應(yīng)用三維重建結(jié)合快速成型技術(shù)實(shí)現(xiàn)個(gè)性化顱耳角重建

許楓 張如鴻

應(yīng)用三維重建結(jié)合快速成型技術(shù)實(shí)現(xiàn)個(gè)性化顱耳角重建

許楓 張如鴻

目的探索應(yīng)用計(jì)算機(jī)三維重建結(jié)合快速成型技術(shù)，設(shè)計(jì)并制造個(gè)性化顱耳角支撐物的可行性。方法對(duì)1例擬行顱耳角重建的先天性小耳畸形患者，進(jìn)行全頭顱CT掃描，獲取CT數(shù)據(jù)，在PC機(jī)上進(jìn)行三維重建和設(shè)計(jì)，通過(guò)快速成型技術(shù)打印出實(shí)體模型。結(jié)果獲得了個(gè)性化的骨水泥顱耳角支撐物。結(jié)論應(yīng)用計(jì)算機(jī)三維重建和快速成型技術(shù)可實(shí)現(xiàn)個(gè)性化顱耳角支撐物的設(shè)計(jì)和制造。

三維重建快速成型顱耳角重建先天性小耳畸形

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)的不斷發(fā)展，人們可以將CT、MRI等獲得的人體數(shù)據(jù)，通過(guò)相關(guān)軟件在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行三維圖像的重建，為手術(shù)設(shè)計(jì)、手術(shù)定位等提供了準(zhǔn)確、直觀、科學(xué)的手段。快速成形技術(shù)（RP）是上世紀(jì)80年代末興起，并迅速發(fā)展起來(lái)的新的先進(jìn)制造技術(shù)，是由計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）模型直接驅(qū)動(dòng)的快速制造任意復(fù)雜形狀三維物理實(shí)體的技術(shù)總稱。目前，該技術(shù)已應(yīng)用于醫(yī)療器械的設(shè)計(jì)生產(chǎn)，CT掃描信息的實(shí)物化，手術(shù)模擬和人體骨關(guān)節(jié)的配制等。我們對(duì)三維重建技術(shù)和快速成型技術(shù)在耳再造手術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)行了初步探索。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

先天性右小耳畸形患者1例，男性，17歲。已完成自體肋軟骨右耳一期再造術(shù)，待行二期顱耳角重建術(shù)。

1.2 三維數(shù)據(jù)采集

采集設(shè)備：Light Speed 16層螺旋CT（美國(guó)GE公司）。

采集方法：患者行全頭顱CT掃描，球管電流250 mA，電壓120 KV，層厚0.625 mm，所得數(shù)據(jù)以DICOM 3.0格式刻盤保存。

1.3 顱耳角支撐物定制體的設(shè)計(jì)

將CT掃描所得數(shù)據(jù)以DICOM 3.0格式導(dǎo)入Mimics 10.01，在斷層圖像上分別逐層圈選乳突區(qū)骨面及一期植入軟骨支架的域值輪廓后，將圈選部分行三維表面重建，獲得患側(cè)乳突區(qū)及所植入的軟骨支架的三維數(shù)字模型。根據(jù)正常側(cè)耳外形輪廓所得鏡像，對(duì)軟骨支架進(jìn)行必要的旋轉(zhuǎn)和適當(dāng)?shù)奈灰疲乖僭斓娘B耳角與對(duì)側(cè)一致，且軟骨支架處于手術(shù)調(diào)整可及的范圍內(nèi)，將設(shè)計(jì)好的軟骨支架模型和乳突模型以STL格式保存，輸出至Rapidform 2006軟件中，在乳突表面和軟骨支架背側(cè)面分別圈選出擬與顱耳角支架相接觸的表面，將此兩面的法線方向翻轉(zhuǎn)后合并入同一對(duì)象中并構(gòu)建側(cè)壁面，封閉此幾何體，所得即為所需的定制化植入體（圖1）。

圖1 顱耳角支撐物定制體的設(shè)計(jì)Fig.1The design of the wadge

1.4 定制體的快速成型

將生成的定制體三維數(shù)字模型，以STL文件格式輸入快速打印機(jī)，可獲得顱耳角支撐物的快速成型實(shí)體模型，再根據(jù)模型制造出適用于該患者的可植入人體的骨水泥顱耳角支撐物。

2 結(jié)果

通過(guò)Mimics 10.01，在PC上完成了對(duì)該患者整個(gè)頭面部的三維圖像重建，正常側(cè)耳廓和再造耳廓形態(tài)清晰、自然連續(xù)。鏡像設(shè)計(jì)所得的顱耳角與健側(cè)相比對(duì)稱性良好（圖2）。

