3-D打印技術(shù)在個體化耳廓重建中的應(yīng)用

唐玲 田廣永 胡力達(dá) 楊靜雅 張珊珊 羅恒

南方醫(yī)科大學(xué)第三附屬醫(yī)院耳鼻咽喉頭頸外科（廣州510630）

·技術(shù)與方法·

3-D打印技術(shù)在個體化耳廓重建中的應(yīng)用

唐玲 田廣永 胡力達(dá) 楊靜雅 張珊珊 羅恒

南方醫(yī)科大學(xué)第三附屬醫(yī)院耳鼻咽喉頭頸外科（廣州510630）

目的探討3D打印技術(shù)在個體化耳廓重建中的應(yīng)用。方法通過高分辨率CT獲取小耳畸形患者的顳骨斷層圖像，用mimics軟件鏡像重建患側(cè)耳結(jié)構(gòu)，用3-matic軟件設(shè)計出3-D耳模，利用熔融沉積成型（FDM）技術(shù)和硅膠復(fù)模技術(shù)鑄造出鏡像耳硅膠耳廓模型與3-D硅膠耳模，前者用于患側(cè)耳耳廓雕刻的模板，后者用于輔助耳甲腔、耳甲艇、三角窩、耳屏、對耳屏等耳廓亞結(jié)構(gòu)的雕刻及顱耳角角度的維持。對比耳廓重建前后耳廓的大小、形態(tài)及耳廓表面解剖結(jié)構(gòu)。結(jié)果再造耳顱耳角適中，耳廓解剖亞結(jié)構(gòu)清晰,重建的耳廓形態(tài)逼真。結(jié)論3-D打印技術(shù)的應(yīng)用能優(yōu)化個體化耳廓再造，為耳廓重建提供一種新的方法。

3-D耳模；小耳畸形；個體化；耳廓重建

外耳是由一個彈性軟骨支架和覆蓋的皮膚及其附屬物組成的三維解剖結(jié)構(gòu)，位于審美區(qū)且解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，耳廓的重建被認(rèn)為非常棘手[1]。我國1996-2007年小耳畸形的發(fā)病率為3.06‰，其中單側(cè)小耳畸形的發(fā)病率為2.25‰，雙側(cè)小耳畸形的發(fā)病率為0.81‰[2]。小耳畸形耳廓再造時耳支架的精確定位與細(xì)節(jié)性雕刻包括顱耳角的維持一直是耳整形手術(shù)中的難點，目前主要通過目測法、蘇式定位法及制作導(dǎo)板定位等方法對耳廓表面各解剖亞結(jié)構(gòu)進(jìn)行定位，輔助耳支架的精確定位與雕刻[3-7],近年來，利用3-D打印技術(shù)和硅膠復(fù)模方式作為填塞外耳道的方式也逐漸被應(yīng)用于外耳道成形術(shù)中[8]，而應(yīng)用在小耳畸形耳廓重建手術(shù)方面的研究則甚少，國內(nèi)外都鮮有報道。本研究旨在根據(jù)健側(cè)耳廓的形態(tài)，利用mimics軟件、3-matic軟件、FDM技術(shù)和硅膠復(fù)模技術(shù)制作3-D硅膠耳模，輔助小耳畸形耳廓再造時耳支架的精確定位與細(xì)節(jié)性雕刻，以滿足小耳畸形患者耳整形的個體化需求。

1 材料與方法

1.1耳廓的CT掃描和數(shù)字化模型的建立

1.1.1術(shù)前一般情況

德國學(xué)者M(jìn)AX1926年提出了著名的MAX分型，本研究將各類型的小耳畸形患者作為納入標(biāo)準(zhǔn)，本文采用的兩例小耳畸形患者均為耳垂型的小耳畸形患者，一例為右側(cè)小耳畸形患者，另一例為雙側(cè)小耳畸形（右耳已完成耳廓重建術(shù)后）的患者，符合納入標(biāo)準(zhǔn)。本研究采取第一期皮膚軟組織擴(kuò)張局部皮瓣的方式，再行二期手術(shù)完成耳廓再造。

1.1.2 CT掃描

采用64排螺旋CT分別對2例單側(cè)小耳畸形患者進(jìn)行顳骨薄層掃描，掃描層厚1mm，重建層厚0.5mm，層間距0.1mm，并以DICOM格式存儲。此例為右側(cè)小耳畸形患者的CT圖像（如圖1），CT圖像的處理主要利用Materialise的mimics15.0軟件來實現(xiàn)。

