術前三維掃描及三維模擬在鼻整形術中的應用

蔣承安 李青峰 劉凱

全鼻缺損是整形外科常見的疑難病，多為幼年時動物咬傷或血管瘤等腫瘤切除術后所致，近年來由于交通事故增多等原因，外傷后的全鼻缺失也漸漸增多。外鼻是面部的中軸線，外鼻的缺失對患者外貌影響巨大，且嚴重影響患者心理健康。因此，重塑體積和外形接近正常的外鼻，對于恢復患者外貌，重塑患者自信，提升患者生活質量，是至關重要的。

鼻再造包括鼻襯里再造（鼻前庭黏膜、部分鼻腔黏膜）、鼻支架結構再造（鼻中隔軟骨、鼻外側軟骨、大翼軟骨等）及外鼻軟組織的再造（外鼻覆蓋皮膚、鼻翼、鼻小柱、鼻孔等軟組織），手術內(nèi)容復雜、要求高。因此，我們試圖通過激光掃描模擬，以輔助鼻再造的術前設計，并與術后實際效果進行對比，為臨床外鼻再造手術中外鼻體積、形狀的形成提供依據(jù)，建立系統(tǒng)性的鼻再造術前、術后評估體系。

1 材料與方法

1.1 材料

激光掃描儀：三維激光掃描儀VIVID910（柯尼卡-美能達公司）；激光掃描軟件：Polygon Editing Tool（柯尼卡-美能達公司）；三維模擬軟件：Mimics 10（Materialise 公司）、RapidForm 2006（INUS 公司）。

1.2 方法

面部掃描：掃描50例正常人外鼻，要求無偏斜，無鼻外傷或手術史，鼻部各亞單位均發(fā)育良好。符合“三停五眼”標準，即鼻長度占面部長度1/3，寬度占1/5。掃描10例鼻缺損患者全面部，了解缺損部位與周圍組織關系。 使掃描儀與患者面部呈水平位，以鼻部為中心點。啟動Polygon Editing Tool掃描程序，將激光器光束照射在患者面部進行取像。掃描器按固定的角度獲取患者面部正面、左右斜面45°的數(shù)據(jù)。分別在鼻部3個不同角度的關鍵部位進行標記（正面標記點為鼻根以及鼻尖，側面標記點為鼻翼外側角以及鼻背）。標記定點后程序自動合成完整患者面部三維圖像。

模擬適合患者的鼻外形：用Mimics軟件切去患者鼻部模塊，將掃描得到的正常人外鼻模塊與鼻缺損病人面部模塊相互結合，按照“三停五眼”標準調整大小，并進行邊緣修補 (圖1)。

測量模擬外鼻支架數(shù)據(jù)：在Mimics10下打開模擬好外鼻的模塊。利用其自帶的三維曲面測量工具，測量鼻背長度、兩眉連線與兩眼內(nèi)眥連線的中點(黃金點)到鼻尖點的長度、鼻根部寬度、鼻根起始部位寬度、鼻背中寬度、鼻背軟硬交接處的寬度、鼻小柱高度、鼻尖到鼻小柱根部的距離、鼻翼寬度，以及兩側鼻翼外側緣之間的距離 (圖2)。

評估擴張皮瓣：按照先前獲得的模擬外鼻長寬高等數(shù)據(jù)在擴張皮瓣上規(guī)劃出范圍，并測量其最寬部位以及該范圍外剩余皮瓣寬度，評估皮瓣大小是否足夠 (圖3)。