圖2 頭面部三維重建圖像Fig.2The digital 3D reconstruction image of head

在Rapidform 2006軟件中設(shè)計(jì)了個(gè)性化的顱耳角支撐物，通過(guò)快速成型3D打印獲得了實(shí)體模型，進(jìn)而制作出個(gè)性化的植入體（圖3）。

圖3 定制體三維數(shù)字模型和實(shí)物Fig.3The digital model and the wadge

3 討論

全耳再造是目前治療先天性小耳畸形以及部分嚴(yán)重獲得性耳廓缺失最常用的修復(fù)手段。該術(shù)式通常采用分期法實(shí)施耳廓的重建[1]。其中，第二期手術(shù)的目的為重建顱耳角，需在肋軟骨耳支架的背面填充支撐物以構(gòu)建顱耳角，維持耳廓與頭顱之間的夾角關(guān)系。目前，自體肋軟骨塊仍是該支撐物的首選材料[2-3]。

顱耳角是影響耳廓對(duì)稱性的一個(gè)重要結(jié)構(gòu)，然而該結(jié)構(gòu)的重建效果卻一直不夠理想[4-6]，主要原因有以下三點(diǎn)：一是軟骨塊本身質(zhì)地具有彈性，無(wú)法承受移植皮片的強(qiáng)大收縮力，最終的顱耳角角度往往明顯小于健側(cè)，甚至完全消失；二是肋軟骨取材的量受到一定的限制，無(wú)法保證能夠填充到與健側(cè)一致的高度；三是對(duì)軟骨塊的塑形完全是憑借主觀的操作，無(wú)法滿足個(gè)性化的要求。我們?cè)谇捌诘呐R床實(shí)踐中采用人工材料（骨水泥）較好地解決了支撐物取材的問(wèn)題[7]，彌補(bǔ)了肋軟骨塊作為支撐物不夠穩(wěn)定和取材受限的缺陷，但仍需解決材料的個(gè)性化塑形，達(dá)到與健側(cè)顱耳角高度、弧度等各方面形態(tài)盡可能對(duì)稱的目的。

雖然已有一些學(xué)者將數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于耳廓再造[8-10]，設(shè)計(jì)了耳廓的三維模型來(lái)指導(dǎo)手術(shù)，但是由于受到三維重建技術(shù)以及設(shè)備的限制，這些研究均只是以復(fù)制健側(cè)耳廓為目的，并沒(méi)有關(guān)注顱耳角這一細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)的重建和對(duì)稱性問(wèn)題。近年來(lái)，隨著數(shù)字化醫(yī)學(xué)的發(fā)展，新的技術(shù)和設(shè)備為實(shí)現(xiàn)三維手術(shù)模擬創(chuàng)造了契機(jī)。在實(shí)際的臨床操作中我們發(fā)現(xiàn)，顱耳角其實(shí)也是一個(gè)具有三維立體性質(zhì)的結(jié)構(gòu)；在PC機(jī)上引入CT數(shù)據(jù)進(jìn)行三維手術(shù)模擬是實(shí)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)個(gè)性化立體化重建的一種有效手段。

三維建模是進(jìn)行三維手術(shù)模擬的第一步，主要方法有：采用基于圖像的虛擬建模技術(shù)、基于圖形的建模技術(shù)，以及基于圖形與圖像混合的虛擬建模技術(shù)。基于圖形的建模技術(shù)實(shí)質(zhì)上是利用建模技術(shù)采集的離散圖像或連續(xù)視頻作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)圖像處理生成真實(shí)的全景圖像，然后通過(guò)合適的空間模型把全景圖像組織為三維立體影像，在這個(gè)空間中可以進(jìn)行前進(jìn)、后退、環(huán)視、仰視、近看、遠(yuǎn)看等操作，實(shí)現(xiàn)全方位觀察三維場(chǎng)景的效果[11]。采用這種建模技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)普通計(jì)算機(jī)上圖形繪制的真實(shí)感。面部軟、硬組織的三維圖像信息獲取方法有多種，目前最常用的就是CT技術(shù)[12]。本研究所采用的建模技術(shù)就是基于CT圖形的建模技術(shù)。其優(yōu)點(diǎn)有：構(gòu)造的三維模型精細(xì)、逼真；模型具有可操作性，便于與虛擬實(shí)體的交互和對(duì)虛擬對(duì)象的深度信息進(jìn)行直接提取，另外還可實(shí)現(xiàn)虛物實(shí)化，特別適合顱頜面手術(shù)的術(shù)前建模。