圖1 小耳畸形患者CT圖像（左耳為正常耳；右耳為皮膚軟組織擴(kuò)張后的患側(cè)耳）Fig.1 CT image ofmicrotia patient（the leftear is the normal ear,the rightearistheaffectedearafterthesurgeryofskinsofttissueexpansion）

1.1.3圖像分割（閾值分割、區(qū)域增長、裁剪蒙版）

本文先用閾值分割和區(qū)域生長對CT圖像進(jìn)行自動分割，由于外耳耳廓軟組織及耳廓軟骨的灰度值存在差異,可采用灰度圖像二值化的方法將外耳的耳廓形態(tài)與周圍的組織區(qū)分開來,本文根據(jù)灰度圖像的變化選取的閾值范圍為[-500,400]，再通過裁剪蒙版的方法，先從整體的三維蒙版中裁剪選擇出健耳耳廓，裁剪出外耳及耳后顳骨乳突部所在的大致區(qū)域，將其進(jìn)行進(jìn)一步的編輯修改與分割，分割出的結(jié)構(gòu)除包含健側(cè)耳廓外，還應(yīng)包含耳廓與顳骨乳突部所形成的顱耳角結(jié)構(gòu)。

1.1.4三維重建耳廓及鏡像、平滑處理

將選取的健側(cè)耳廓及其鄰近的耳廓周圍顳區(qū)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維重建，并作鏡像反求及平滑處理，得到與健側(cè)耳廓完全相同的對側(cè)耳的三維解剖圖像，以STL格式存儲。

1.2模型的設(shè)計及模型印模的設(shè)計

將三維重建的鏡像耳導(dǎo)入3-matic 10.0軟件中，通過調(diào)整參數(shù)選定感興趣的區(qū)域，耳廓前表面應(yīng)選定包含耳甲腔、耳屏、對耳屏、耳輪腳等結(jié)構(gòu)，耳廓后表面則選定與顳骨乳突區(qū)所形成顱耳角角度的解剖結(jié)構(gòu)，再通過光滑提取平面、偏移、加厚、布爾運算、平滑模型等操作，設(shè)計出一對3-D耳模，這對3-D耳模分別與耳廓前、后表面的亞解剖結(jié)構(gòu)能完全貼合。

在3-matic軟件中，分別為這對3-D耳模創(chuàng)建一大小合適的長方體，進(jìn)行交互式平移、旋轉(zhuǎn)后，長方體的體積恰能完全覆蓋3-D耳模的結(jié)構(gòu)，再與3-D耳模進(jìn)行布爾加減運算操作，分別設(shè)計得到了這對3-D耳模的印模的三維圖像，用于后期打印這對3-D耳模的印模。

此階段同時對三維重建的對側(cè)耳進(jìn)行修薄處理，得到的對側(cè)耳廓的三維圖像，再用同樣的方法制作對側(cè)耳廓的印模的三維圖像。

1.3鑄造硅膠耳廓模型及3-D硅膠耳模

1.3.1 FDM快速成型

本實驗利用3D打印機Z-print 510進(jìn)行FDM快速成型，精度為0.1-0.4mm。選擇高分子熱塑性材料聚乳酸（PLA材料）送入熱熔噴頭，噴頭內(nèi)加熱溶化成絲狀后噴出，按計算機設(shè)計的路徑沿截面輪廓運動，將半流動的熱塑性材料填充到指定位置并最終冷卻凝固，依次逐層堆疊最終成型，打印出制作3-D耳模的印模。

1.3.2硅膠復(fù)模

以硅膠為原料，以PLA材質(zhì)的耳模的印模為樣本，從打孔處注入硅膠混合物澆注樣件，冷卻成型后得到3-D硅膠耳模。同樣的方法鑄造對側(cè)硅膠耳廓模型，分別對3-D硅膠耳模和對側(cè)硅膠耳廓模型進(jìn)行消毒、滅菌處理。

1.4 3-D硅膠耳模的應(yīng)用

在現(xiàn)有的耳廓定位方式的基礎(chǔ)上，根據(jù)3-D耳模表面的凸凹結(jié)構(gòu)切削肋軟骨支架，實現(xiàn)再造耳的解剖亞結(jié)構(gòu)的精確定位與重建。利用硅膠鏡像模型作為軟骨雕刻的模板，在軟骨支架表面包裹擴(kuò)張的皮瓣；將3-D硅膠耳模固定于再造耳的耳廓表面，維持再造耳廓的顱耳角度，用繃帶進(jìn)行常規(guī)加壓包扎2周，關(guān)注耳廓的血運情況及皮膚顏色，調(diào)整耳廓加壓包扎的松緊度。

