应用三维重建结合快速成型技术实现个性化颅耳角重建

许枫 张如鸿

应用三维重建结合快速成型技术实现个性化颅耳角重建

许枫 张如鸿

目的探索应用计算机三维重建结合快速成型技术，设计并制造个性化颅耳角支撑物的可行性。方法对1例拟行颅耳角重建的先天性小耳畸形患者，进行全头颅CT扫描，获取CT数据，在PC机上进行三维重建和设计，通过快速成型技术打印出实体模型。结果获得了个性化的骨水泥颅耳角支撑物。结论应用计算机三维重建和快速成型技术可实现个性化颅耳角支撑物的设计和制造。

三维重建快速成型颅耳角重建先天性小耳畸形

近年来，随着计算机图像技术的不断发展，人们可以将CT、MRI等获得的人体数据，通过相关软件在计算机上进行三维图像的重建，为手术设计、手术定位等提供了准确、直观、科学的手段。快速成形技术（RP）是上世纪80年代末兴起，并迅速发展起来的新的先进制造技术，是由计算机辅助设计（CAD）模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维物理实体的技术总称。目前，该技术已应用于医疗器械的设计生产，CT扫描信息的实物化，手术模拟和人体骨关节的配制等。我们对三维重建技术和快速成型技术在耳再造手术中的应用进行了初步探索。

1 材料与方法

1.1 实验对象

先天性右小耳畸形患者1例，男性，17岁。已完成自体肋软骨右耳一期再造术，待行二期颅耳角重建术。

1.2 三维数据采集

采集设备：Light Speed 16层螺旋CT（美国GE公司）。

采集方法：患者行全头颅CT扫描，球管电流250 mA，电压120 KV，层厚0.625 mm，所得数据以DICOM 3.0格式刻盘保存。

1.3 颅耳角支撑物定制体的设计

将CT扫描所得数据以DICOM 3.0格式导入Mimics 10.01，在断层图像上分别逐层圈选乳突区骨面及一期植入软骨支架的域值轮廓后，将圈选部分行三维表面重建，获得患侧乳突区及所植入的软骨支架的三维数字模型。根据正常侧耳外形轮廓所得镜像，对软骨支架进行必要的旋转和适当的位移，使再造的颅耳角与对侧一致，且软骨支架处于手术调整可及的范围内，将设计好的软骨支架模型和乳突模型以STL格式保存，输出至Rapidform 2006软件中，在乳突表面和软骨支架背侧面分别圈选出拟与颅耳角支架相接触的表面，将此两面的法线方向翻转后合并入同一对象中并构建侧壁面，封闭此几何体，所得即为所需的定制化植入体（图1）。

图1 颅耳角支撑物定制体的设计Fig.1The design of the wadge

1.4 定制体的快速成型

将生成的定制体三维数字模型，以STL文件格式输入快速打印机，可获得颅耳角支撑物的快速成型实体模型，再根据模型制造出适用于该患者的可植入人体的骨水泥颅耳角支撑物。

2 结果

通过Mimics 10.01，在PC上完成了对该患者整个头面部的三维图像重建，正常侧耳廓和再造耳廓形态清晰、自然连续。镜像设计所得的颅耳角与健侧相比对称性良好（图2）。

图2 头面部三维重建图像Fig.2The digital 3D reconstruction image of head

在Rapidform 2006软件中设计了个性化的颅耳角支撑物，通过快速成型3D打印获得了实体模型，进而制作出个性化的植入体（图3）。

图3 定制体三维数字模型和实物Fig.3The digital model and the wadge

3 讨论

全耳再造是目前治疗先天性小耳畸形以及部分严重获得性耳廓缺失最常用的修复手段。该术式通常采用分期法实施耳廓的重建[1]。其中，第二期手术的目的为重建颅耳角，需在肋软骨耳支架的背面填充支撑物以构建颅耳角，维持耳廓与头颅之间的夹角关系。目前，自体肋软骨块仍是该支撑物的首选材料[2-3]。

