基于Matlab软件的先天性外耳道狭窄CT影像特点分析

尹东明 杨琳 张天宇 戴培东



·基础研究·

基于Matlab软件的先天性外耳道狭窄CT影像特点分析

尹东明 杨琳＊张天宇 戴培东＊

目的 探讨外耳道发育不良的特征(形态、位置、长度)，比较正常与狭窄外耳道相关解剖参数的差异，为优化外耳道重建术提供依据。方法 狭窄组包括外耳道狭窄患者27例(30耳)；正常组包括健康者2例、9例单侧外耳道狭窄和25例单侧外耳道闭锁患者的正常侧(共38耳)。将所有CT图像文件导入Mimics软件，读取外耳道相关标志点的三维坐标，基于Matlab软件编制程序，计算鼓环、骨性外耳道口、软骨性外耳道内口和软骨性外耳道外口的前后径、上下径、近似面积，它们的中心点到水平面、冠状面和正中矢状面的距离；骨性外耳道内、外侧曲和软骨性外耳道内、外侧曲的半径、曲率、开角、弧长；外耳道各段的长度。结果 鼓环、骨性外耳道口、软骨性外耳道内口、软骨性外耳道外口的中心点(均在法兰克福平面的下方)到法兰克福平面的距离，均是狭窄组小于正常组(P<0.05)。狭窄组外耳道软骨段曲线长软骨性外耳道外口(10.64±2.31) mm，小于正常组的(13.05±1.66) mm(P<0.05)。狭窄组外耳道软骨段直线长软骨段曲线长软骨性外耳道外口(10.13±2.16) mm，小于正常组的(12.05±1.43) mm(P<0.05)。狭窄组外耳道总曲线长和总直线长均小于正常组(P<0.05)。骨性外耳道有2个弯曲的比例：狭窄组为46.67%，正常组为31.58%，2组之间差异无统计学意义(P>0.05)；而狭窄组中软骨性外耳道有2个弯曲的比例(53.33%)明显低于正常组(97.34%)(P<0.05)。结论 除了口径较小之外，先天性外耳道狭窄患者的外耳道与正常人相比，骨性段位置较高，形态与正常外耳道相似，软骨段的形态变得单一(只有1个弯曲)，软骨段有更大向下的倾斜度。外耳道软骨段和外耳道总长度都较短，但是骨性段的长度与正常外耳道相近。(中国眼耳鼻喉科杂志，2017，17：157-161)

外耳道；先天性外耳道狭窄；电子计算机断层扫描；Matlab软件

先天性外中耳畸形是耳鼻喉科常见的出生缺陷之一，其发病率为0.05‰～0.1‰[1]。典型表现为耳廓畸形；不同程度外耳道畸形，如外耳道狭窄或者闭锁；中耳畸形。据文献[2]报道，有11%～47%外中耳畸形合并内耳畸形。目前，先天性外中耳畸形的诊断主要依赖于临床表现和影像学辅助检查，如CT和磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)[3]。对于外耳道发育畸形的分类，国内外大多采用Altmann[4]和Weerda[5]的分类方法，即根据外耳道畸形的程度大致分为3类：外耳道狭窄(有鼓膜)、外耳道狭窄(无鼓膜，外耳道内侧为盲端)和外耳道闭锁。但是这2种分类方法都没有对狭窄外耳道的具体形态加以描述。先天性外耳道狭窄患者，由于听骨链畸形程度轻，且具有小鼓膜及部分外耳道上皮结构，通过外耳道重建术可以获得较好的远期听力效果[6]。因此，了解狭窄外耳道的相关解剖参数有重要的临床意义。本研究拟对狭窄外耳道的相关解剖参数进行研究，旨在探讨外耳道发育不良的特征(形态、位置、方位)，并比较正常与狭窄外耳道相关解剖参数的差异，为优化外耳道重建术提供依据。