1.5療效評判

對2例進(jìn)行耳廓再造患者二期術(shù)后1年左右的再造耳術(shù)后效果進(jìn)行評判，根據(jù)國內(nèi)莊洪興提出的小耳畸形耳再造療效的判斷方法[9]，對比患側(cè)耳手術(shù)前后的形態(tài)。

2 結(jié)果

圖2 Mimics軟件重建的三維耳廓圖像Fig.2 3-d reconstructed imagesof auricleby M im ics softwareA健側(cè)耳廓的三維圖像；B重建耳的三維圖像A 3-d imagesofnormalear;B 3-d imagesof reconstructed ear

圖3 3-D耳模結(jié)構(gòu)的設(shè)計。Fig.3 the design of 3-D earmouldA重建的鏡像耳廓及3-D耳模的三維圖像;B 3-D耳模正面觀; C3-D耳模背面觀;D 3-D耳模背面觀;E 3-D耳模內(nèi)側(cè)面觀；a、b、c、d、e、f分別是與耳廓表面三角窩、耳甲艇、耳甲腔、顱耳角、耳屏、對耳屏相對應(yīng)的3-D耳模上的表面標(biāo)志A 3-d images of mirrored ear and 3-D earmould;B Positive view of 3-D earmould;C Dorsal view of 3-D earmould;D Dorsal view of 3-D earmould;E Inner surface view of3-D earmould a,b,c,d,e and fmarker of 3-D earmould are the surfacemarkers corre?sponding to the triangular fossa,cymba conchae,the cavum conchae，cranioauricular angle，tragus，antitragusof theauricle respectively.

圖4 設(shè)計的3-D耳模的印模的三維圖像和鏡像耳廓模型的印模的三維圖像。Fig.4 The designed three-dimensional images of 3-D earmould andm irrored auriclemodelA維持耳廓后表面形態(tài)的3-D耳模的印模;B維持耳廓前表面形態(tài)的3-D耳模的印模;C鏡像耳耳廓的印模A The impression of 3-D earmould formaintenance posterior auricular surface morphology;B The impression of 3-D earmould for mainte?nance Anterior auricular surfacemorphology;C The impression formir?rored auriclemodel

圖5 重建的硅膠耳廓模型及3-D硅膠耳模Fig.5 Themirrored earand 3-D earmouldwith siliconematerialA鏡像耳硅膠耳廓模型；B鏡像硅膠耳廓與3-D硅膠耳模結(jié)構(gòu)進(jìn)行擬合圖；C、D為3-D硅膠耳模；a、b、c、d、e、f分別是與耳廓表面三角窩、耳甲艇、耳甲腔、外耳道、顱耳角相對應(yīng)的3-D硅膠耳模上的表面標(biāo)志A Themirrored ear with siliconematerial;B Matching themir?rored earwith siliconematerial and 3-D silicone earmould；C and D are 3-D silicone earmoulds；a,b,c,d,emarkerof3-D ear?mould are the surfacemarkers corresponding to the triangular fossa,cymba conchae,the cavum conchae，externalauditory ca?nal,cranioauricularangleof theauricle respectively.

⑤療效的分析、結(jié)果的判定

兩例小耳畸形患者再造耳廓位置精確，顱耳角角度適中，形態(tài)、大小協(xié)調(diào)，對比小耳畸形患者耳廓重建前后的外形，利用3-D耳模完成耳廓重建的再造耳廓表面凸凹結(jié)構(gòu)顯示較清晰（圖6），再造耳廓長期保持穩(wěn)定，雕刻的肋軟骨支架無軟化、吸收、變形。

圖6 小耳畸形患者術(shù)前術(shù)后耳廓外形圖Fig.6 Theappearanceof the reconstructed earA耳廓重建前的左耳廓形態(tài)；B3-D耳模完成耳廓重建后的左耳廓形態(tài)A The preoperative postoperative appearance of the left ear auricle;B The preoperative postoperative appearance of the leftauricle（3-D earmouldmethod）.

