三維掃描技術(shù)在整形外科中的臨床應(yīng)用研究進(jìn)展

陳祎，熊猛

(東南大學(xué) 醫(yī)學(xué)院，江蘇 南京 210009)

·綜 述·

三維掃描技術(shù)在整形外科中的臨床應(yīng)用研究進(jìn)展

陳祎，熊猛

(東南大學(xué) 醫(yī)學(xué)院，江蘇 南京 210009)

三維掃描技術(shù)應(yīng)用于臨床已有20多年歷史，隨著三維掃描技術(shù)的不斷改進(jìn)，其精確度顯著提高、操作愈簡便，這使得近年三維掃描技術(shù)在整形外科專業(yè)中應(yīng)用越來越廣泛，作者擬對(duì)三維掃描在整形外科專業(yè)中的臨床應(yīng)用研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

三維掃描技術(shù)； 整形外科； 臨床應(yīng)用; 文獻(xiàn)綜述

三維掃描技術(shù)是集合了光、電及計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的新技術(shù)，其主要通過光、射線獲取物體外表面的空間坐標(biāo)，將物體的空間信息轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，具有高速度、高精度等優(yōu)點(diǎn)。近年來三維掃描技術(shù)廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，如服裝制作、塑料部件、金屬鑄件和鍛造、口腔牙齒及畸齒矯正、整形及器官再造等。整形外科治療范圍涉及體表皮膚、肌肉及骨骼等，對(duì)人體的形態(tài)學(xué)測(cè)量需求很高，傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量方法速度慢、精度低，而三維掃描技術(shù)完成了測(cè)量方式的變革，克服了傳統(tǒng)測(cè)量方法的缺點(diǎn)，具有非接觸、速度快、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，在臨床應(yīng)用上取得了良好的效果。通過對(duì)國內(nèi)外文獻(xiàn)的分析，總結(jié)了當(dāng)前三維掃描技術(shù)在整形外科的臨床應(yīng)用，具體綜述如下。

1 三維掃描技術(shù)

三維掃描技術(shù)根據(jù)掃描方式分為接觸式和非接觸式。接觸式掃描是通過實(shí)際觸碰物體表面的方式計(jì)算深度(深度指的是物體表面突出部分至凹陷部分的厚度，工科上用深度表示)，但其在掃描過程中必須接觸物體，可能造成組織損傷，故應(yīng)用范圍較小。非接觸掃描方式是通過光、射線等對(duì)物體進(jìn)行掃描，根據(jù)掃描原理可分為激光掃描技術(shù)、結(jié)構(gòu)光掃描技術(shù)、立體攝影測(cè)量技術(shù)、光柵投影技術(shù)、計(jì)算機(jī)體層攝影技術(shù)(computed tomography，CT)等[1]。其中激光掃描技術(shù)、結(jié)構(gòu)光(可見光)掃描技術(shù)及CT在整形外科均有應(yīng)用。CT掃描技術(shù)是通過射線對(duì)人體進(jìn)行掃描，對(duì)人體有輻射、可重復(fù)性較差，不適合整形外科常規(guī)使用。而激光掃描技術(shù)及結(jié)構(gòu)光掃描技術(shù)因其對(duì)人體無輻射，且具有非接觸、被測(cè)物無形變、重復(fù)性好、測(cè)量精度高等特點(diǎn)，更適用于整形外科人體形態(tài)的建模及三維數(shù)據(jù)測(cè)量。