1 资料与方法

1.1 一般资料 回顾分析2009年3月～2015年2月就诊的27例先天性外耳道狭窄患者的颞骨CT影像资料。采用完全随机抽取样本资料进行研究。入选标准：临床诊断为先天性外耳道狭窄；颞骨高分辨率CT检查资料完备；无中耳炎病史或者其他中耳乳突病变；无外中耳手术史。外耳道狭窄的定义：骨性外耳道前后径及上下径均<4 mm，患者可伴外耳道胆脂瘤，但是胆脂瘤若涉及鼓室，或因外伤、胆脂瘤破坏外耳道壁，其他原因致外耳道缺损等应排除在外。狭窄组共27例(30耳)，其中单侧24例、双侧3例；男性11例、女性16例；年龄4～20岁。对照组为健康者2例，9例单侧外耳道狭窄和25例单侧外耳道闭锁患者的正常侧，共36例(38耳)，排除耳科、颅脑疾病和颌面发育不良，其中男性22例、女性14例；年龄6～24岁。根据年龄再分别将正常组和狭窄组分为2组，正常组0～12岁为第1组(19耳)，13～25岁为第2组(19耳)；狭窄组0～12岁为第3组(15耳)，13～25岁为第4组(15耳)。

1.2 CT扫描 颞骨高分辨率CT(16排，西门子，德国)，按听眶下线行颅底水平位螺旋扫描，层厚0.75 mm，层间距0.5 mm，电压120 kV，电流180 mAs，矩阵512×512，扫描时间为13～17 s。窗位700 HU，窗宽4 000 HU。扫描所得连续断层数据图像以DICOM格式输出刻存于光盘中，每侧耳80～100幅图像。

1.3 读取标志点坐标 CT的DICOM图像文件包含很多信息，每个体素都有相应的空间坐标值(X，Y，Z)，这些数据即为计算对象。将图像文件导入Mimics 10.0软件(Materialise公司，比利时)，对颅底轴位、冠状位和矢状位图像逐层仔细读片，获取关键结构标志点的三维坐标。主要有眶下缘最低点、耳门最上点、鸡冠顶点和棘孔后缘中点。鼓环、骨性外耳道口、软骨性外耳道内口和软骨性外耳道外口前、后、上、下各标志点。在水平位和冠状位图像上寻找外耳道明显弯曲处，结合矢状位图像获得各弯曲处前、后、上、下点的三维坐标，外耳道弯曲处由内向外依次记作骨性外耳道曲A、骨性外耳道曲B、软骨性外耳道曲A、软骨性外耳道曲B。若骨性段只有一个弯曲记为骨性外耳道曲A，软骨段只有一个弯曲则记为软骨性外耳道曲B(图1)；因为骨性外耳道曲A和软骨性外耳道曲B的位置相对固定。

图1. 正常外耳道示意图(左侧，上面观)外耳道弯曲从内向外依次定义为骨性外耳道曲 A.骨性外耳道曲;B.软骨性外耳道曲A和软骨性外耳道曲B

1.4 Matlab编程和计算 根据空间解析几何原理在Matlab平台上编制外耳道形态计算程序(ear canal calculation)。首先设定标准空间坐标系，法兰克福平面(过左右耳门的最上点与左侧眶下缘最低点)为水平面；过颅前窝鸡冠和左右棘孔之中点且与法兰克福平面垂直的平面为正中矢状面；过左右棘孔之中点且与法兰克福平面和正中矢状面垂直的平面为冠状面。坐标系方向：X轴为内外方向；Y轴为前后方向；Z轴为上下方向。

利用鼓环前、后、上、下4点的三维坐标可以计算出鼓环的前后径(鼓环前后点的距离)、上下径(鼓环上下点距离)、近似面积(按椭圆面积计算)，鼓环的中心点(鼓环的前后径与上下径的交点)到水平面、冠状面和正中矢状面的距离。同理可以计算出骨性外耳道口，软骨性外耳道内口和软骨性外耳道外口的前后径、上下径、近似面积，它们的中心点到水平面、冠状面和正中矢状面的距离。

取鼓环和骨性外耳道曲A中心点连线的中点，骨性外耳道曲A中心点，骨性外耳道曲A和曲B(若无曲B，用软骨性外耳道内口代替)中心点连线的中点，三点作一圆弧，此圆弧的半径、曲率、开角、弧长记为骨性外耳道曲A的半径、曲率、开角、弧长。同样，可以计算出骨性外耳道曲B、软骨性外耳道曲A、软骨性外耳道曲B的半径、曲率、开角、弧长。

外耳道骨性段曲线长是将骨性段各曲的弧长相加，按相同的方法可以计算出外耳道软骨段曲线长和外耳道总曲线长。鼓环的中心点到软骨性外耳道内口中心点的距离代表外耳道骨性段直线长，软骨性外耳道内口中心点到软骨性外耳道外口中心点的距离为外耳道软骨段直线长，两者相加就是外耳道总直线长。

