三维耳郭导板的制作及其在耳郭再造术中的应用

陈克光 傅窈窈 杨琳 戴培东 张天宇

三维耳郭导板的制作及其在耳郭再造术中的应用

陈克光 傅窈窈 杨琳 戴培东 张天宇

目的参照小耳畸形患者健侧耳郭影像数据，制作三维耳郭导板，并打印为三维实体模型，为患侧耳郭再造提供手术指导。方法应用Mimics软件对患者健侧耳郭CT数据进行分割、镜像、膨胀等处理，获得患侧耳郭和导板的三维虚拟模型，将其导入3D打印机生产三维实体模型，并应用于临床。结果成功制作出个体化仿真度较高的患侧重建耳郭和导板的三维实体模型，并应用于临床耳郭再造术，用以指导术中精细雕刻耳郭软骨支架，并协助患侧再造耳定位。结论基于Mimics软件和3D打印技术制作的耳郭和导板的数字与实体三维模型，有助于指导术中精细雕刻耳郭软骨支架和定位。

小耳畸形耳郭三维打印

小耳畸形是较为常见的出生缺陷，发病率为0.5/10 000~1/10 000[1]。目前，小耳畸形主要通过耳郭再造术进行整复。然而，耳郭的形态复杂，耳郭再造术是耳科和整形外科最富挑战性的课题之一[2]。由于移植材料的组织相容性等问题，耳郭再造常采取自体肋软骨雕刻移植。采用二维胶片法（在X光片上描绘正常耳郭的外形），对健侧耳郭的二维信息进行记录，然后以此为参照雕刻耳郭支架。但耳郭的外观是由其三维形态所决定的，单独按二维模型雕刻出一个具有理想层次感和立体感的耳郭支架并对其进行定位主要依赖于术者的经验，对术者的空间感觉、审美能力也有极高的要求。因此，制备患侧的三维耳郭和导板模型对于提高耳郭再造水平具有重要意义。

本研究运用逆向工程技术，在Mimics（Materi-alise's interactive medical image control system）软件平台上，利用三维重建技术和图形图像处理等技术，制作患侧重建耳郭和导板的三维模型，为术前预测耳郭成形效果和术中精确雕刻耳郭软骨支架并协助再造耳定位提供参照。

1 材料与方法

1.1 设备及软件

Mimics 12.3（Materialise公司，比利时），3D打印机（Quick450，西安交大）。3D打印机适用原材料为光敏树脂，打印层厚0.05～0.3 mm，精度±0.1 mm（L≤100 mm，L表示打印长度）或±0.1%（L＞100 mm），支持带有STL接口的所有三维造型软件。

1.2 CT扫描

颞骨高分辨率CT（Siemens somatom10，德国），按听眦线行颅底水平位扫描，扫描范围包括整个耳郭，层厚0.75 mm，层间距0.5 mm，电压140 KV，电流100 mAs，矩阵512×512，每层扫描13～17 sec。窗位700 HU，窗宽4 000 HU。扫描所得连续断层数据图像以DICOM格式输出，存于移动硬盘中。

1.3 数据处理及三维重建

将CT扫描获得的DICOM数据导入Mimics软件中，新建Mask，选择阈值范围为-435～330，界定软组织，提取健侧耳郭和颜面部的三维信息。作一过鸡冠顶点、枕骨大孔后缘中点、枕外隆突点的正中矢状面为镜面，将健侧耳郭和颜面部的三维信息镜像至患侧，从而获得患侧重建耳郭和颜面部的三维数据。应用“Morphology Operation”中的“Dilate”功能对患侧重建颜面部的Mask进行像素点的膨胀，得到新的颜面部Mask，再将新的颜面部Mask和患侧重建颜面部的Mask进行“Boolean”计算，并在此基础上进行旋转、切割等操作，切割时鼻部上缘以双内眦连线水平为标准，得到导板的三维信息。将导板和患侧重建耳郭进行“Merge”操作，得到所需三维数字模型，即患侧耳郭和导板的三维数字模型，最后根据所建模型的用途导出相应的格式文件。本研究中三维数字模型以STL格式导出，再将其导入3D打印机中，设置打印层厚为0.1 mm，喷头流速为10.0 m/s，喷头温度为25℃，即可生产出三维实体模型。

