3D打印解剖模型在耳鼻喉科教学的应用

查 洋，高志强*，吕 威，潘 慧，姜英姿

(中国医学科学院 北京协和医学院 北京协和医院 1.耳鼻咽喉科； 2.教育处，北京 100730)

耳鼻喉科和颅底外科相关解剖结构复杂，形态不规则，而且是立体搭积木式的堆砌，前后左右有遮挡，解剖图谱、解剖照片等不能满足教学需求，医学生学习理解起来亦较为困难。人体解剖标本由于存放条件较高和数量受限的关系，不能满足医学生课外学习和复习的需求，而且较易损坏，不利于长期使用。近年来，随着三维(three-dimensional，3D)打印技术的发展，其在医学教学中的应用越发广泛[1-7]。因此，本研究利用三维重建技术和3D打印技术设计制作了颞骨和鼻窦的3D打印模型，同时结合CT影像图片构建复合CT影像的解剖模型，尝试为临床解剖的学习和教学提供一种新的方法。

1 方法

1.1 颞骨和鼻窦数字三维解剖模型的制作

从放射科PACS系统(picture archiving and communication systems)中选取无明显中耳乳突或鼻腔、鼻窦疾病的1例患者。将其CT影像Dicom(digital imaging and communication in medicine)元数据(东芝Aquilion ONE 320排CT，扫描层厚0.5 mm，层间距0.25 mm)导入Mimics Research 17.0软件(比利时Materialise公司)。

1.1.1 颞骨数字模型的设计：阈值分割法将300 Hu～3 000 Hu范围的数据分割并重建出三维数字解剖模型。将模型裁剪至颞骨侧颅底兴趣区大小。即上届为中颅窝底上方0.5 cm，下界至乳突尖，前界至破裂孔，内侧界为中线，后界至乙状窦后0.5 cm。

1.1.2 鼻窦数字模型的设计：与上同法将-700 Hu～3 000 Hu范围的数据分割并重建出三维数字解剖模型。将模型裁剪至鼻窦兴趣区大小，即上界为前颅窝底上方1 cm，下界为上颌窦底下方0.5 cm，后界为斜坡。

1.2 解剖兴趣层面的选择

对于颞骨模型，选择经耳道的冠状面将颞骨分为前后的两个子模型；选择经鼓膜的矢状面将颞骨分为内外的两个子模型。对于鼻窦模型，选择经筛泡的冠状面将鼻窦分为前后两个子模型。

1.3 实物模型的制作

在Mimics软件中将解剖子模型用STL+功能导出为.stl格式文件。在Cura 15.0软件(荷兰Ultimaker B.V.公司)中打开各模型的.stl文件，制作供3D打印机使用的.gcode切片文件，主要设置参数为层厚2 mm，壁厚6 mm，打印速度60 mm/s，打印温度210 ℃，打印材料为1.75 mm直径的聚乳酸(PLA)环保材料，开启结构支撑，模型打印比例设置为100%。使用弘瑞(中国HORI公司)H1型3D打印机载入gcode文件后制作3D打印模型。打印完成后去除可能存在的底座和支撑结构。

1.4 CT影像的复合

将分割子模型的兴趣层面所在的CT影像图片，调整至与3D模型匹配的大小后使用激光打印机(HP MFP M225)打印，将主要的空洞区域裁剪去除，黏贴至3D模型的断面上，构成复合了CT影像的3D打印解剖模型。

1.5 打印模型的还原度校验

选取5位工作3年以上的耳鼻喉科医生，在模型上定位和辨别各重要解剖标志，校验3D打印模型的还原度。

2 结果

成功制作了颞骨和鼻窦数字模型和3D打印模型(图1，2)。颞骨冠状位和矢状位解剖切分的子模型可以显示乳突、鼓室通道和鼓室内的结构(图1A～1D)。也可根据需要将兴趣截面调整为沿颞骨岩尖长轴的斜矢状面，用以观察颈内动脉岩骨段的走形(图1E)。颞骨解剖模型可较好地还原颞骨中颅窝、后颅窝、侧颅底和颞骨外侧的解剖标志(图1F，G)。调整CT影像图片打印大小后，可获得与模型相匹配的CT影像，与模型相贴合后可以在模型上观察该截面的CT影像及其前后各层面的解剖信息(图1H)。