3 討論

3.1國內(nèi)外小耳畸形耳廓重建的研究進(jìn)展

近年來，基于CT數(shù)據(jù)的三維重建、快速成型技術(shù)及硅膠復(fù)模方式在小耳畸形耳廓重建術(shù)中均有應(yīng)用，這類技術(shù)的應(yīng)用突破了傳統(tǒng)耳廓重建中采取人為繪制二維膠片輔助耳支架雕刻的方式，可雕刻出解剖精度更高的三維立體耳廓外形。張?zhí)煊畹萚10]通過mimics軟件重建并制作一個新的模型輔助術(shù)中對耳廓的位置、耳甲腔深度等解剖結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)性定位，黃雪梅[11]等使用CAD/CAM系統(tǒng)進(jìn)行義耳的設(shè)計和雕刻，根據(jù)健側(cè)耳廓鏡像重建出對側(cè)耳廓，采用硅膠復(fù)模方式制作與健耳相似度較高的對側(cè)硅膠耳廓模型，植入對側(cè)耳皮下，完成耳廓重建。對顳骨CT數(shù)據(jù)進(jìn)行耳廓形態(tài)的三維重建，逐漸被應(yīng)用于臨床耳整形的手術(shù)中。同時，硅膠材料由于其質(zhì)地適中、便于消毒等特點是應(yīng)用于耳廓重建術(shù)中，作為壓迫和塑型肋軟骨耳支架中的一種理想材料。目前在耳整形手術(shù)中尚缺乏既能作為定位和細(xì)節(jié)性雕刻肋軟骨耳支架的導(dǎo)板，又能術(shù)后維持雕刻的耳廓形態(tài)的硅膠耳模。因此，聯(lián)合這兩種方式使耳廓重建數(shù)字化、精確化，可作為輔助耳整形的新的選擇。

3.2 3-D硅膠耳模的創(chuàng)新點

FDM成型技術(shù)是3-D打印技術(shù)之一,利用FDM成型技術(shù)打印出3-D耳模的印模,再采用硅膠復(fù)模的方式鑄出3-D硅膠耳模。3-D硅膠耳模的創(chuàng)新點如下：一、手術(shù)設(shè)計方面，術(shù)前多次對鑄造的硅膠耳廓模型表面的各解剖亞結(jié)構(gòu)與鑄造的3-D硅膠耳模上相對應(yīng)的位置進(jìn)行擬合，提高術(shù)前對術(shù)耳耳甲腔、耳甲艇、耳屏、對耳屏等表面的立體解剖結(jié)構(gòu)有充分的把握和直觀感受，對手術(shù)過程有直接的指導(dǎo)作用。二、術(shù)中雕刻方面，①3-D硅膠耳模作為耳支架雕刻的導(dǎo)板，標(biāo)記其表面的各精細(xì)解剖亞結(jié)構(gòu)，并將其貼合于待雕刻的肋軟骨支架表面，便于術(shù)中根據(jù)3-D耳模來判斷各解剖亞結(jié)構(gòu)的位置及深度，完成耳支架的進(jìn)一步削切；②術(shù)中以3-D耳模來調(diào)整顱耳角角度，取代傳統(tǒng)手術(shù)中通過目測法或根據(jù)術(shù)者主觀感受來調(diào)整顱耳角角度的方式，避免傳統(tǒng)手術(shù)中因顱耳角不對稱導(dǎo)致的二次手術(shù)的可能。三、耳廓的固定和壓迫方面，①傳統(tǒng)小耳畸形手術(shù)皮片移植后，往往采用打包包扎法，用棉花或質(zhì)地較柔軟的細(xì)紗布，逐層堆在移植的皮片上，達(dá)適當(dāng)?shù)暮穸群筮M(jìn)行交叉打包包扎，而本研究采用硅膠復(fù)模的方式，鑄型的材料選取與人耳硬度最為相近的硅膠材質(zhì)，這種3-D硅膠耳模質(zhì)地柔軟，使塑形包扎再造耳廓支架表面的受力均勻一致，且能減輕對耳周皮膚的壓迫，避免常規(guī)包扎壓力不均衡致耳廓形態(tài)再次變形的可能；②患者利用個體化設(shè)計的3-D耳模固定及壓迫耳廓，使重建的耳廓形態(tài)保持高精度的恢復(fù)，術(shù)后患者重建的耳廓外形逼真，顱耳角角度精確化，耳甲腔、顱耳角等表面骨性標(biāo)志明顯，符合人們對耳整形精準(zhǔn)治療的美學(xué)需求。此外，3-D硅膠耳?？啥啻蜗?、滅菌，也應(yīng)用于后期耳道成形術(shù)中耳道位置的確定。因此，硅膠鏡像耳廓模型與3-D硅膠耳模輔助個體化耳廓重建，是小耳畸形耳廓重建的一種新選擇。

