結(jié)合三維立體幾何學(xué)及3D MAX軟件探究小耳畸形患者三維耳支架雕刻技術(shù)

彭 旭,魏 斌,李立仲,高維宜,王文娟,石偉強,魏 超,唐道臣

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耳再造

結(jié)合三維立體幾何學(xué)及3D MAX軟件探究小耳畸形患者三維耳支架雕刻技術(shù)

彭 旭,魏 斌,李立仲,高維宜,王文娟,石偉強,魏 超,唐道臣

目的 結(jié)合三維立體幾何學(xué)及3D MAX軟件探究小耳畸形患者三維耳支架拼接雕刻技術(shù)。方法 58例先天性小耳畸形患者，采用外耳膜片為二維平面模板轉(zhuǎn)化到三維立體雕刻的塑形方案，術(shù)前精確設(shè)計肋軟骨，取第6～8肋軟骨；根據(jù)健側(cè)外耳的三維結(jié)構(gòu)特點，運用三維立體幾何測繪計量，在外耳膜片導(dǎo)引下，術(shù)中用刻度尺在軟骨標(biāo)識選取合適部位進行截斷，結(jié)合3D MAX軟件重建模擬的立體耳；逆向思維，即重建的3D外耳模型是由多個微小積木堆集而成，我們所做的即是先將3D模型虛擬演練分割成若干“積木”狀骨塊，然后再將若干“積木”狀骨塊拼接組建成一個三維立體模型。結(jié)果 術(shù)后隨訪1年，42例患者再造耳郭與健耳匹配，空間三維結(jié)構(gòu)及局部亞單位形態(tài)逼真，顱耳角的角度與健耳對稱。結(jié)論 結(jié)合三維立體幾何學(xué)并運用三維耳支架雕刻，有利于使再造外耳形體精確逼真，同時合理的預(yù)先設(shè)計，利于減少供區(qū)的損傷及胸壁畸形的發(fā)生率。

小耳畸形; 耳郭再造; 肋軟骨; 雕刻拼接; 3D模型

小耳畸形是常見的先天性疾病，國內(nèi)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)其發(fā)病率約為0.0 014%[1]。由于外耳耳郭表面凹凸不平，各種結(jié)構(gòu)精細，使得先天性小耳畸形的耳郭重建被認為是修復(fù)重建外科極富挑戰(zhàn)性的技術(shù)之一。在外耳再造術(shù)中，自體肋骨一直是耳再造支架的首選材料，再造出與正常耳外觀無限接近的耳郭，仍是整形外科醫(yī)師追求的目標(biāo)[2-5]。自2013年7月至2015年10月，北京市武警總隊第三醫(yī)院整形外科選用結(jié)合三維立體幾何學(xué)及3D MAX軟件雕刻拼接耳支架，對58例先天性小耳畸形患者進行治療，術(shù)后外耳形態(tài)及結(jié)構(gòu)滿意?，F(xiàn)報道如下。

1 臨床資料

本組患者58例。男性32例，女性26例；年齡6～37歲，平均15.5歲。左側(cè)28例，右側(cè)20例；雙側(cè)10例，均采用擴張皮瓣法耳再造術(shù)，Ⅰ期耳后置入皮膚擴張器。術(shù)后7 d開始分次注入生理鹽水約60 ml并靜止擴張30 d；Ⅱ期選用結(jié)合三維立體幾何學(xué)及3D MAX軟件，對耳支架進行雕刻拼接及植入；術(shù)后6個月，行Ⅲ期再造耳修整及耳甲腔加深。

2 方法

2.1 設(shè)備與軟件資料 計算機：處理器酷睿Q8300顯卡；ATIHD5750 硬盤希捷1Twindows 7操作系統(tǒng)軟件：3D Studio Max，常簡稱為3ds Max或MAX，是Autodesk傳媒娛樂部開發(fā)的基于PC系統(tǒng)的全功能三維計算機圖形軟件。

2.2 耳膜片的制備及3D外耳模型組建 術(shù)前用透明的X線膠片依據(jù)患者健側(cè)耳外形，修剪制成耳模片，雙側(cè)小耳患者一般選用父母的耳朵臨摹出模片。沿制成的耳模片外邊，于圖紙上勾畫出輪廓，并建立坐標(biāo)軸，測量出L1、L2、角度大小等術(shù)中所需的數(shù)值(圖1a)，再將二維模型置于3D MAX軟件進行重建。我們通過3D MAX軟件在計算機中重建模擬出的立體耳(圖1b)，進行任意的旋轉(zhuǎn)觀察，同時結(jié)合標(biāo)識有經(jīng)緯線，可初步獲得一些關(guān)于再造耳的長、寬、高等三維數(shù)據(jù)。對如何將骨架結(jié)構(gòu)組建進行思維演練，使重建的3D外耳模型分割成若干“積木”狀骨塊，然后完成對若干“積木”狀骨塊拼接，組建成一個三維立體模型。

