三維耳郭導板的制作及其在耳郭再造術中的應用

陳克光 傅窈窈 楊琳 戴培東 張?zhí)煊?/p>

三維耳郭導板的制作及其在耳郭再造術中的應用

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耳郭影像數(shù)據(jù)，制作三維耳郭導板，并打印為三維實體模型，為患側耳郭再造提供手術指導。方法應用Mimics軟件對患者健側耳郭CT數(shù)據(jù)進行分割、鏡像、膨脹等處理，獲得患側耳郭和導板的三維虛擬模型，將其導入3D打印機生產(chǎn)三維實體模型，并應用于臨床。結果成功制作出個體化仿真度較高的患側重建耳郭和導板的三維實體模型，并應用于臨床耳郭再造術，用以指導術中精細雕刻耳郭軟骨支架，并協(xié)助患側再造耳定位。結論基于Mimics軟件和3D打印技術制作的耳郭和導板的數(shù)字與實體三維模型，有助于指導術中精細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進行整復。然而，耳郭的形態(tài)復雜，耳郭再造術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），對健側耳郭的二維信息進行記錄，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行定位主要依賴于術者的經(jīng)驗，對術者的空間感覺、審美能力也有極高的要求。因此，制備患側的三維耳郭和導板模型對于提高耳郭再造水平具有重要意義。

本研究運用逆向工程技術，在Mimics（Materi-alise's interactive medical image control system）軟件平臺上，利用三維重建技術和圖形圖像處理等技術，制作患側重建耳郭和導板的三維模型，為術前預測耳郭成形效果和術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 設備及軟件

Mimics 12.3（Materialise公司，比利時），3D打印機（Quick450，西安交大）。3D打印機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，提取健側耳郭和顏面部的三維信息。作一過雞冠頂點、枕骨大孔后緣中點、枕外隆突點的正中矢狀面為鏡面，將健側耳郭和顏面部的三維信息鏡像至患側，從而獲得患側重建耳郭和顏面部的三維數(shù)據(jù)。應用“Morphology Operation”中的“Dilate”功能對患側重建顏面部的Mask進行像素點的膨脹，得到新的顏面部Mask，再將新的顏面部Mask和患側重建顏面部的Mask進行“Boolean”計算，并在此基礎上進行旋轉、切割等操作，切割時鼻部上緣以雙內眥連線水平為標準，得到導板的三維信息。將導板和患側重建耳郭進行“Merge”操作，得到所需三維數(shù)字模型，即患側耳郭和導板的三維數(shù)字模型，最后根據(jù)所建模型的用途導出相應的格式文件。本研究中三維數(shù)字模型以STL格式導出，再將其導入3D打印機中，設置打印層厚為0.1 mm，噴頭流速為10.0 m/s，噴頭溫度為25℃，即可生產(chǎn)出三維實體模型。

2 結果

本研究應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軟件對其進行處理，建立了患側耳郭和導板的三維數(shù)字模型（圖1），將其導入3D打印機制造出三維實體模型（圖2）。

圖1 患側重建耳郭和導板的三維數(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 患側重建耳郭和導板的三維實體模型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，制作三維實體模型耗時約4 h。將耳郭和導板的三維實體模型應用于耳郭再造術中，通過觀察對比，雕刻出更接近于健側耳郭的軟骨支架，并可協(xié)助患側再造耳定位，縮短了手術時間。

3 討論

耳郭是人體表面形狀最復雜的器官，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進行整復。隨著整形技術的進步、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整形手術的需要。近年來，隨著3D打印技術的不斷發(fā)展，使得快速制造3D實體模型成為可能。

Mimics軟件是目前最常用的三維醫(yī)學影像處理系統(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打印機即可制造出三維實體模型。傅窈窈等[3]在Mimics軟件平臺上對108例單側先天性外中耳畸形患者的CT影像數(shù)據(jù)進行研究，發(fā)現(xiàn)鏡像處理對側正常耳郭形態(tài)后，均可獲得患側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，對單側耳郭缺失患者進行了缺耳反求設計。Jiao等[5]使用CT數(shù)據(jù)重建耳缺損患者健側外耳的三維模型，并利用該模型完成了耳贗復體的計算機輔助設計，再使用分層實體制造了紙質實體模型，最后翻制為硅橡膠贗復體，該贗復體在形態(tài)上與患者健側外耳非常相似，并且與缺損區(qū)匹配良好。張海林等[6]應用三維測量方法構建了小耳畸形患者健側耳郭的三維數(shù)字模型，和與之完全對稱的耳郭樹脂實體模型。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)進行分割、提取、重建等操作，直接快速生成患側耳郭和導板三維數(shù)字模型，并將其與3D打印機連接制造出三維實體模型。整個制作過程方便快捷，耗時較短。本研究中導板鼻部上緣平雙內眥連線水平，有利于實體模型的定位與固定。

小耳畸形患者患側重建耳郭和導板三維實體模型的建立，不但有助于耳郭再造術中肋軟骨的精細雕刻和組裝，患側再造耳的定位，還可用于術前耳郭整形效果的預測。三維耳郭導板實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?計算機輔助設計在先天性中外耳畸形整復術中的應用[J].中國數(shù)字醫(yī)學,2010,5(4):48-50.

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

[5]Jiao T,Zhang F,Huang X,et al.Design and fabrication of auricular prostheses by CAD/CAM system[J].Int J Prosthodont,2004,17(4): 460-463.

[6]張海林,王曉軍,賈懿,等.應用逆向工程技術構建三維耳郭模型[J].中國美容醫(yī)學,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

復旦大學“985工程”三期項目；國家自然科學基金面上項目（編號：81070786）；教育部創(chuàng)新團隊（編號：IRT1010）.

200031上海市復旦大學附屬眼耳鼻喉科醫(yī)院耳鼻喉科，衛(wèi)生部聽覺醫(yī)學重點實驗室（陳克光，傅窈窈，張?zhí)煊睿?00031上海市復旦大學附屬眼耳鼻喉科醫(yī)院實驗中心，衛(wèi)生部聽覺醫(yī)學重點實驗室（楊琳，戴培東）。

張?zhí)煊睿‥-mail：ztyentor@gmail.com）。