1.5 统计学处理 应用SPSS 20 (IBM公司, 美国)进行统计分析，计量资料2组之间比较采用t检验，多组之间比较采用单因素方差分析或秩和检验，分类资料2组之间比较采用卡方检验。P<0.05表示差异具有统计学意义。

图2. 正常与狭窄外耳道的CT图像 A. 正常左侧外耳道(冠状位)及骨性外耳道曲A；B. 正常左侧外耳道(水平位)及骨性外耳道曲B，软骨性外耳道曲A和软骨性外耳道曲B；C. 狭窄外耳道(左侧，冠状位)；D. 狭窄外耳道(左侧，水平位)，可以明显看到其软骨段较短且比正常的弯曲度小

2 结果

鼓环、骨性外耳道口、软骨性外耳道内口和软骨性外耳道外口的前后径、上下径、近似面积，均是狭窄组小于正常组(P<0.05)。鼓环、骨性外耳道口、软骨性外耳道内口的中心点到法兰克福平面的距离，均是狭窄组小于正常组(P<0.05)。软骨性外耳道外口中心点到法兰克福平面的距离，2组间没有差别(P>0.05)(表1)。同样，鼓环、骨性外耳道口、软骨性外耳道内口的中心点到法兰克福平面的距离，第3组小于第1组，第4组小于第2组(P<0.05)。而软骨性外耳道外口中心点到法兰克福平面的距离在正常组和狭窄组、第1组和第3组、第2组和第4组间都没有明显差别(P>0.05)(表1)。

狭窄组软骨性外耳道外口中心点到正中矢状面的距离为(62.27±4.07) mm，小于正常组的(64.40±4.27)mm(P<0.05)(表2)。

表1 外耳道4个口到法兰克福平面的距离

注：a,b,c,d示该组与第1、2、3、4组比较差异有统计学意义(P<0.05)；e示正常组与狭窄组之间差异有统计学意义(P<0.05)

表2 外耳道4个口到正中矢状面的距离

注：a,b,c,d示该组与第1、2、3、4组比较差异有统计学意义(P<0.05)；e示正常组与狭窄组之间差异有统计学意义(P<0.05)

狭窄组外耳道软骨段曲线长小于正常组，第3组小于第1组，第4组小于第2组(P<0.05)。狭窄组外耳道软骨段直线长小于正常组，第3组小于第1组，第4组小于第2组(P<0.05)。相似的，狭窄组外耳道总曲线长和总直线长都小于正常组，第3组小于第1组(P<0.05)。但是外耳道骨性段曲线长和直线长在正常组和狭窄组、第1组和第3组、第2组和第4组间都没有明显区别(P>0.05)(表3)。

有骨性外耳道曲B的比例：狭窄组为46.67%(14/30)，正常组为31.58%(12/38)，差异无统计学意义(P>0.05)。而狭窄组(53.33%，16/30)中有软骨性外耳道曲A的比例明显低于正常组(97.34%，37/38)，差异有统计学意义(P<0.05)。

狭窄组的骨性外耳道曲A、B和软骨性外耳道曲A、B的半径、曲率、开角、弧长和正常组相比，差异无统计学意义(P>0.05)。

表3 外耳道的长度

注：a,b,c,d示该组与第1、2、3、4组比较差异有统计学意义(P<0.05)；e示正常组与狭窄组之间差异有统计学意义(P<0.05)

3 讨论

外耳道对人类听觉有着重要的作用，它可以分成2个部分，外侧1/3为软骨段，内侧2/3为骨性段。外耳道狭窄是先天性外中耳畸形的典型体征之一。目前，有一些研究利用CT影像和三维重建技术对正常外耳道的长度、口径、体积、倾斜角度等解剖学参数进行测量[7-9]。然而，对狭窄外耳道形态的研究却鲜有报道。我们将通过先天性外耳道狭窄患者和正常人外耳道的CT资料和Matlab程序，对狭窄外耳道的相关解剖学参数进行研究，旨在探讨外耳道发育不良的特征(形态、位置、长度)，并比较正常与狭窄外耳道相关解剖学参数的差异。