2 三維掃描技術(shù)在面部整形中的應(yīng)用

2.1 面部三維數(shù)據(jù)庫的建立

容貌美是人體美最主要的組成部分，這也是整形美容外科醫(yī)生關(guān)注的最重要的部分之一。人們欣賞人的容貌，通常是對(duì)面部軟組織進(jìn)行評(píng)估，因此，通過對(duì)面部軟組織形態(tài)的測(cè)量，以對(duì)面部輪廓和面部器官進(jìn)行評(píng)價(jià)是國內(nèi)外學(xué)者多年來一直研究的方向[2]。三維圖像技術(shù)改變以往手工測(cè)量的方式，更精確且非接觸。面部三維數(shù)據(jù)最大的優(yōu)勢(shì)在于能夠獲取面部顯示的三維空間結(jié)構(gòu)描述，克服傳統(tǒng)二維數(shù)據(jù)易受光照、視圖影響的缺點(diǎn)[3-4]。多個(gè)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),東亞黃色人種面部特征與白種人有顯著差異[5-6]。盡管如此，西方人的面部標(biāo)準(zhǔn)還是常常被用于亞洲人的面部分析，我們?nèi)狈χ袊俗约旱拿娌刻卣髦笜?biāo)。齊向東[7]采用三維激光全息掃描儀采集當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)人群的三維面部數(shù)據(jù)，隨機(jī)抽取青年學(xué)生、干部、職員或者工人，從500人的照片中篩選出60名(男∶女=1∶1)符合大眾審美觀點(diǎn)的研究對(duì)象進(jìn)行三維掃描，獲得的圖像拼接為頭面部的三維數(shù)字模型，并建立了中國女性區(qū)域性面部三維數(shù)據(jù)庫。面部對(duì)稱性也是構(gòu)成面部美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)重要因素。Jayaratne等[8]利用立體三維攝影技術(shù)獲取了103名18～35歲中國人的三維照片，測(cè)量了這組人群的鼻部形態(tài)參數(shù)，將結(jié)果與既定的白人鼻部標(biāo)準(zhǔn)分析對(duì)比后，認(rèn)為中國人鼻寬、鼻尖角、鼻額角及鼻翼坡度數(shù)值高于白人。因此，中國人的面部三維數(shù)據(jù)庫的建立有助于幫助整形美容外科醫(yī)生為患者量身訂制手術(shù)設(shè)計(jì)方案，滿足患者的心理需求，同時(shí)也增進(jìn)了醫(yī)生與患者之間的交流。

2.2 眼眶部整形

對(duì)于面部先天畸形或是后天創(chuàng)傷缺損的患者，醫(yī)生關(guān)注的常常是面部的完整性、對(duì)稱性。三維掃描技術(shù)可以模擬患者需要修復(fù)整形的部位，在術(shù)前進(jìn)行手術(shù)模擬、設(shè)計(jì)，提高手術(shù)成功率及患者滿意度。Gellrich等[9]以CT三維數(shù)據(jù)進(jìn)行眼眶部的三維重建，利用所得數(shù)據(jù)制作了一個(gè)樹脂的贗復(fù)體眼球，幫助患者進(jìn)行單側(cè)眼眶缺損的修補(bǔ)。吳國鋒等[10]也同樣用CT三維數(shù)據(jù)進(jìn)行了1例單側(cè)眼眶缺損病人的治療。畢云鵬等[11]利用結(jié)構(gòu)光三維掃描儀結(jié)合三維成像軟件對(duì)1名單側(cè)眶部缺損患者進(jìn)行三維重建，并對(duì)健側(cè)眼部進(jìn)行三維測(cè)量，獲得了眼眶部各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)、線的測(cè)量數(shù)據(jù)。因此，正常眼部的三維數(shù)字化模型能夠?yàn)閱蝹?cè)眼眶缺損的患者治療提供重要的參考，并為眼部贗復(fù)體的制作提供精確的測(cè)量數(shù)據(jù)。

2.3 鼻部整形

外鼻術(shù)前參數(shù)的精確測(cè)量對(duì)于隆鼻術(shù)后的效果評(píng)估至關(guān)重要。吳丹雯[12]利用CT三維重建鼻部結(jié)構(gòu)及立體三維照片分析了110名中國女性的鼻部特征，獲得女性外鼻的20個(gè)指標(biāo)，并在臨床的鼻整形手術(shù)中驗(yàn)證了這些指標(biāo)，取得良好的臨床效果。蔣承安等[13]利用激光掃描技術(shù)輔助鼻再造的術(shù)前設(shè)計(jì)，對(duì)額部皮瓣進(jìn)行表面積掃描測(cè)量并進(jìn)行形態(tài)設(shè)計(jì)，使皮瓣轉(zhuǎn)移后能重建具有較好的外鼻部結(jié)構(gòu)，并與實(shí)際術(shù)后形態(tài)進(jìn)行對(duì)比，效果滿意。Szychta等[14]采用新型的光學(xué)掃描儀對(duì)54例隆鼻求美者進(jìn)行術(shù)前和術(shù)后6個(gè)月的掃描，比較了術(shù)前術(shù)后鼻的比例、角度等和空間參數(shù)，其結(jié)果差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，術(shù)后鼻部三維數(shù)據(jù)更接近美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)?？傊S掃描技術(shù)可以作為一種工具，術(shù)前可設(shè)計(jì)鼻再造的皮瓣大小形狀或者獲取隆鼻前的外鼻空間參數(shù)，術(shù)后可評(píng)估隆鼻的效果并獲取鼻部形狀的空間變化數(shù)據(jù)。

