术前三维扫描及三维模拟在鼻整形术中的应用

蒋承安 李青峰 刘凯

全鼻缺损是整形外科常见的疑难病，多为幼年时动物咬伤或血管瘤等肿瘤切除术后所致，近年来由于交通事故增多等原因，外伤后的全鼻缺失也渐渐增多。外鼻是面部的中轴线，外鼻的缺失对患者外貌影响巨大，且严重影响患者心理健康。因此，重塑体积和外形接近正常的外鼻，对于恢复患者外貌，重塑患者自信，提升患者生活质量，是至关重要的。

鼻再造包括鼻衬里再造（鼻前庭黏膜、部分鼻腔黏膜）、鼻支架结构再造（鼻中隔软骨、鼻外侧软骨、大翼软骨等）及外鼻软组织的再造（外鼻覆盖皮肤、鼻翼、鼻小柱、鼻孔等软组织），手术内容复杂、要求高。因此，我们试图通过激光扫描模拟，以辅助鼻再造的术前设计，并与术后实际效果进行对比，为临床外鼻再造手术中外鼻体积、形状的形成提供依据，建立系统性的鼻再造术前、术后评估体系。

1 材料与方法

1.1 材料

激光扫描仪：三维激光扫描仪VIVID910（柯尼卡-美能达公司）；激光扫描软件：Polygon Editing Tool（柯尼卡-美能达公司）；三维模拟软件：Mimics 10（Materialise 公司）、RapidForm 2006（INUS 公司）。

1.2 方法

面部扫描：扫描50例正常人外鼻，要求无偏斜，无鼻外伤或手术史，鼻部各亚单位均发育良好。符合“三停五眼”标准，即鼻长度占面部长度1/3，宽度占1/5。扫描10例鼻缺损患者全面部，了解缺损部位与周围组织关系。 使扫描仪与患者面部呈水平位，以鼻部为中心点。启动Polygon Editing Tool扫描程序，将激光器光束照射在患者面部进行取像。扫描器按固定的角度获取患者面部正面、左右斜面45°的数据。分别在鼻部3个不同角度的关键部位进行标记（正面标记点为鼻根以及鼻尖，侧面标记点为鼻翼外侧角以及鼻背）。标记定点后程序自动合成完整患者面部三维图像。

模拟适合患者的鼻外形：用Mimics软件切去患者鼻部模块，将扫描得到的正常人外鼻模块与鼻缺损病人面部模块相互结合，按照“三停五眼”标准调整大小，并进行边缘修补 (图1)。

测量模拟外鼻支架数据：在Mimics10下打开模拟好外鼻的模块。利用其自带的三维曲面测量工具，测量鼻背长度、两眉连线与两眼内眦连线的中点(黄金点)到鼻尖点的长度、鼻根部宽度、鼻根起始部位宽度、鼻背中宽度、鼻背软硬交接处的宽度、鼻小柱高度、鼻尖到鼻小柱根部的距离、鼻翼宽度，以及两侧鼻翼外侧缘之间的距离 (图2)。

评估扩张皮瓣：按照先前获得的模拟外鼻长宽高等数据在扩张皮瓣上规划出范围，并测量其最宽部位以及该范围外剩余皮瓣宽度，评估皮瓣大小是否足够 (图3)。

术后扫描：利用三维软件测量术后鼻外覆盖面积、鼻部数据，方法与前述相同。测量再造外鼻面积时，以皮瓣与面部缝合的瘢痕作为圈选的界线。

2 结果

术后3个月对患者的全面部进行扫描，测量了术后各项数据并进行统计分析。其中鼻翼宽度平均值为（37.78±1.52） mm（P<0.05），鼻根宽度平均值为（13.87±1.09） mm （P<0.05）， 鼻背长度平均值为（53.91±2.56） mm （P<0.05）， 鼻尖高度平均值为（26.42±1.78） mm（P<0.05），外覆盖面积平均值为（3 161.52±260.68） mm2（P<0.05）。 比较术前模拟和术后实际鼻部的鼻翼宽、鼻根宽、鼻背长、鼻尖高、外覆盖面积等数据，统计学分析显示，术前模拟与术后实际数据无明显统计学差异（图4）。

