究應(yīng)用小耳畸形患者顳骨CT掃描所獲得的DICOM格式圖像數(shù)據(jù)，使用Mimics軟件對其進(jìn)行處理，建立了患側(cè)耳郭和導(dǎo)板的三維數(shù)字模型（圖1），將其導(dǎo)入3D打印機(jī)制造出三維實(shí)體模型（圖2）。

圖1 患側(cè)重建耳郭和導(dǎo)板的三維數(shù)字模型示意圖Fig.1The schematic diagram of three-dimensional digital model of a reconstructed auricle and guide plate of the affected side

圖2 患側(cè)重建耳郭和導(dǎo)板的三維實(shí)體模型Fig.2The three-dimensional solid model of a reconstructed auricle and guide plate of the affected side

整個制作過程耗時較短，制作三維數(shù)字模型耗時約0.5 h，制作三維實(shí)體模型耗時約4 h。將耳郭和導(dǎo)板的三維實(shí)體模型應(yīng)用于耳郭再造術(shù)中，通過觀察對比，雕刻出更接近于健側(cè)耳郭的軟骨支架，并可協(xié)助患側(cè)再造耳定位，縮短了手術(shù)時間。

3 討論

耳郭是人體表面形狀最復(fù)雜的器官，由耳輪、對耳輪、耳屏、對耳屏、三角窩、耳甲腔、耳甲艇、耳垂等構(gòu)成，且個體之間形態(tài)差異較大。耳郭畸形是影響小耳畸形患者美觀的主要問題，目前主要通過耳郭再造術(shù)進(jìn)行整復(fù)。隨著整形技術(shù)的進(jìn)步、患者對耳郭美觀要求的日趨增高，二維膠片法難以滿足精細(xì)整形手術(shù)的需要。近年來，隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，使得快速制造3D實(shí)體模型成為可能。

Mimics軟件是目前最常用的三維醫(yī)學(xué)影像處理系統(tǒng)之一，能直接讀取DICOM格式的影像數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分割、提取等操作直接快速地生成三維數(shù)字模型，若連接3D打印機(jī)即可制造出三維實(shí)體模型。傅窈窈等[3]在Mimics軟件平臺上對108例單側(cè)先天性外中耳畸形患者的CT影像數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)鏡像處理對側(cè)正常耳郭形態(tài)后，均可獲得患側(cè)耳郭軟骨支架的三維模型。吳國鋒等[4]聯(lián)合采用Mimics軟件和Geomagics軟件，對單側(cè)耳郭缺失患者進(jìn)行了缺耳反求設(shè)計。Jiao等[5]使用CT數(shù)據(jù)重建耳缺損患者健側(cè)外耳的三維模型，并利用該模型完成了耳贗復(fù)體的計算機(jī)輔助設(shè)計，再使用分層實(shí)體制造了紙質(zhì)實(shí)體模型，最后翻制為硅橡膠贗復(fù)體，該贗復(fù)體在形態(tài)上與患者健側(cè)外耳非常相似，并且與缺損區(qū)匹配良好。張海林等[6]應(yīng)用三維測量方法構(gòu)建了小耳畸形患者健側(cè)耳郭的三維數(shù)字模型，和與之完全對稱的耳郭樹脂實(shí)體模型。然而，以上方法由于操作步驟繁瑣冗長，不利于掌握和普及。因此，本研究采用了簡潔實(shí)用的方法，利用Mimics軟件對小耳畸形患者CT掃描獲得的DICOM圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分割、提取、重建等操作，直接快速生成患側(cè)耳郭和導(dǎo)板三維數(shù)字模型，并將其與3D打印機(jī)連接制造出三維實(shí)體模型。整個制作過程方便快捷，耗時較短。本研究中導(dǎo)板鼻部上緣平雙內(nèi)眥連線水平，有利于實(shí)體模型的定位與固定。

小耳畸形患者患側(cè)重建耳郭和導(dǎo)板三維實(shí)體模型的建立，不但有助于耳郭再造術(shù)中肋軟骨的精細(xì)雕刻和組裝，患側(cè)再造耳的定位，還可用于術(shù)前耳郭整形效果的預(yù)測。三維耳郭導(dǎo)板實(shí)體模型制作過程簡單快捷，耗時少，方便掌握，利于推廣。

[1]Kosling S,Omenzetter M,Bartel-Friedrich S.Congenital malformations of the external and middle ear[J].Eur J Radiol,2009,69 (2):269-279.

