三维扫描技术在整形外科中的临床应用研究进展

陈祎，熊猛

(东南大学 医学院，江苏 南京 210009)

·综 述·

三维扫描技术在整形外科中的临床应用研究进展

陈祎，熊猛

(东南大学 医学院，江苏 南京 210009)

三维扫描技术应用于临床已有20多年历史，随着三维扫描技术的不断改进，其精确度显著提高、操作愈简便，这使得近年三维扫描技术在整形外科专业中应用越来越广泛，作者拟对三维扫描在整形外科专业中的临床应用研究进展进行综述。

三维扫描技术； 整形外科； 临床应用; 文献综述

三维扫描技术是集合了光、电及计算机技术于一体的新技术，其主要通过光、射线获取物体外表面的空间坐标，将物体的空间信息转换为计算机可识别的数字信号，具有高速度、高精度等优点。近年来三维扫描技术广泛应用于众多领域，如服装制作、塑料部件、金属铸件和锻造、口腔牙齿及畸齿矫正、整形及器官再造等。整形外科治疗范围涉及体表皮肤、肌肉及骨骼等，对人体的形态学测量需求很高，传统的接触式测量方法速度慢、精度低，而三维扫描技术完成了测量方式的变革，克服了传统测量方法的缺点，具有非接触、速度快、操作简便等优点，在临床应用上取得了良好的效果。通过对国内外文献的分析，总结了当前三维扫描技术在整形外科的临床应用，具体综述如下。

1 三维扫描技术

三维扫描技术根据扫描方式分为接触式和非接触式。接触式扫描是通过实际触碰物体表面的方式计算深度(深度指的是物体表面突出部分至凹陷部分的厚度，工科上用深度表示)，但其在扫描过程中必须接触物体，可能造成组织损伤，故应用范围较小。非接触扫描方式是通过光、射线等对物体进行扫描，根据扫描原理可分为激光扫描技术、结构光扫描技术、立体摄影测量技术、光栅投影技术、计算机体层摄影技术(computed tomography，CT)等[1]。其中激光扫描技术、结构光(可见光)扫描技术及CT在整形外科均有应用。CT扫描技术是通过射线对人体进行扫描，对人体有辐射、可重复性较差，不适合整形外科常规使用。而激光扫描技术及结构光扫描技术因其对人体无辐射，且具有非接触、被测物无形变、重复性好、测量精度高等特点，更适用于整形外科人体形态的建模及三维数据测量。

2 三维扫描技术在面部整形中的应用

2.1 面部三维数据库的建立

容貌美是人体美最主要的组成部分，这也是整形美容外科医生关注的最重要的部分之一。人们欣赏人的容貌，通常是对面部软组织进行评估，因此，通过对面部软组织形态的测量，以对面部轮廓和面部器官进行评价是国内外学者多年来一直研究的方向[2]。三维图像技术改变以往手工测量的方式，更精确且非接触。面部三维数据最大的优势在于能够获取面部显示的三维空间结构描述，克服传统二维数据易受光照、视图影响的缺点[3-4]。多个学者研究发现,东亚黄色人种面部特征与白种人有显著差异[5-6]。尽管如此，西方人的面部标准还是常常被用于亚洲人的面部分析，我们缺乏中国人自己的面部特征指标。齐向东[7]采用三维激光全息扫描仪采集当地标准人群的三维面部数据，随机抽取青年学生、干部、职员或者工人，从500人的照片中筛选出60名(男∶女=1∶1)符合大众审美观点的研究对象进行三维扫描，获得的图像拼接为头面部的三维数字模型，并建立了中国女性区域性面部三维数据库。面部对称性也是构成面部美学标准的一个重要因素。Jayaratne等[8]利用立体三维摄影技术获取了103名18～35岁中国人的三维照片，测量了这组人群的鼻部形态参数，将结果与既定的白人鼻部标准分析对比后，认为中国人鼻宽、鼻尖角、鼻额角及鼻翼坡度数值高于白人。因此，中国人的面部三维数据库的建立有助于帮助整形美容外科医生为患者量身订制手术设计方案，满足患者的心理需求，同时也增进了医生与患者之间的交流。

2.2 眼眶部整形

对于面部先天畸形或是后天创伤缺损的患者，医生关注的常常是面部的完整性、对称性。三维扫描技术可以模拟患者需要修复整形的部位，在术前进行手术模拟、设计，提高手术成功率及患者满意度。Gellrich等[9]以CT三维数据进行眼眶部的三维重建，利用所得数据制作了一个树脂的赝复体眼球，帮助患者进行单侧眼眶缺损的修补。吴国锋等[10]也同样用CT三维数据进行了1例单侧眼眶缺损病人的治疗。毕云鹏等[11]利用结构光三维扫描仪结合三维成像软件对1名单侧眶部缺损患者进行三维重建，并对健侧眼部进行三维测量，获得了眼眶部各个标志点、线的测量数据。因此，正常眼部的三维数字化模型能够为单侧眼眶缺损的患者治疗提供重要的参考，并为眼部赝复体的制作提供精确的测量数据。