2.4 耳部整形

耳是面部器官中結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、精細(xì)結(jié)構(gòu)最多的器官，傳統(tǒng)的手工測(cè)量無法獲得精確的耳結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。三維掃描技術(shù)提供了這樣一個(gè)契機(jī)，它可以快速、高精度獲取患者健側(cè)耳廓的精細(xì)結(jié)構(gòu)空間數(shù)據(jù)，為術(shù)前術(shù)中提供重要參考。張海林等[15]利用三維掃描技術(shù)對(duì)單側(cè)小耳畸形患者的健側(cè)耳進(jìn)行掃描，獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)三維軟件后進(jìn)行三維建模，并通過鏡像獲得患側(cè)耳廓外形，輔助三維打印技術(shù)獲取三維耳廓模型，為手術(shù)中耳廓支架的雕刻和贗復(fù)體制作提供了更加精確的指導(dǎo)。燕靜杰等[16]應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)對(duì)先天性小耳畸形患者的再造耳廓及正常耳廓進(jìn)行掃描、處理、建立數(shù)字化三維耳廓模型，在此基礎(chǔ)上測(cè)量再造耳廓和正常耳廓的長度和寬度，研究患者再造耳廓及正常耳廓生長情況，為臨床選擇適合的手術(shù)年齡及合適大小的耳廓支架提供科學(xué)依據(jù)。因此，除了提供精確的耳廓三維模型外，三維掃描技術(shù)還可以為醫(yī)師的手術(shù)和贗復(fù)體的制作提供更為精確的指導(dǎo)，同時(shí)成為術(shù)后再造耳形態(tài)、結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)期評(píng)估手段。

2.5 唇部整形

唇裂治療效果的評(píng)價(jià)一直是唇裂研究的熱點(diǎn)，但對(duì)其具體的評(píng)價(jià)方法、標(biāo)準(zhǔn)和體系卻沒有定論。余喬立等[17]對(duì)18例單側(cè)唇裂患兒在術(shù)前使用結(jié)構(gòu)光三維掃描儀獲取面部三維數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)中重建面部三維圖像并進(jìn)行定點(diǎn)測(cè)量。術(shù)中對(duì)相同的面部標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行直接測(cè)量,將三維掃描測(cè)量與直接測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，兩種方法測(cè)得的指標(biāo)均具有高度準(zhǔn)確性，其結(jié)果之間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。單側(cè)完全性唇裂的患兒常伴有鼻畸形，利用三維掃描技術(shù)可以同時(shí)對(duì)這兩部分進(jìn)行測(cè)量評(píng)估。王濤等[18]對(duì)臨床72例單側(cè)完全性唇裂患者根據(jù)有無同期進(jìn)行鼻整形聯(lián)合硅橡膠鼻模矯形進(jìn)行分組，利用可見光三維掃描儀對(duì)每組患兒采集鼻部形態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)果表明在鼻翼長度、鼻基部長度、鼻孔高度等方面的改善程度上實(shí)驗(yàn)組明顯優(yōu)于對(duì)照組。因此與傳統(tǒng)方法相比，三維掃描技術(shù)測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)更精確、高效且重復(fù)性好，是唇裂手術(shù)前后對(duì)照研究及頜面部畸形形態(tài)學(xué)研究的最有前景的方法，并可以建立評(píng)價(jià)單側(cè)唇裂修復(fù)術(shù)后效果的新的評(píng)估體系。