经筛泡的冠状截面将鼻窦分成了前后两个子模型，主要用于观察鼻内镜手术最重要的解剖结构窦口鼻道复合体(ostiomeatal complex,OMC)，包括筛漏斗、半月裂、钩突、筛泡、中鼻甲、前组鼻窦和前组鼻窦的开口等一系列结构(图2A，B)。同一张CT影像复合至前半部分解剖模型(图2C)和后半部分模型(图2D)，可以观察筛窦和上颌窦的立体结构和向鼻道的引流方式。

5位耳鼻喉科医生观察了颞骨和鼻窦的解剖模型，对常用的解剖标志进行了辨认。所有鼻窦和侧颅底的解剖标志均能准确识别，但鼓室内的精细结构还原度有欠缺。

3 讨论

近年来，随着3D打印技术的发展，其在医学教育中的应用越发广泛。根据临床解剖重心和手术要点不同，对解剖标本的需求各异。不同的3D打印材质可制作不同的软硬度模型，总的来说，受限于影像分辨率和3D打印材质的因素，3D打印技术更适合于骨性结构或腔隙结构的展示[1-3]。

A.重建好的颞骨三维模型，矢状截面将其分为内、外两部分；B.外侧部外面观，可见颞下颌关节、颞骨鼓部、乳突等结构；C.内侧部的外面观，可见鼓膜、上鼓室、鼓室通道、茎突和茎乳孔等结构；D,E.在CURA软件中显示不同截面切分颞骨模型的效果图，1D为矢状位，1E为斜矢状位；F.3D打印标本的侧颅底区下面观，可见舌下神经管、颈内动脉管、颈静脉孔、卵圆孔等结构；G.颞骨的内侧面(后颅窝)，可观察到内听道口、前庭导水管口、颈静脉孔神经部和血管部、舌下神经管、岩下裂等结构；H.经耳道的冠状位截面获得的后部颞骨子模型，复合了冠位颞骨CT图像，可观察外、中、内耳结构、颈静脉球与鼓室的关系

图1颞骨3D打印模型的设计与制作

Fig1Designand3Dprintingoftemporalbonemodels

A.重建好的颞骨三维模型，经筛泡的冠状截面将其分为前、后两部分；B.前半部分的后面观；C,D.前、后半部分的3D打印模型，复合了CT影像;可观察中鼻甲、下鼻甲、上颌窦及其窦口、筛漏斗、半月裂、筛泡、筛泡上气房及其引流口

图2鼻窦3D打印模型的设计与制作

Fig2Designand3Dprintingofparanasalsinusesmodels

耳科临床解剖教学着重于颞骨和侧颅底的骨性解剖和面神经解剖[1,5]。鼻科临床解剖教学着重于鼻腔内的鼻甲、鼻道和鼻窦气房及其引流方式等。因此，本研究主要选择了这两个领域进行探索。根据骨性结构设计的模型具有较好的形态和色泽仿真度，可取代传统的解剖标本，并具有不易损坏、易于批量制作和可以个性化选择不同特点标本的优点。虽然本研究只选择了1例样本进行设计制作，但可同法制作更多的不同解剖特点的模型，如硬化型乳突、气化型乳突等。

其他学者的3D打印模型的设计多以整体为主，而本研究除了整体外观的解剖标志学习外，着重强调的是不同兴趣截面的选择和子模型的制作[2- 3]，器官内部的解剖是了解其结构和功能相关性的着手点。根据临床影像数据重建了颞骨和鼻窦的三维数字模型，并根据其特点选择了不同的截面制作可拆分的子模型。数字化设计和制作具有设计灵活、变化丰富的特点，可满足医学生从不同角度视角进行观察学习的需求。

截面的选择对于解剖结构的展示效果较为重要。例如，在颞骨模型拟观察乳突气化程度对乙状窦前移程度的影响，应选择经耳道中部的轴位(水平)截面。拟观察面神经的走形，则应选择经面神经水平段的斜矢状位[1]。对于鼻窦模型，冠状位是观察鼻腔结构和鼻窦气房关系和引流方式的最佳截面。若拟观察额窦引流受鼻丘气房、鼻丘上气房、筛泡气房和泡上气房的影响，则可选择经筛漏斗的矢状位截面。截面的CT影像与断面解剖的结合是理解和学习临床影像的重点。本研究将CT影像与立体模型相结合后，学习时可获得的信息远超过了单一层面的CT影像。与CT影像动态阅片相比，立体模型将三维重建和立体想象的过程予以了简化，有助于临床影像学的教学。

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