2.3 鼻部整形

外鼻术前参数的精确测量对于隆鼻术后的效果评估至关重要。吴丹雯[12]利用CT三维重建鼻部结构及立体三维照片分析了110名中国女性的鼻部特征，获得女性外鼻的20个指标，并在临床的鼻整形手术中验证了这些指标，取得良好的临床效果。蒋承安等[13]利用激光扫描技术辅助鼻再造的术前设计，对额部皮瓣进行表面积扫描测量并进行形态设计，使皮瓣转移后能重建具有较好的外鼻部结构，并与实际术后形态进行对比，效果满意。Szychta等[14]采用新型的光学扫描仪对54例隆鼻求美者进行术前和术后6个月的扫描，比较了术前术后鼻的比例、角度等和空间参数，其结果差异有统计学意义，术后鼻部三维数据更接近美学标准。总之，三维扫描技术可以作为一种工具，术前可设计鼻再造的皮瓣大小形状或者获取隆鼻前的外鼻空间参数，术后可评估隆鼻的效果并获取鼻部形状的空间变化数据。

2.4 耳部整形

耳是面部器官中结构最复杂、精细结构最多的器官，传统的手工测量无法获得精确的耳结构数据。三维扫描技术提供了这样一个契机，它可以快速、高精度获取患者健侧耳廓的精细结构空间数据，为术前术中提供重要参考。张海林等[15]利用三维扫描技术对单侧小耳畸形患者的健侧耳进行扫描，获得的点云数据导入计算机三维软件后进行三维建模，并通过镜像获得患侧耳廓外形，辅助三维打印技术获取三维耳廓模型，为手术中耳廓支架的雕刻和赝复体制作提供了更加精确的指导。燕静杰等[16]应用三维激光扫描技术对先天性小耳畸形患者的再造耳廓及正常耳廓进行扫描、处理、建立数字化三维耳廓模型，在此基础上测量再造耳廓和正常耳廓的长度和宽度，研究患者再造耳廓及正常耳廓生长情况，为临床选择适合的手术年龄及合适大小的耳廓支架提供科学依据。因此，除了提供精确的耳廓三维模型外，三维扫描技术还可以为医师的手术和赝复体的制作提供更为精确的指导，同时成为术后再造耳形态、结构的远期评估手段。

2.5 唇部整形

唇裂治疗效果的评价一直是唇裂研究的热点，但对其具体的评价方法、标准和体系却没有定论。余乔立等[17]对18例单侧唇裂患儿在术前使用结构光三维扫描仪获取面部三维数据，在计算机中重建面部三维图像并进行定点测量。术中对相同的面部标志点进行直接测量,将三维扫描测量与直接测量结果进行比较，两种方法测得的指标均具有高度准确性，其结果之间差异无统计学意义。单侧完全性唇裂的患儿常伴有鼻畸形，利用三维扫描技术可以同时对这两部分进行测量评估。王涛等[18]对临床72例单侧完全性唇裂患者根据有无同期进行鼻整形联合硅橡胶鼻模矫形进行分组，利用可见光三维扫描仪对每组患儿采集鼻部形态数据，结果表明在鼻翼长度、鼻基部长度、鼻孔高度等方面的改善程度上实验组明显优于对照组。因此与传统方法相比，三维扫描技术测量获得的数据更精确、高效且重复性好，是唇裂手术前后对照研究及颌面部畸形形态学研究的最有前景的方法，并可以建立评价单侧唇裂修复术后效果的新的评估体系。

3 三维扫描技术在乳房整形中的应用

3.1 乳房三维形态测量方法

乳房整形美容手术必然牵涉到乳房术前及术后三维形态的变化，乳房三维形态的评估及测量也一直是整形美容外科医师关注的热点。目前已被报道的乳房体积形态测量方法共有9种，可以根据其测量原理分为3类：影像法，包括磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)、超声和CT测量；自然法，包括三维建模、排水体积法和胸模法；几何法，包括Grossman-Roudner、人体测量计算和X线摄片[19]。这几种测量方法中MRI和三维建模(三维扫描后计算机进行三维重建)的方法准确度最高，且对人体无不良作用。但这两种方法也各有利弊，三维扫描重建乳房形态的精确度比MRI更高且乳房处于自然状态被测量，但MRI可以进行软组织显影，显示乳房中的乳腺、脂肪，并能反映乳房的疾病。Kovacs等[20]比较了MRI和激光三维扫描的方法测量乳房体积，结果显示:激光三维扫描成像技术在表现乳房形状和测量乳房体积方面效果较好，而MRI由于其在分辨软组织类型上的优势，在了解乳腺发育情况方面表现出色。Kovacs等[21]还比较了激光三维扫描技术与传统手工测量方法获得的乳房表面形态数据，结果显示三维测量数据更加精确、变异性更小、重复性好。在利用三维扫描技术进行乳房形态测量中，要注意乳房在胸廓表面测量时乳房体积会受到呼吸运动时胸廓起伏的影响。刘春军等[22]通过三维扫描技术分别测量了自然呼气末、自然吸气末和平静呼吸不同呼吸状态下乳房的体积，使用计算机软件测量每两组间的乳房体积变化和三维偏差，结果显示两次扫描中呼吸状态不一致，乳房体积测量偏差将超过20 ml，一致的情况下小于10 ml。因此，每次扫描时保持乳房呼吸状态的一致性，对于准确测量乳房体积变化具有重要意义。