2.3 肋軟骨的制備及骨支架的雕刻拼接 完整的立體耳支架要具備3層結(jié)構(gòu)，從上到下依次為：耳輪、主體和基座。制備時首先明確形成主體和耳輪的軟骨部分，將剩余的軟骨塊切割形成對耳輪下腳、主體耳垂部分、基座等結(jié)構(gòu)。肋軟骨均取自患耳同側(cè)的胸部，因為同側(cè)肋軟骨向內(nèi)、后、下方的空間轉(zhuǎn)角弧度，與同側(cè)耳輪及對耳輪向外、前、下的三維變化弧度相近似。結(jié)合平面坐標(biāo)軸測繪健耳大小，再運用3D MAX軟件模擬需要采取的肋軟骨量的多少，綜合設(shè)計耳支架的雕刻方案。一般第6、7肋軟骨較寬適合雕刻形成主體的耳舟部分，第8肋相對比較長且柔軟，適宜彎曲用作形成耳輪；兒童的耳支架雕刻一般依據(jù)健耳的大小可采取第6～8肋，第6、7、9肋，或第7～9肋3根肋軟骨；而成人的肋軟骨較兒童的寬且厚，往往采取第7、8肋軟骨或第7肋軟骨即可完成耳支架的雕刻。

成人耳支架雕刻：⑴依據(jù)術(shù)前測量及3D MAX軟件演化設(shè)計方案，我們評估出采用第7、8肋軟骨，即可完成骨架的制備，將透明的耳郭模片放置在第7肋軟骨最寬處并用亞甲藍畫線標(biāo)記(圖1)，沿外側(cè)設(shè)計線將其分割成為兩部分。上部翻轉(zhuǎn)倒置放于新月形骨架下，用于主體耳垂部分；下部依據(jù)耳郭模片制作一近似新月形軟骨，作為主體耳舟部分，在耳舟部行倒錐形雕刻，完整移除一舟狀，用以形成耳舟及對耳輪角，參照所測成角度數(shù)α，在第8肋軟骨處切取L形軟骨，以固定主體耳舟內(nèi)側(cè)，形成對耳輪下腳。結(jié)合平面所測弧長，在第8肋外側(cè)緣切取長條形軟骨，使其在低張力、易彎曲的情況下，固定于主體外緣，用于形成耳輪部。⑵將耳舟部與耳垂部，耳舟部與L形骨塊依次用5-0鋼絲縫合，形成構(gòu)建主體，同法完成主體和耳輪的拼接。如果患者的對耳輪較為突出，可將形成耳舟去除的新月形軟骨組織反轉(zhuǎn)放置，用5-0可吸收縫合線固定于支架主體上，用于堆砌抬高對耳輪部分。第8肋軟骨剩余較大的軟骨塊主要用于構(gòu)建基座。為了避免移動，在第8肋骨上即和主體對耳輪銜接處做凹面處理，形成類似中國古代建筑木裝榫卯結(jié)構(gòu)，用以增加骨架穩(wěn)定性。⑶根據(jù)正常耳郭的高度，結(jié)合3D MAX軟件重建模擬出立體耳測定的高度，測出耳輪中段距離底座最低點距離，一般為3.0～3.5 cm。將肋軟骨條按對側(cè)耳的高度逐層累加，可保證支架的高度與正常耳郭基本一致，同時支架軟骨層層內(nèi)收，可產(chǎn)生錯落有致的美學(xué)效果[6]，恰好能夠用于維持耳郭支架的高度和前傾形態(tài)。若第7肋軟骨發(fā)育良好且較寬大，僅用一根肋軟骨通過雕刻、拼接，足以完成耳支架的制備。見圖2～5。

兒童耳支架雕刻：以最常用的第6～8肋軟骨為例，將透明X線片制作的耳郭膜片放置于第7肋軟骨最寬且弧度符合度最高處切取，去除新月形軟骨塊，形成主體耳舟部分。沿第8肋軟骨冠狀面切取厚3～4 mm片狀、厚薄均勻的長條軟骨以形成耳輪，并以5-0鋼絲堅固縫合在主體外緣。將第7肋剩余軟骨或第8肋切取L形軟骨形成對耳輪下腳；將耳舟處去除的新月形軟骨塊放置固定于對耳輪處，以增加對耳輪高度；將第6肋軟骨切割形成基座部分，以加深耳甲腔及抬高耳郭高度。