图1 正常外鼻与患者面部三维扫描结合效果Fig.1 The effective picture of patients'facial contour combining normal nose by 3D simulation

图2 模拟鼻数据测量Fig.2 The measurement of nasal diamension by 3D simulation

图3 扩张皮瓣面积测量Fig.3 The measurement of expended flap area by 3D simulation

图4 术前模拟与术后实际鼻外覆盖面积Fig.4 Nasal covering area pre-operation and post-operation

3 讨论

鼻缺损的修复包括外鼻软组织的再造、鼻支架结构的重建以及鼻衬里的修复，手术内容较为复杂，且对术者技术及经验要求较高。鼻再造术前没有模板，无法准确预估外覆盖所需皮瓣面积。如皮瓣扩张面积不足，则可能造成术中再造鼻外覆盖面积不够或供区缝合张力过高等情况。根据Burget和Menick所提出的理论，单个亚单位缺损达50%以上即重建该亚单位，三个以上的亚单位需重建即可进行全鼻再造[1]。然而，鼻部的亚单位尤其是下1/3的亚单位面积较小，常常难以以肉眼判断缺损是否达到全部重建的标准，使手术方案的制定缺乏客观性。如能利用计算机辅助模拟，则可避免上述问题。

Tsutsumi等[2]最早将激光三维技术用于头面部缺损患者的治疗。他们于1997年利用计算机激光扫描技术扫描患者面部，获得面部三维扫描数据，然后将数据利用计算机三维程序进行数据处理以及构建，完成了患者面部缺损治疗的设计，初步实现了激光三维技术应用在修复重建上的可行性。

计算机三维技术应用于面部重建修复的前提，就是术前、术后必须获得准确的三维面部软组织形态数据资料。目前的激光扫描法主要分为点状激光和线状激光。线状激光是扫描时激光以直线投射出，线状光束紧贴物体表面并捕捉其形状和高低起伏，每次光束投射获得一个截面，直到获得物体的整体截面，并合成一个立体图像为止。其扫描精确度较点状激光低，但是扫描一次得到的数据点较多，速度较快，在工业设计制造中被广泛利用。姚森等[3]于1998年研发了一种方法，在头颅安装支架和旋转框，扫描时框架围绕头部旋转和垂直移动。Runte等[4]在2002年曾应用非接触式激光扫描测量方法获取患者面部三维图像，后利用三维平版印刷方法制作了眼眶周缺损的三维模拟模型，改进了计算机辅助制造技术。Chi-Mun等[5]于2003年首次利用了计算机辅助三维技术治疗了1例全鼻缺损的患者，制作出了其外鼻修复体模型。吴国锋等[6]利用镜像翻转技术完成了单侧眼眶缺损的修补，焦婷等[7]完成了单侧耳缺损的模型制造。

现今的三维扫描方法较以往更为简便精确。我们利用安装在固定轨道上的激光扫描仪，患者固定不动，通过横向移动扫描仪，线状扫描患者面部正位以及两个45°角的数据，即可合成为一个完整的面部三维图像。虽然现在的激光三维技术已有所进步，但我们发现扫描患者面部时仍然存在各种影响扫描完整度以及精确度的因素。因为面部不是一个简单的平面，而是由许多起伏不定的曲面所构成。鼻部的曲面看似单一，实际上相当复杂，各亚单位本身以及各亚单位之间的凹陷起伏极多，常会影响激光光束的准确性，出现数据盲区。鼻部较为容易出现盲区的区域为双侧鼻翼外侧缘与面部结合处，以及双侧鼻翼外侧角、鼻小柱根部等跟面部的交会处。额部扩张皮瓣常见的盲区为扩张皮瓣与发际交接处和与眉弓之间的范围。除了扫描时调整患者面部的位置外，可增加扫描的角度、注意扫描阴影部位、剔除扫描部位的毛发、嘱咐患者扫描时减少移动等，尽量获得较多的扫描平面，使激光光束能够均匀地打在面部，再将多个扫描面进行结合，来获得完整的轮廓。在了解并掌握了面部三维扫描仪器以及软件的操作后，我们参考众多学者总结出的鼻部美学数据，搜集正常人外鼻。