3.2 乳房整形及重建

在乳房整形手术中双侧乳房的对称度具有重要意义，关系到术前医师如何选择手术方案、术后效果评估、患者满意度等，同时也是评价乳房美学形态的一个重要指标。刘春军等[23]对167例隆乳术患者进行术前乳房三维扫描，使用计算机软件分析乳房三维模型，测量两侧乳头水平、下皱襞水平、乳房宽度和凸度、乳房体积等差异，建立使用三维扫描技术进行乳房三维测量和对称性评估的标准化方法，可以全面而客观地评估乳房的对称性。在乳房重建手术中，应用三维扫描进行乳房手术前的模拟、患侧重建等可以提高患者的满意度。Garson等[24-25]将光学三维扫描技术辅助逆向工程进行乳房三维数字化模型重建、仿真手术模拟、制作乳房实体模型，实现了乳房重建手术的个性化、量化的手术方案设计，术后乳房整形美容效果满意。除了术前的评估，乳房术后的动态变化也是整形外科医师关注的重要方面，传统方法评估很难准确比较患者乳房的空间形态变化，三维扫描则可以精确比较乳房随时间的空间动态变化。Ji等[26]对13名接受双平面隆乳的患者进行术前及术后1、3、6个月的随访扫描，利用三维扫描技术及辅助计算机三维软件对各个时间点乳房三维模型的投影、乳头位置、乳房体积和乳房表面积进行测定，发现隆乳术后6个月左右乳房轮廓基本平稳，双平面隆乳法可以优化胸型尤其是乳房下级。Choi等[27]利用三维扫描成像技术辅助计算机行自体脂肪隆乳术后体积测量，并且进行长期随访，对自体脂肪注射后的体积存留情况进行评估，结果显示注射量越大，注射脂肪存留体积愈多。因此三维扫描技术提供了一个客观量化的方法来评估假体隆乳或是自体脂肪隆乳术在一段时间后的乳房三维形态的变化，为临床工作提供客观理论依据，并且可以指导临床医师在进行乳房重建时选择合适的假体或自体组织。

4 三维扫描技术在整形外科其他方面的应用

在整形外科中进行创面修复时，因组织量不足常需要扩张局部软组织获取足够的组织，临床上皮肤软组织缺损面积借助粗略的手工测量，而皮肤扩张器置入的部位、注水量等则取决于临床医师的经验，缺乏准确的量化标准。张辉[28]应用自行开发的皮肤扩张术计算机软件辅助立体摄影技术对临床病例的扩张部位进行三维数据采集与处理，估算缺损面积，决定植入扩张器的大小、形状和安放位置，辅助手术设计，术后效果满意，并将结果与手工测量计算进行比较，发现二者结果误差小于5%，这种方法为皮肤扩张术扩张皮瓣移转的时机选择、切口设计、结果预测等提供了参考依据。在人体各部使用扩张器植入术时如乳房重建、鼻再造、肢体瘢痕修复等，应用三维测量技术可提高手术前设计的科学性和准确性，并可以动态测量注水量与皮肤扩张面积的关系[29-30]。

5 三维扫描技术在整形外科中的展望

随着各种先进的三维扫描仪器的更新换代及辅助软件的开发，三维扫描技术应用也越来越广泛，越来越为临床医生及患者所接受。目前三维扫描技术在整形外科的主要应用有以下几个方面：(1) 获取并建立区域人群形体外貌的标准化三维数据库。(2) 用于患者的术前评估及术前的个性化订制手术方案设计，并进行术前模拟。(3) 获得高精度的三维数据，辅助计算机软件及逆向工程进行三维模型的打印，为手术提供更加精确的指导。(4) 术后与术前的效果评价，并可进行长期随访获取动态三维数据资料，为临床工作提供更多的科学依据。三维扫描技术有望代替二维摄影技术成为整形美容外科的常规评估手段，为患者提供个性化的设计方案，为人体器官再造提供更加准确的指导，有助于提高医患沟通的效率、满意度，增进医患之间的信任等。

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2015-03-12

2015-04-13

陈祎(1990-)，女，江苏宿迁人，在读硕士研究生。E-mail:seuchenyi1990@126.com

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R62; R814.42

A

1671-6264(2015)04-0670-04

10.3969/j.issn.1671-6264.2015.04．039