为了减少生长发育因素对结果的影响，正常组和狭窄组的年龄分布差异无统计学意义。此外，以12岁为界，将正常组和狭窄组分别分成2组，并命名为第1组(正常组0～12岁)、第2组(正常组13～25岁)、第3组(狭窄组0～12岁)、第4组(狭窄组13～25岁)。

本实验中狭窄组鼓环、骨性外耳道口、软骨性外耳道内口的中心点到法兰克福平面的距离均小于正常组，第3组小于第1组，第4组小于第2组(P<0.05)。这说明先天性外耳道狭窄患者的外耳道骨性段的位置较正常人高，并且与年龄无关。Matlab程序计算结果显示，外耳道基本都是在法兰克福平面的下方，因此到法兰克福平面的距离越近，意味着位置越高。然而，软骨性外耳道外口中心点到法兰克福平面的距离在正常组和狭窄组、第1组和第3组、第2组和第4组之间没有明显差别(P>0.05)，并且狭窄组的外耳道骨性段位置较高，说明狭窄组外耳道软骨段相比正常组，有着更大向下的倾斜度。

狭窄组软骨性外耳道外口中心点到正中矢状面的距离小于正常组(P<0.05)，这与狭窄组外耳道长度小于正常组相符。Yu等[8]通过CT资料三维重建，对不同性别、年龄正常人的外耳形态进行测量。他们测量的外耳道长度为22.6～27.1 mm，测量方法与本研究中外耳道直线长度的计算方法相似，并且本研究中正常人外耳道直线长度也在此范围内，但是第3组的数据超出了这一范围。这是由于狭窄组与正常组在外耳道长度方面存在差异，并且无论是直线长度还是曲线长度，外耳道总长度均是狭窄组小于正常组。值得注意的是，外耳道软骨段长度在正常组和狭窄组之间有差异，但外耳道骨性段的长度差异却无统计学意义，分年龄组比较时结果相似。另外，在有骨性外耳道曲B的比例上，2组之间也无明显差别；但是，狭窄组有软骨性外耳道曲A的比例明显低于正常组。再加上狭窄组骨性外耳道曲A、B和软骨性外耳道曲A、B的半径、曲率、开角、弧长和正常组相比，差异没有统计学意义(P>0.05)。我们认为，先天性外耳道狭窄患者外耳道骨性段的形态与正常外耳道骨性段相似，仅在口径和位于颅底的位置存在差异，而狭窄外耳道软骨段与正常外耳道软骨段相比，不仅形态变得单一(只有1个弯曲)，而且在长度和倾斜度上也有不同程度的变化，并且这些差异在不同年龄组中也是存在的。因此，在畸形程度上外耳道软骨段是大于骨性段的。

第1组和第2组在某些解剖参数上存在差异，这是个体生长发育的结果，并且这些差异同样存在于第3组和第4组之间。例如，无论是正常人还是先天性外耳道狭窄患者，0～12岁组的外耳道骨性段曲线长都是小于13～25岁组的(P<0.05)。这说明狭窄组外耳道形态在某些方面的生长发育趋势与正常组是相同的。

先天性外耳道狭窄患者可以通过外耳道重建术获得较好的远期听力效果。手术中为了扩大外耳道需要磨除部分外耳道骨性段的骨质[10]，由于先天性外耳道狭窄患者的外耳道骨性段位置较高，在磨除外耳道上方的骨质时要格外小心，以免进入乳突气房。

先天性外耳道狭窄被Cole等[11]定义为外耳道直径<4 mm。之所以选择4 mm作为外耳道狭窄判定的一个标准，是因为当>4 mm时，患者很少继发胆脂瘤[11]。若外耳道上皮不能正常排出，并不断堆积会形成外耳道胆脂瘤。其中外耳道的口径是一个至关重要的因素。但是根据我们的研究结果，狭窄与正常的外耳道之间不仅仅是口径上的区别，在形态、长度、位置、倾斜度等方面都存在不同程度的差异；这种差异是否也影响到外耳道上皮向外移行，导致先天性外耳道狭窄患者易患外耳道胆脂瘤，需要进一步的研究。

除了口径较小之外，先天性外耳道狭窄患者的外耳道与正常人相比，其骨性段位置较高，骨性段的形态与正常外耳道相似，软骨段的形态变得单一(只有1个弯曲)，软骨段有更大向下的倾斜度。外耳道软骨段和外耳道总长度都较短，但是骨性段的长度与正常外耳道相近。这些狭窄外耳道的解剖参数可以为优化外耳道重建术提供依据。

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[11] Cole RR, Jahrsdoerfer RA. The risk of cholesteatoma in congenital aural stenosis[J]. Laryngoscope,1990,100(6):576-578.