3 三維掃描技術(shù)在乳房整形中的應(yīng)用

3.1 乳房三維形態(tài)測(cè)量方法

乳房整形美容手術(shù)必然牽涉到乳房術(shù)前及術(shù)后三維形態(tài)的變化，乳房三維形態(tài)的評(píng)估及測(cè)量也一直是整形美容外科醫(yī)師關(guān)注的熱點(diǎn)。目前已被報(bào)道的乳房體積形態(tài)測(cè)量方法共有9種，可以根據(jù)其測(cè)量原理分為3類：影像法，包括磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)、超聲和CT測(cè)量；自然法，包括三維建模、排水體積法和胸模法；幾何法，包括Grossman-Roudner、人體測(cè)量計(jì)算和X線攝片[19]。這幾種測(cè)量方法中MRI和三維建模(三維掃描后計(jì)算機(jī)進(jìn)行三維重建)的方法準(zhǔn)確度最高，且對(duì)人體無不良作用。但這兩種方法也各有利弊，三維掃描重建乳房形態(tài)的精確度比MRI更高且乳房處于自然狀態(tài)被測(cè)量，但MRI可以進(jìn)行軟組織顯影，顯示乳房中的乳腺、脂肪，并能反映乳房的疾病。Kovacs等[20]比較了MRI和激光三維掃描的方法測(cè)量乳房體積，結(jié)果顯示:激光三維掃描成像技術(shù)在表現(xiàn)乳房形狀和測(cè)量乳房體積方面效果較好，而MRI由于其在分辨軟組織類型上的優(yōu)勢(shì)，在了解乳腺發(fā)育情況方面表現(xiàn)出色。Kovacs等[21]還比較了激光三維掃描技術(shù)與傳統(tǒng)手工測(cè)量方法獲得的乳房表面形態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示三維測(cè)量數(shù)據(jù)更加精確、變異性更小、重復(fù)性好。在利用三維掃描技術(shù)進(jìn)行乳房形態(tài)測(cè)量中，要注意乳房在胸廓表面測(cè)量時(shí)乳房體積會(huì)受到呼吸運(yùn)動(dòng)時(shí)胸廓起伏的影響。劉春軍等[22]通過三維掃描技術(shù)分別測(cè)量了自然呼氣末、自然吸氣末和平靜呼吸不同呼吸狀態(tài)下乳房的體積，使用計(jì)算機(jī)軟件測(cè)量每兩組間的乳房體積變化和三維偏差，結(jié)果顯示兩次掃描中呼吸狀態(tài)不一致，乳房體積測(cè)量偏差將超過20 ml，一致的情況下小于10 ml。因此，每次掃描時(shí)保持乳房呼吸狀態(tài)的一致性，對(duì)于準(zhǔn)確測(cè)量乳房體積變化具有重要意義。

3.2 乳房整形及重建

在乳房整形手術(shù)中雙側(cè)乳房的對(duì)稱度具有重要意義，關(guān)系到術(shù)前醫(yī)師如何選擇手術(shù)方案、術(shù)后效果評(píng)估、患者滿意度等，同時(shí)也是評(píng)價(jià)乳房美學(xué)形態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo)。劉春軍等[23]對(duì)167例隆乳術(shù)患者進(jìn)行術(shù)前乳房三維掃描，使用計(jì)算機(jī)軟件分析乳房三維模型，測(cè)量兩側(cè)乳頭水平、下皺襞水平、乳房寬度和凸度、乳房體積等差異，建立使用三維掃描技術(shù)進(jìn)行乳房三維測(cè)量和對(duì)稱性評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)化方法，可以全面而客觀地評(píng)估乳房的對(duì)稱性。在乳房重建手術(shù)中，應(yīng)用三維掃描進(jìn)行乳房手術(shù)前的模擬、患側(cè)重建等可以提高患者的滿意度。Garson等[24-25]將光學(xué)三維掃描技術(shù)輔助逆向工程進(jìn)行乳房三維數(shù)字化模型重建、仿真手術(shù)模擬、制作乳房實(shí)體模型，實(shí)現(xiàn)了乳房重建手術(shù)的個(gè)性化、量化的手術(shù)方案設(shè)計(jì)，術(shù)后乳房整形美容效果滿意。除了術(shù)前的評(píng)估，乳房術(shù)后的動(dòng)態(tài)變化也是整形外科醫(yī)師關(guān)注的重要方面，傳統(tǒng)方法評(píng)估很難準(zhǔn)確比較患者乳房的空間形態(tài)變化，三維掃描則可以精確比較乳房隨時(shí)間的空間動(dòng)態(tài)變化。Ji等[26]對(duì)13名接受雙平面隆乳的患者進(jìn)行術(shù)前及術(shù)后1、3、6個(gè)月的隨訪掃描，利用三維掃描技術(shù)及輔助計(jì)算機(jī)三維軟件對(duì)各個(gè)時(shí)間點(diǎn)乳房三維模型的投影、乳頭位置、乳房體積和乳房表面積進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)隆乳術(shù)后6個(gè)月左右乳房輪廓基本平穩(wěn)，雙平面隆乳法可以優(yōu)化胸型尤其是乳房下級(jí)。Choi等[27]利用三維掃描成像技術(shù)輔助計(jì)算機(jī)行自體脂肪隆乳術(shù)后體積測(cè)量，并且進(jìn)行長期隨訪，對(duì)自體脂肪注射后的體積存留情況進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果顯示注射量越大，注射脂肪存留體積愈多。因此三維掃描技術(shù)提供了一個(gè)客觀量化的方法來評(píng)估假體隆乳或是自體脂肪隆乳術(shù)在一段時(shí)間后的乳房三維形態(tài)的變化，為臨床工作提供客觀理論依據(jù)，并且可以指導(dǎo)臨床醫(yī)師在進(jìn)行乳房重建時(shí)選擇合適的假體或自體組織。