3 結(jié)果

58例Ⅲ期術(shù)后患者獲隨訪10個月至1年，3例因外耳耳郭較硬，耳郭毛發(fā)附著較多對再造耳形態(tài)不滿意；13例可以接受；42例再造耳形態(tài)效果良好(圖6)。所有患者術(shù)后再造耳郭與健耳匹配，空間三維結(jié)構(gòu)及局部亞單位形態(tài)逼真，顱耳角的角度與健耳對稱。未見明顯胸廓畸形。

4 討論

目前，對再造耳效果的評價尚無量化的指標(biāo)[7]。但我們運用三維立體幾何學(xué)和3D MAX軟件，為耳郭的術(shù)前構(gòu)建設(shè)計提供了量化的數(shù)據(jù)，要在平均4.0 cm×6.0 cm大小的截面積上展現(xiàn)外耳輪廓高低錯落的14個解剖結(jié)構(gòu)，以及不可預(yù)知的術(shù)后效果，使得耳郭重建成為最具挑戰(zhàn)性的頭面部整形修復(fù)手術(shù)之一。我們嘗試將其構(gòu)建各個亞機構(gòu)的所需的數(shù)值化，可避免操作的盲目性，增強了臨床的科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性。

圖1 立體耳設(shè)計 a. 膠片設(shè)計 b. 電腦設(shè)計 圖2 耳結(jié)構(gòu)示意(a為耳輪部分，b～e為主體部分，f為基座部分) 圖3 形成類似中國古代建筑木裝榫卯結(jié)構(gòu) 圖4 耳模片與三維耳支架 圖5 術(shù)后即刻 圖6 單側(cè)先天性小耳畸形手術(shù)前后對比
a. 術(shù)前(例1) b. 術(shù)后10個月(例1) c. 術(shù)前(例2) d. Ⅱ期術(shù)前(例2) e. Ⅲ期術(shù)后1年(例2)
Fig 1 Design of 3D ear. a. design of film. b. computer design. Fig 2 Diagram of the auricular structure (a. helix. b～e. main body. f. pedestals). Fig 3 Formation of 3D ear like tenon structure of Chinese ancient architecture. Fig 4 Diagram of the auricular film and 3D auricular scaffold. Fig 5 immediate postview. Fig 6 Comparison between the preview and the postview of unilateral microtia surgery. a. preview (Case 1). b. postviw at 10 months (Case 1). c. preview (Case 2). d. preview of the second stage surgery(Case 2). e. pstview at 1 year of the third stage surgery (Case 2).

醫(yī)學(xué)圖像的三維重建直觀立體地顯示出了人體組織器官的結(jié)構(gòu)，三維重建耳模型可進行任意的旋轉(zhuǎn)觀察，幫助術(shù)者初步實現(xiàn)了外耳再造術(shù)前手術(shù)設(shè)計、需取肋骨量及三維數(shù)據(jù)的測量。運用三維立體幾何學(xué)對耳模平面測繪計量，以及應(yīng)用3D MAX軟件完成對立體模型圖的設(shè)計，使得對軟骨的取骨量多少及拼接時空間角度數(shù)值有了參考。如參照測得平面測量所得的L1寬度，用刻度尺挑選適宜肋軟骨、適宜做主體部位，L2測定L形軟骨大小，參照所測成角度數(shù)α在第8肋軟骨處切取L形軟骨，用于固定主體耳舟內(nèi)側(cè)，形成對耳輪下腳。與Brent[8-9]及 Nagata[10]的雕刻方法相比較，我們發(fā)現(xiàn)在本組患者的耳支架制作中，通過對參照L1、L2、角α等數(shù)值以及對傳統(tǒng)耳支架雕刻方法的改進，在保證支架雕刻所需肋軟骨量的前提下，眾多的亞結(jié)構(gòu)(舟狀窩、三角窩、對耳輪、對耳輪上角和對耳輪下腳)可以通過雕刻及軟骨的拼接獲得,很大程度上規(guī)避了對軟骨的盲目切取，降低了胸壁畸形的發(fā)病率。

我們采用局部肋軟骨雕刻塑形再到耳支架整體組裝技術(shù),擺脫了Brent法需要利用第6、7肋軟骨聯(lián)合部位進行耳郭支架中上部分構(gòu)建的觀念，即3D外耳模型是由若干“積木”狀骨塊拼接組建成，增強了術(shù)者對耳器官結(jié)構(gòu)的了解，利于術(shù)者對耳軟骨空間構(gòu)建思維的培養(yǎng)，增強了術(shù)者的空間立體感，減少了不必要的時間耗費，使得外耳支架組裝流程更加嫻熟，也使得術(shù)者更加注重耳郭的局部細節(jié)的組建。