(本文编辑 杨美琴)

试题1.答案：C。据文献报道，角膜内皮滴状赘疣(guttata)不仅见于Fuchs角膜营养不良，还可见于斑状角膜营养不良、后部多形性角膜营养不良和梅毒性基质炎等。

试题2.答案：B。 T4型是引起棘阿米巴角膜炎的最常见基因型。

试题3.答案：D。 格子样角膜营养不良在共聚焦显微镜下表现为角膜前弹力层及浅基质不规则高反光点片状沉积物，部分患者可见粗大、不均匀条索状高反光沉积物，对应于格子样病灶区。不规则排列的松针样高反光沉积物是施奈德角膜营养不良的典型表现。

试题4.答案：C。 淋球菌性结膜炎表现为大量脓性分泌物，12～24 h内超急性发作，可及耳前淋巴结肿大，睑结膜乳头增生。此为与病毒性结膜炎的鉴别要点。

试题5.答案：A。 垂体瘤是常见的后部压迫性视神经病变，后部病灶位于球后视神经远端，不会导致视盘水肿；而视神经胶质瘤、眼眶非特异性炎症和甲状腺相关眼病均是导致前部压迫性视神经病变，可导致视盘水肿。

CT imaging features of congenital external auditory canal stenosis based on Matlab software

YINDong-ming,YANGLin＊,ZHANGTian-yu,DAIPei-dong＊.
DepartmentofOtorhinolaryngology,EyeEarNoseandThroatHospitalofFudanUniversity,Shanghai200031,China

DAI Pei-dong, Email: daipeidongent@163.com

Objective To investigate the characteristics of congenital aural stenosis (CAS) patients’ external auditory canal (EAC) (shape, position, length, orientation) and to compare them with normal EAC. Methods The study included two groups. The stenosis group covered 27 patients (30 ears) with CAS; the normal group composed of 2 healthy people and the normal sides of 9 cases with lateral CAS and 25 cases with lateral external auditory atresia (totally 38 ears). All CT images were imported into Mimics software. The coordinates of EAC-related landmarks were obtained. Then the Matlab program could calculate some anatomic parameters about EAC, including distances from central point of tympanic annulus (CA), central point of osseous EAC opening (CO), central point of cartilaginous EAC inside opening (CCi), central point of cartilaginous EAC outside opening (CCo) to the Frankfurt horizontal plane (Pfrkt), the median sagittal plane (Psag), the coronal plane (Pcor); radius, curvature, angle, arc length of EAC bendings; orientations of EAC bendings; straight and arc lengths of EAC.Results Distances from CA, CO, CCi and CCo to Pfrkt were all shorter in CAS group than in the control group (P<0.05). The arc and straight lengths of cartilaginous EAC in CAS group [(10.64±2.31) cm, (10.13±2.16) cm]were shorter than in the control group [(13.05±1.66) mm, (12.05±1.43) mm] (P<0.05). The total arc and straight lengths of EAC were shorter in CAS group than those in the control group (P<0.05). The proportion of two bendings in cartilaginous EAC in the control group was significantly lower than that in CAS group (P<0.05). Orientations of EAC bendings in CAS group differed from those in the control group (P<0.05). Conclusions Addition to smaller diameters, compared with normal EAC, the position of CAS patients′ osseous EAC was higher. There was one bending in the CAS patients′ cartilaginous EAC, but the cartilaginous EAC was more downward slanting. The total lengths of EAC and the length of cartilaginous EAC in CAS group were shorter than those in the control group, but there was no significant difference between CAS patients and normal people in osseous length of EAC. (Chin J Ophthalmol and Otorhinolaryngol,2017,17:157-161)

External auditory canal; Congenital auditory canal stenosis; Computed tomography; Matlab software

复旦大学附属眼耳鼻喉科医院耳鼻喉科 耳鼻喉科研究院 卫生部听觉医学重点实验室＊实验中心 上海 200031

戴培东(Email：daipeidongent@163.com)

10.14166/j.issn.1671-2420.2017.03.003

2016-10-10)