術后掃描：利用三維軟件測量術后鼻外覆蓋面積、鼻部數(shù)據(jù)，方法與前述相同。測量再造外鼻面積時，以皮瓣與面部縫合的瘢痕作為圈選的界線。

2 結果

術后3個月對患者的全面部進行掃描，測量了術后各項數(shù)據(jù)并進行統(tǒng)計分析。其中鼻翼寬度平均值為（37.78±1.52） mm（P<0.05），鼻根寬度平均值為（13.87±1.09） mm （P<0.05）， 鼻背長度平均值為（53.91±2.56） mm （P<0.05）， 鼻尖高度平均值為（26.42±1.78） mm（P<0.05），外覆蓋面積平均值為（3 161.52±260.68） mm2（P<0.05）。 比較術前模擬和術后實際鼻部的鼻翼寬、鼻根寬、鼻背長、鼻尖高、外覆蓋面積等數(shù)據(jù)，統(tǒng)計學分析顯示，術前模擬與術后實際數(shù)據(jù)無明顯統(tǒng)計學差異（圖4）。

圖1 正常外鼻與患者面部三維掃描結合效果Fig.1 The effective picture of patients'facial contour combining normal nose by 3D simulation

圖2 模擬鼻數(shù)據(jù)測量Fig.2 The measurement of nasal diamension by 3D simulation

圖3 擴張皮瓣面積測量Fig.3 The measurement of expended flap area by 3D simulation

圖4 術前模擬與術后實際鼻外覆蓋面積Fig.4 Nasal covering area pre-operation and post-operation

3 討論

鼻缺損的修復包括外鼻軟組織的再造、鼻支架結構的重建以及鼻襯里的修復，手術內(nèi)容較為復雜，且對術者技術及經(jīng)驗要求較高。鼻再造術前沒有模板，無法準確預估外覆蓋所需皮瓣面積。如皮瓣擴張面積不足，則可能造成術中再造鼻外覆蓋面積不夠或供區(qū)縫合張力過高等情況。根據(jù)Burget和Menick所提出的理論，單個亞單位缺損達50%以上即重建該亞單位，三個以上的亞單位需重建即可進行全鼻再造[1]。然而，鼻部的亞單位尤其是下1/3的亞單位面積較小，常常難以以肉眼判斷缺損是否達到全部重建的標準，使手術方案的制定缺乏客觀性。如能利用計算機輔助模擬，則可避免上述問題。

Tsutsumi等[2]最早將激光三維技術用于頭面部缺損患者的治療。他們于1997年利用計算機激光掃描技術掃描患者面部，獲得面部三維掃描數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)利用計算機三維程序進行數(shù)據(jù)處理以及構建，完成了患者面部缺損治療的設計，初步實現(xiàn)了激光三維技術應用在修復重建上的可行性。

計算機三維技術應用于面部重建修復的前提，就是術前、術后必須獲得準確的三維面部軟組織形態(tài)數(shù)據(jù)資料。目前的激光掃描法主要分為點狀激光和線狀激光。線狀激光是掃描時激光以直線投射出，線狀光束緊貼物體表面并捕捉其形狀和高低起伏，每次光束投射獲得一個截面，直到獲得物體的整體截面，并合成一個立體圖像為止。其掃描精確度較點狀激光低，但是掃描一次得到的數(shù)據(jù)點較多，速度較快，在工業(yè)設計制造中被廣泛利用。姚森等[3]于1998年研發(fā)了一種方法，在頭顱安裝支架和旋轉框，掃描時框架圍繞頭部旋轉和垂直移動。Runte等[4]在2002年曾應用非接觸式激光掃描測量方法獲取患者面部三維圖像，后利用三維平版印刷方法制作了眼眶周缺損的三維模擬模型，改進了計算機輔助制造技術。Chi-Mun等[5]于2003年首次利用了計算機輔助三維技術治療了1例全鼻缺損的患者，制作出了其外鼻修復體模型。吳國鋒等[6]利用鏡像翻轉技術完成了單側眼眶缺損的修補，焦婷等[7]完成了單側耳缺損的模型制造。