4 三維掃描技術(shù)在整形外科其他方面的應(yīng)用

在整形外科中進(jìn)行創(chuàng)面修復(fù)時(shí)，因組織量不足常需要擴(kuò)張局部軟組織獲取足夠的組織，臨床上皮膚軟組織缺損面積借助粗略的手工測(cè)量，而皮膚擴(kuò)張器置入的部位、注水量等則取決于臨床醫(yī)師的經(jīng)驗(yàn)，缺乏準(zhǔn)確的量化標(biāo)準(zhǔn)。張輝[28]應(yīng)用自行開發(fā)的皮膚擴(kuò)張術(shù)計(jì)算機(jī)軟件輔助立體攝影技術(shù)對(duì)臨床病例的擴(kuò)張部位進(jìn)行三維數(shù)據(jù)采集與處理，估算缺損面積，決定植入擴(kuò)張器的大小、形狀和安放位置，輔助手術(shù)設(shè)計(jì)，術(shù)后效果滿意，并將結(jié)果與手工測(cè)量計(jì)算進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)二者結(jié)果誤差小于5%，這種方法為皮膚擴(kuò)張術(shù)擴(kuò)張皮瓣移轉(zhuǎn)的時(shí)機(jī)選擇、切口設(shè)計(jì)、結(jié)果預(yù)測(cè)等提供了參考依據(jù)。在人體各部使用擴(kuò)張器植入術(shù)時(shí)如乳房重建、鼻再造、肢體瘢痕修復(fù)等，應(yīng)用三維測(cè)量技術(shù)可提高手術(shù)前設(shè)計(jì)的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，并可以動(dòng)態(tài)測(cè)量注水量與皮膚擴(kuò)張面積的關(guān)系[29-30]。

5 三維掃描技術(shù)在整形外科中的展望

隨著各種先進(jìn)的三維掃描儀器的更新?lián)Q代及輔助軟件的開發(fā)，三維掃描技術(shù)應(yīng)用也越來越廣泛，越來越為臨床醫(yī)生及患者所接受。目前三維掃描技術(shù)在整形外科的主要應(yīng)用有以下幾個(gè)方面：(1) 獲取并建立區(qū)域人群形體外貌的標(biāo)準(zhǔn)化三維數(shù)據(jù)庫。(2) 用于患者的術(shù)前評(píng)估及術(shù)前的個(gè)性化訂制手術(shù)方案設(shè)計(jì)，并進(jìn)行術(shù)前模擬。(3) 獲得高精度的三維數(shù)據(jù)，輔助計(jì)算機(jī)軟件及逆向工程進(jìn)行三維模型的打印，為手術(shù)提供更加精確的指導(dǎo)。(4) 術(shù)后與術(shù)前的效果評(píng)價(jià)，并可進(jìn)行長期隨訪獲取動(dòng)態(tài)三維數(shù)據(jù)資料，為臨床工作提供更多的科學(xué)依據(jù)。三維掃描技術(shù)有望代替二維攝影技術(shù)成為整形美容外科的常規(guī)評(píng)估手段，為患者提供個(gè)性化的設(shè)計(jì)方案，為人體器官再造提供更加準(zhǔn)確的指導(dǎo)，有助于提高醫(yī)患溝通的效率、滿意度，增進(jìn)醫(yī)患之間的信任等。

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2015-03-12

2015-04-13

陳祎(1990-)，女，江蘇宿遷人，在讀碩士研究生。E-mail:seuchenyi1990@126.com

陳祎,熊猛.三維掃描技術(shù)在整形外科中的臨床應(yīng)用研究進(jìn)展[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào):醫(yī)學(xué)版,2015,34(4):670-673.

R62; R814.42

A

1671-6264(2015)04-0670-04

10.3969/j.issn.1671-6264.2015.04．039