利用计算机扫描模拟患者鼻部，我们可以结合Farks等[8]提出的头面部测量方法，即先在特定的部位设定数个测量点后，直接运用计算机自带的软件对头面部的线距﹑角度﹑体积等在三维图像上进行测量和设计，客观并系统化地取得包含面部曲面的各项数据。

通过三维术前模拟，我们可以在模拟切除设计范围内的皮瓣后，评估剩余的扩张皮瓣是否足够覆盖供区，避免因供区张力过高或无法覆盖而需额外取皮植皮增加创面与术后疤痕，且保证再造鼻皮瓣的来源。Sultan等[9]运用三维打印模拟外鼻，并利用铝箔纸覆盖于打印的外鼻上，剪裁出外鼻外覆盖范围，再直接覆盖于扩张皮瓣上描绘轮廓，达到皮瓣设计的目的。我们认为，此方法虽然先进，但因打印三维模型费用较高，许多病人无法承受，临床较难大量普及与应用。作为替代方案，我们利用模拟皮瓣的三维测量数据（鼻根宽﹑鼻中部宽﹑鼻孔宽高﹑鼻小柱长﹑鼻尖到双侧鼻翼外角长等），手动于术中精确描绘皮瓣轮廓，其术后结果令人满意，且较为经济简便，病人接受度较高，容易实际应用于临床。设计鼻根部位皮瓣时，为保证皮瓣血运，需保留较大厚度以及宽度，故术后鼻根宽度和额鼻角角度要较模拟的数据宽大。

鼻再造手术前，应用一切可能的办法和工具与患者交流，并针对可能的手术效果达成共识是非常重要的，可以增加患者信心，提升对手术效果的认可程度。三维扫描设计能在术前谈话时帮助患者了解自身病理解剖结构、手术过程以及可能的手术结果。

利用三维面部重建分析，可以更准确了解患者的面部轮廓以及面部轮廓、面部其他器官与再造鼻的比例是否符合患者需求及面部美学。经过三维术前设计，可为手术提供精确的相关数据，降低手术难度，提高手术效果及患者满意度，值得临床推广应用。

[1] Burget GC,Menick FJ.Aesthetic Reconstruction of the Nose[M].St.Louis:Mosby-Year Book,1994.

[2] Chen LH,Tsutsumi S,Iizuka TA.CAD/CAM technique for fabricating facial prostheses:a preliminary report[J].Int J Prosthodont,1997,10(5):467-472.

[3] 姚森,林珠,李忠科,等.颜面形态激光离精度三维扫描与重构[J].华西口腔医学杂志,1998,16(3):224-222.

[4] Runte C,Dirksen D,Delere H,et al.Optical data acquisition for computer-assisted design of facial prostheses[J].Int J Prosthodont,2002,15(2):129-132.

[5] Chi-Mun Cheah,Chee-kai Chua,Kwang-Hui Tan,et al.Integration of laser surface digtizing with CAD/CAM techniques for developing facial prostheses.Part 1:Design and fabrication of prosthesis replicas[J].Int J Prosthodont,2003,16(4):435-441.

[6] 吴国锋,赵铱民,叶晓兰,等.单侧眼眶部缺损修复的计算机辅助设计[J].实用口腔医学杂志,2003,19(6):473-475.

[7] 焦婷,张富强,孙健.计算机辅助设计颌面缺损修复技术的应用研究[J].中华口腔医学杂志,2004,39(2):129-132.

[8] Farkas LG,Bryson W,Klotz J.Is photogrammetry of the face reliable[J]?Plast Reconstr Surg,1980,66(3):346-355.

[9] Babar S,Patrick B.Custom-Made,3D,Intraoperative surgical guides for nasal reconstruction[J].Facial Plast Surg Clin N Am,2011,19(4):647-653.