快速成形技術(shù)又稱快速原型制造技術(shù)（Rapid Prototyping Manufacturing，RPM），出現(xiàn)于上世紀(jì)80年代后期，是基于材料堆積法的一種高新制造技術(shù)，被認(rèn)為是近20年來(lái)制造領(lǐng)域的一個(gè)重大成果。其原理就是利用三維CAD的數(shù)據(jù)，通過(guò)快速成型機(jī)，將一層層的材料堆積成實(shí)體原型。本研究正是利用在Rapidform 2006軟件中設(shè)計(jì)得到的個(gè)性化支撐物的三維數(shù)據(jù)通過(guò)Zcorp快速成型機(jī)的3D打印，獲得了支撐物的實(shí)體原型。

本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在實(shí)施全耳再造的二期顱耳角重建時(shí)，聯(lián)合應(yīng)用三維建模技術(shù)和快速成型技術(shù)可以設(shè)計(jì)出個(gè)性化的顱耳角支撐物，為獲得對(duì)稱性良好且持久穩(wěn)定的顱耳角創(chuàng)造了條件。

[1]Brent B.Technical advances in ear reconstruction with autogenous rib cartilage grafts:personal experience with 1 200 cases[J]. Plast Reconstr Surg,1999,104(2):319-345.

[2]Nagata S.Modification of the stages in total reconstruction of the auricle:part IV.Ear elevation[J].Plast Reconstr Surg,1994,93 (2):254-266.

[3]Firmin F.Ear reconstruction in cases of typical microtia:personal experience based on microtia ear corrections[J].Scand J Plast Reconstr Surg Hand Surg,1998,32(1):35-47.

[4]Ou LF,Yan RS,Tang YW.Firm elevation of the auricle in reconstruction of microtia with a retroauricular fascial flap wrapping an autogenous cartilage wedge[J].Br J Plast Surg,2001,54(7):573-580.

[5]Tanzer RC.Microtia:A long-term follow-up of 44 reconstructed auricles[J].Plast Reconstr Surg,1978,61(2):161-166.

[6]Brent B.Auricular repair with autogenous rib cartilage grafts: Two decades of experience with 600 cases[J].Plast Reconstr Surg,1992,90(3):355-374.

[7]Zhang Q,Zhang R,Xu F,et al.Firm elevation of the reconstructed auricle with a retroauricular fascial flap wrapping an EH(a mixture of epoxide acrylate malelic and hydroxyapatite)composite wedge [J].J Plast Reconstr Aesthet Surg,2010,63(9):1452-1458.

[8]Wellisz T.The ear model:an aid for total ear reconstruction[J]. Plast Reconstr Surg,1998,82(6):1079-1080.

[9]Kelley TF,Moulton-Barrett R,Dugan FM,et al.The use of 3-dimensional model in auricular reconstruction[J].Arch Otolaryngol Head Neck Surg,1998,124(3):335-338.

[10]Park GC,Wiseman JB,Clark WD.Correction of congenital microtia using stereolithography for surgical planning[J].Plast Reconstr Surg,2000,105(4):1444-1447.

[11]劉艷,洪智風(fēng),秦建波.基于圖形圖像的三維建模技術(shù)研究[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2011(5):134-135.

[12]Cavalcanti MG,Hailer JW,Vannier MW.Three-dimensional computed tomography landmark measurement in craniofacial surgical planning:experimental validation in vitro[J].J Oral Maxillofac Surg,1999,57(6):690-694.

Personalized Auriculocephalic Angle Reconstruction by Three-Dimensional Reconstruction Technology and Rapid Proto-Typing Technology

ObjectiveTo explore the feasibility of the design and manufacture of a personalized wedge by three-dimensional reconstruction technology and rapid proto-typing technology.MethodsThe head CT scan was performed on a patient with congenital microtia who was prepared for the auriculocephalic angle reconstruction.The 3D image was reconstructed by the CT data and the model of the wadge was designed.Then it was printed by the rapid proto-typing technology.ResultsA personalized EH composite wedge was acquired.ConclusionIt is realizable to design and manufacture a personalized wedge by three-dimensional reconstruction technology and rapid proto-typing technology.

Three dimensional reconstruction;Rapid proto-typing;Auriculocephalic angle reconstruction; Congenital microtia

R319

A

1673－0364（2014）01－0034－03

XU Feng,ZHANG Ruhong.
Department of Plastic and Reconstructive Surgery,Shanghai Ninth People's Hospital,Shanghai Jiaotong University School of Medicine,Shanghai 200011,China.Corresponding author:ZHANG Ruhong(E-mail:zhangruhong@163.com).

2013年11月9日；

2013年12月18日）

10.3969/j.issn.1673-0364.2014.01.010

200011上海市上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院整復(fù)外科。

張如鴻（E-mail：zhangruhong@163.com）。