2 结果

本研究应用小耳畸形患者颞骨CT扫描所获得的DICOM格式图像数据，使用Mimics软件对其进行处理，建立了患侧耳郭和导板的三维数字模型（图1），将其导入3D打印机制造出三维实体模型（图2）。

图1 患侧重建耳郭和导板的三维数字模型示意图Fig.1The schematic diagram of three-dimensional digital model of a reconstructed auricle and guide plate of the affected side

图2 患侧重建耳郭和导板的三维实体模型Fig.2The three-dimensional solid model of a reconstructed auricle and guide plate of the affected side

整个制作过程耗时较短，制作三维数字模型耗时约0.5 h，制作三维实体模型耗时约4 h。将耳郭和导板的三维实体模型应用于耳郭再造术中，通过观察对比，雕刻出更接近于健侧耳郭的软骨支架，并可协助患侧再造耳定位，缩短了手术时间。

3 讨论

耳郭是人体表面形状最复杂的器官，由耳轮、对耳轮、耳屏、对耳屏、三角窝、耳甲腔、耳甲艇、耳垂等构成，且个体之间形态差异较大。耳郭畸形是影响小耳畸形患者美观的主要问题，目前主要通过耳郭再造术进行整复。随着整形技术的进步、患者对耳郭美观要求的日趋增高，二维胶片法难以满足精细整形手术的需要。近年来，随着3D打印技术的不断发展，使得快速制造3D实体模型成为可能。

Mimics软件是目前最常用的三维医学影像处理系统之一，能直接读取DICOM格式的影像数据，通过数据分割、提取等操作直接快速地生成三维数字模型，若连接3D打印机即可制造出三维实体模型。傅窈窈等[3]在Mimics软件平台上对108例单侧先天性外中耳畸形患者的CT影像数据进行研究，发现镜像处理对侧正常耳郭形态后，均可获得患侧耳郭软骨支架的三维模型。吴国锋等[4]联合采用Mimics软件和Geomagics软件，对单侧耳郭缺失患者进行了缺耳反求设计。Jiao等[5]使用CT数据重建耳缺损患者健侧外耳的三维模型，并利用该模型完成了耳赝复体的计算机辅助设计，再使用分层实体制造了纸质实体模型，最后翻制为硅橡胶赝复体，该赝复体在形态上与患者健侧外耳非常相似，并且与缺损区匹配良好。张海林等[6]应用三维测量方法构建了小耳畸形患者健侧耳郭的三维数字模型，和与之完全对称的耳郭树脂实体模型。然而，以上方法由于操作步骤繁琐冗长，不利于掌握和普及。因此，本研究采用了简洁实用的方法，利用Mimics软件对小耳畸形患者CT扫描获得的DICOM图像数据进行分割、提取、重建等操作，直接快速生成患侧耳郭和导板三维数字模型，并将其与3D打印机连接制造出三维实体模型。整个制作过程方便快捷，耗时较短。本研究中导板鼻部上缘平双内眦连线水平，有利于实体模型的定位与固定。

小耳畸形患者患侧重建耳郭和导板三维实体模型的建立，不但有助于耳郭再造术中肋软骨的精细雕刻和组装，患侧再造耳的定位，还可用于术前耳郭整形效果的预测。三维耳郭导板实体模型制作过程简单快捷，耗时少，方便掌握，利于推广。

[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]王晓军,刘志飞,乔群,等.先天性小耳畸形修复中的耳甲腔重建[J].整形再造外科杂志,2005,2(3):165-166.

[3]傅窈窈,戴培东,张天宇.计算机辅助设计在先天性中外耳畸形整复术中的应用[J].中国数字医学,2010,5(4):48-50.

[4]吴国锋,赵铱民,渠乐,等.应用层去图像法和反求工程完成单侧耳缺损修复的三维反求设计[J].中国临床康复,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]张海林,王晓军,贾懿,等.应用逆向工程技术构建三维耳郭模型[J].中国美容医学,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

复旦大学“985工程”三期项目；国家自然科学基金面上项目（编号：81070786）；教育部创新团队（编号：IRT1010）.

200031上海市复旦大学附属眼耳鼻喉科医院耳鼻喉科，卫生部听觉医学重点实验室（陈克光，傅窈窈，张天宇）；200031上海市复旦大学附属眼耳鼻喉科医院实验中心，卫生部听觉医学重点实验室（杨琳，戴培东）。

张天宇（E-mail：ztyentor@gmail.com）。