颅耳角是影响耳廓对称性的一个重要结构，然而该结构的重建效果却一直不够理想[4-6]，主要原因有以下三点：一是软骨块本身质地具有弹性，无法承受移植皮片的强大收缩力，最终的颅耳角角度往往明显小于健侧，甚至完全消失；二是肋软骨取材的量受到一定的限制，无法保证能够填充到与健侧一致的高度；三是对软骨块的塑形完全是凭借主观的操作，无法满足个性化的要求。我们在前期的临床实践中采用人工材料（骨水泥）较好地解决了支撑物取材的问题[7]，弥补了肋软骨块作为支撑物不够稳定和取材受限的缺陷，但仍需解决材料的个性化塑形，达到与健侧颅耳角高度、弧度等各方面形态尽可能对称的目的。

虽然已有一些学者将数字化技术应用于耳廓再造[8-10]，设计了耳廓的三维模型来指导手术，但是由于受到三维重建技术以及设备的限制，这些研究均只是以复制健侧耳廓为目的，并没有关注颅耳角这一细节结构的重建和对称性问题。近年来，随着数字化医学的发展，新的技术和设备为实现三维手术模拟创造了契机。在实际的临床操作中我们发现，颅耳角其实也是一个具有三维立体性质的结构；在PC机上引入CT数据进行三维手术模拟是实现该结构个性化立体化重建的一种有效手段。

三维建模是进行三维手术模拟的第一步，主要方法有：采用基于图像的虚拟建模技术、基于图形的建模技术，以及基于图形与图像混合的虚拟建模技术。基于图形的建模技术实质上是利用建模技术采集的离散图像或连续视频作为基础数据，经过图像处理生成真实的全景图像，然后通过合适的空间模型把全景图像组织为三维立体影像，在这个空间中可以进行前进、后退、环视、仰视、近看、远看等操作，实现全方位观察三维场景的效果[11]。采用这种建模技术，可以实现普通计算机上图形绘制的真实感。面部软、硬组织的三维图像信息获取方法有多种，目前最常用的就是CT技术[12]。本研究所采用的建模技术就是基于CT图形的建模技术。其优点有：构造的三维模型精细、逼真；模型具有可操作性，便于与虚拟实体的交互和对虚拟对象的深度信息进行直接提取，另外还可实现虚物实化，特别适合颅颌面手术的术前建模。

快速成形技术又称快速原型制造技术（Rapid Prototyping Manufacturing，RPM），出现于上世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种高新制造技术，被认为是近20年来制造领域的一个重大成果。其原理就是利用三维CAD的数据，通过快速成型机，将一层层的材料堆积成实体原型。本研究正是利用在Rapidform 2006软件中设计得到的个性化支撑物的三维数据通过Zcorp快速成型机的3D打印，获得了支撑物的实体原型。

本实验结果显示，在实施全耳再造的二期颅耳角重建时，联合应用三维建模技术和快速成型技术可以设计出个性化的颅耳角支撑物，为获得对称性良好且持久稳定的颅耳角创造了条件。

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Personalized Auriculocephalic Angle Reconstruction by Three-Dimensional Reconstruction Technology and Rapid Proto-Typing Technology

ObjectiveTo explore the feasibility of the design and manufacture of a personalized wedge by three-dimensional reconstruction technology and rapid proto-typing technology.MethodsThe head CT scan was performed on a patient with congenital microtia who was prepared for the auriculocephalic angle reconstruction.The 3D image was reconstructed by the CT data and the model of the wadge was designed.Then it was printed by the rapid proto-typing technology.ResultsA personalized EH composite wedge was acquired.ConclusionIt is realizable to design and manufacture a personalized wedge by three-dimensional reconstruction technology and rapid proto-typing technology.

Three dimensional reconstruction;Rapid proto-typing;Auriculocephalic angle reconstruction; Congenital microtia

R319

A

1673－0364（2014）01－0034－03

XU Feng,ZHANG Ruhong.
Department of Plastic and Reconstructive Surgery,Shanghai Ninth People's Hospital,Shanghai Jiaotong University School of Medicine,Shanghai 200011,China.Corresponding author:ZHANG Ruhong(E-mail:zhangruhong@163.com).

2013年11月9日；

2013年12月18日）

10.3969/j.issn.1673-0364.2014.01.010

200011上海市上海交通大学医学院附属第九人民医院整复外科。

张如鸿（E-mail：zhangruhong@163.com）。