我們將一塊軟骨組織拼接到大塊軟骨組織上，構(gòu)成了類似軟骨聯(lián)合的結(jié)構(gòu)，能夠用來形成三角窩、對耳輪上腳和下腳。支架不僅要求構(gòu)建耳郭表面結(jié)構(gòu)，而且需要具有良好的立體形態(tài)。Brent法需要在另外一次手術(shù)中將楔形的基座放置在再造耳郭下方，用以維持立體形態(tài)[11-12]。Nagata改進了Brent的雕刻方法，在支架的尾端添加了耳屏結(jié)構(gòu)組件。這種方法雖然可以形成耳屏，但遠遠增加了肋軟骨的用量，通常需要采集第5～8肋軟骨。我們采用的耳郭支架尾端逐漸變細，能夠節(jié)約肋軟骨用量。耳屏的形成主要在另外一次手術(shù)中通過局部的皮瓣折疊形成。

軟骨的雕刻過程中，需要遵循以下幾個原則：⑴雕刻形成耳舟和三角窩時，需要考慮被覆皮瓣的情況，可以適當(dāng)夸張。⑵耳輪、對耳輪和耳甲腔3個結(jié)構(gòu)的弧線應(yīng)當(dāng)光滑、流暢。⑶構(gòu)建耳輪時，雕刻成厚度均勻的3 mm左右的板狀結(jié)構(gòu)，避免在彎曲時，因承受力量不均而出現(xiàn)“成角”外觀；構(gòu)建的耳輪與主體結(jié)合的部位應(yīng)比較平整，同主體結(jié)合后，非常穩(wěn)固；耳輪緣應(yīng)當(dāng)圓滑，防止因表面覆蓋皮瓣而受到卡壓，出現(xiàn)血運障礙[13]。⑷在第8肋骨上與上層骨架銜接處做凹面處理，形成類似中國木裝榫卯結(jié)構(gòu)，增強了骨面間接觸面積，從而加強了骨塊間的摩擦力，降低了骨塊的活動度，使得骨架結(jié)構(gòu)牢固、穩(wěn)定。由此可見，三維支架雕刻技術(shù)是醫(yī)學(xué)和建筑工程學(xué)等其他學(xué)科思維融合的一種體現(xiàn)，術(shù)者不僅能形象有效地展現(xiàn)外耳輪廓高低錯落的解剖結(jié)構(gòu)，而且也能夠保證骨支架牢固和穩(wěn)定。

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Explore of auricular 3D-scaffold carving by 3D MAX software combined with 3D-stereometry for microtia patients

PENGXu,WEIBin,LILi-zhong,GAOWei-yi,WANGWen-juan,SHIWei-qiang,WEIChao,TANGDao-chen.

(DepartmentofPlasticSurgery,TheThirdHospitalofBeijingPeople′sArmedPoliceCorps,Bejing100039,China)

WEIBin,Email:18613873748@163.com

Objective To explore the3D auricle stitching engraving technology by 3D MAX software combined with 3D-stereometry for microtia patients 3D auricle stitching engraving technology. Methods The external diaphragm for planar template into a 3D sculpture shaping was adopted for the 58 patients with congenital microtia. The accurate preoperative design was performed and 6th to 8th costal cartilage were harvested; according to the characteristics of the 3D structure of the contralateral ear, 3D solid geometric measurement was used, under the guidance of the outer ear film and the marking with the scale, the appropriate parts of the cartilage was truncated and then the 3D simulated ear was reconstructed combined with 3D MAX software reverse thinking, the reconstructed 3D ear model was collected with many of tiny bricks, what we do was dividing the first 3D model into several brick-shaped bones, and then forming these brick-shaped bones into a 3D model. Results All patients were followed up for 1 year, the reconstructed ears on 42 cases matched with the normal ears, 3D structure and local subunit shape were lifelike, the angle of cranioauricular angle was symmetric to the normal ear. Conclusion The 3D sculpture of auricular framework combined with 3D solid geometry conducive to making reconstruction auricle shape accurate and vivid, at the same time, the reasonable preoperative design can also reduce the incidence for zone of injury and chest wall deformity.

Microtia; Auricular reconstruction; Costicartilage; Carving and stitching; 3D model

100039 北京,武警總隊第三醫(yī)院 整形外科

彭 旭(1990-)，男，河北保定人，住院醫(yī)師.

魏 斌,100039，武警總隊第三醫(yī)院 整形外科，電子信箱:18613873748@163.com

10.3969/j.issn.1673-7040.2016.04.004

R622

A

1673-7040(2016)04-0202-04

2015-12-28)