[2]王曉軍,劉志飛,喬群,等.先天性小耳畸形修復(fù)中的耳甲腔重建[J].整形再造外科雜志,2005,2(3):165-166.

[3]傅窈窈,戴培東,張?zhí)煊?計算機(jī)輔助設(shè)計在先天性中外耳畸形整復(fù)術(shù)中的應(yīng)用[J].中國數(shù)字醫(yī)學(xué),2010,5(4):48-50.

[4]吳國鋒,趙銥民,渠樂,等.應(yīng)用層去圖像法和反求工程完成單側(cè)耳缺損修復(fù)的三維反求設(shè)計[J].中國臨床康復(fù),2004,8(14): 2670-2671.

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[6]張海林,王曉軍,賈懿,等.應(yīng)用逆向工程技術(shù)構(gòu)建三維耳郭模型[J].中國美容醫(yī)學(xué),2007,16(5).649-652.（收稿日期：2013年12月18日；修回日期：2014年1月27日）

Application of Three-dimensional Auricular Guide Plate in Auricular Reconstruction

ObjectiveTo provide guidance for auricular reconstruction by using three-dimensional auricle and guide plate based on auricular image data of the healthy side,and the three-dimensional solid model was printed.MethodsThe virtual three-dimensional model of the auricle and guide plate of the affected side was established by segmenting,mirroring and expanding CT data from the healthy auricle using Mimics software,which was further imported into a 3D printer to produce a three-dimensional solid model for clinical applications.ResultsAn individualized and delicated threedimensional solid model of a reconstructed auricle and guide plate of the affected side was successfully produced.It was used in auricular reconstruction for finer carving and localization of the affected auricle.ConclusionThe digital and solid three-dimensional model of the auricle and guide plate obtained by Mimics software and 3D printing technology,may contribute a lot to the fabrication and localization of the affected auricle in microtia surgery.

Microtia;Auricle;Three-dimensional printing

R319

A

1673－0364（2014）01－0037－03

CHEN Keguang1,FU Yaoyao1, YANG Lin2,DAI Peidong2,ZHANG Tianyu1.
1 Department of Otorhinolaryngology Head&Neck Surgery,Eye&ENT Hospital,Fudan University,Hearing Medicine Key Laboratory,National Ministry of Public Health,Shanghai 200031,China; 2 Experimental Center,Eye&ENT Hospital,Fudan University,Hearing Medicine Key Laboratory,National Ministry of Public Health,Shanghai 200031,China.Corresponding author:ZHANG Tianyu(E-mail:ztyentor@gmail.com).

10.3969/j.issn.1673-0364.2014.01.011

復(fù)旦大學(xué)“985工程”三期項目；國家自然科學(xué)基金面上項目（編號：81070786）；教育部創(chuàng)新團(tuán)隊（編號：IRT1010）.

200031上海市復(fù)旦大學(xué)附屬眼耳鼻喉科醫(yī)院耳鼻喉科，衛(wèi)生部聽覺醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（陳克光，傅窈窈，張?zhí)煊睿?00031上海市復(fù)旦大學(xué)附屬眼耳鼻喉科醫(yī)院實(shí)驗(yàn)中心，衛(wèi)生部聽覺醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（楊琳，戴培東）。

張?zhí)煊睿‥-mail：ztyentor@gmail.com）。