現(xiàn)今的三維掃描方法較以往更為簡便精確。我們利用安裝在固定軌道上的激光掃描儀，患者固定不動，通過橫向移動掃描儀，線狀掃描患者面部正位以及兩個45°角的數(shù)據(jù)，即可合成為一個完整的面部三維圖像。雖然現(xiàn)在的激光三維技術已有所進步，但我們發(fā)現(xiàn)掃描患者面部時仍然存在各種影響掃描完整度以及精確度的因素。因為面部不是一個簡單的平面，而是由許多起伏不定的曲面所構成。鼻部的曲面看似單一，實際上相當復雜，各亞單位本身以及各亞單位之間的凹陷起伏極多，常會影響激光光束的準確性，出現(xiàn)數(shù)據(jù)盲區(qū)。鼻部較為容易出現(xiàn)盲區(qū)的區(qū)域為雙側鼻翼外側緣與面部結合處，以及雙側鼻翼外側角、鼻小柱根部等跟面部的交會處。額部擴張皮瓣常見的盲區(qū)為擴張皮瓣與發(fā)際交接處和與眉弓之間的范圍。除了掃描時調整患者面部的位置外，可增加掃描的角度、注意掃描陰影部位、剔除掃描部位的毛發(fā)、囑咐患者掃描時減少移動等，盡量獲得較多的掃描平面，使激光光束能夠均勻地打在面部，再將多個掃描面進行結合，來獲得完整的輪廓。在了解并掌握了面部三維掃描儀器以及軟件的操作后，我們參考眾多學者總結出的鼻部美學數(shù)據(jù)，搜集正常人外鼻。

利用計算機掃描模擬患者鼻部，我們可以結合Farks等[8]提出的頭面部測量方法，即先在特定的部位設定數(shù)個測量點后，直接運用計算機自帶的軟件對頭面部的線距﹑角度﹑體積等在三維圖像上進行測量和設計，客觀并系統(tǒng)化地取得包含面部曲面的各項數(shù)據(jù)。

通過三維術前模擬，我們可以在模擬切除設計范圍內(nèi)的皮瓣后，評估剩余的擴張皮瓣是否足夠覆蓋供區(qū)，避免因供區(qū)張力過高或無法覆蓋而需額外取皮植皮增加創(chuàng)面與術后疤痕，且保證再造鼻皮瓣的來源。Sultan等[9]運用三維打印模擬外鼻，并利用鋁箔紙覆蓋于打印的外鼻上，剪裁出外鼻外覆蓋范圍，再直接覆蓋于擴張皮瓣上描繪輪廓，達到皮瓣設計的目的。我們認為，此方法雖然先進，但因打印三維模型費用較高，許多病人無法承受，臨床較難大量普及與應用。作為替代方案，我們利用模擬皮瓣的三維測量數(shù)據(jù)（鼻根寬﹑鼻中部寬﹑鼻孔寬高﹑鼻小柱長﹑鼻尖到雙側鼻翼外角長等），手動于術中精確描繪皮瓣輪廓，其術后結果令人滿意，且較為經(jīng)濟簡便，病人接受度較高，容易實際應用于臨床。設計鼻根部位皮瓣時，為保證皮瓣血運，需保留較大厚度以及寬度，故術后鼻根寬度和額鼻角角度要較模擬的數(shù)據(jù)寬大。

鼻再造手術前，應用一切可能的辦法和工具與患者交流，并針對可能的手術效果達成共識是非常重要的，可以增加患者信心，提升對手術效果的認可程度。三維掃描設計能在術前談話時幫助患者了解自身病理解剖結構、手術過程以及可能的手術結果。

利用三維面部重建分析，可以更準確了解患者的面部輪廓以及面部輪廓、面部其他器官與再造鼻的比例是否符合患者需求及面部美學。經(jīng)過三維術前設計，可為手術提供精確的相關數(shù)據(jù)，降低手術難度，提高手術效果及患者滿意度，值得臨床推廣應用。

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[5] Chi-Mun Cheah,Chee-kai Chua,Kwang-Hui Tan,et al.Integration of laser surface digtizing with CAD/CAM techniques for developing facial prostheses.Part 1:Design and fabrication of prosthesis replicas[J].Int J Prosthodont,2003,16(4):435-441.

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