3.3耳模及鏡像耳耳廓三維數(shù)據(jù)的細(xì)節(jié)性處理

本文主要針對單側(cè)小耳畸形患者進(jìn)行手術(shù)方式的討論，而對于雙側(cè)小耳畸形的患者，則根據(jù)患者頭型采取比例相似的正常人進(jìn)行耳廓外形的3-D打印以及3-D硅膠耳模的設(shè)計。由于本研究通過掃描小耳畸形患者CT數(shù)據(jù)進(jìn)行mimics耳廓重建時，耳廓軟骨與耳廓皮膚軟組織的界限差異并不十分明顯，無法完整將耳廓軟骨與耳廓皮膚軟組織精確完整的區(qū)分開，考慮到術(shù)中雕刻的耳廓支架外需包裹皮瓣，而包裹耳廓的皮瓣包括皮膚軟組織擴(kuò)張的皮瓣或移植的皮瓣，皮瓣具有一定的厚度(約2mm)，為排除包裹耳廓皮瓣的厚度對耳廓支架的體積造成的偏差，故采用軟件對三維重建的對側(cè)耳圖像進(jìn)行修薄處理(修薄2mm)，鑄造3-D硅膠耳廓模型用于術(shù)中耳支架雕刻的模板，進(jìn)行模擬雕刻。本研究主要針對3-D耳模對小耳畸形耳整形手術(shù)的探索性研究，但有推廣價值，可進(jìn)一步臨床試驗。

3.4耳廓重建耳再造手術(shù)的展望

術(shù)后長期佩戴維持顱耳角角度的模具的效果有待于長期隨訪，及后期與傳統(tǒng)的耳廓重建手術(shù)方式進(jìn)行對比研究。雕刻的耳廓支架覆上皮瓣后，皮瓣厚度的把握對再造耳的逼真度有一定的影響，仍是為當(dāng)前未解決的問題。根據(jù)現(xiàn)階段人們對耳整形手術(shù)越來越精細(xì)化治療的需求，取代傳統(tǒng)手術(shù)中根據(jù)術(shù)者主觀審美雕刻耳支架方式，實現(xiàn)耳廓再造精準(zhǔn)個性化的雕刻有待于我們進(jìn)一步的探索。

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App lication of three-dimensionalprinting technology in individualized auricle reconstruction

TANGLing,TIANGuangyong,HU Lida,YANGJingya,ZHANGShanshan,LUOHeng
DepartmentofOtolaryngology-Head and Neck Surgery,the Third Affiliated Hospitalof Southern
MedicalUniversity,Guangzhou,China

TIANGuangyong Email:782683004@qq.com

Objective To report application of three-dimensional printing technology in individualized auricle reconstruction.M ethods High resolution computed tomography(HRCT)images of the temporal bone in unilateralm icrotia patientwere scanned.Auricle and its surrounding structure of auricle on the healthy sidewasm irrored,then the auricle on the affected sidewas reconstructed by usingm im ics software.3-D earmould was designed by using 3-matic software and then siliconem irrored ear auriclemodel and 3-D silicone earmould wasmanufactured by the technology of fused deposition molding（FDM)and silicone impression,the former was used as reconstructed auricular templates,the latterwas used asguide plate respectively on the affected side to increase the precision in fabrication of cymba conchae, the cavum conchae,triangular fossa,the helix,antihelix and other substructure of auricle andmaintainance of cranioauricular angle.We made a comparison about the preoperative appearance and the postoperative appearance in size and shape and substructure of auricle.Results The appearance of the postoperative auricle is realistic.Cranioauricular angle issymmetrical,and the anatomicalsubstructureof auricle is clear.Conclusions The application of 3-d printing technology can fine individualauricle reconstruction,and itprovidesanovelmethod forauricle reconstruction.

3-D earmould；M icrotia;Individual;Auricle reconsrtuction

R764

A

1672-2922（2017）02-267-5

2016-12-09審核人：鄒藝輝)

10.3969/j.issn.1672-2922.2017.02.024

唐玲，碩士，耳科學(xué)

田廣永,Email:782683004@qq.com