3D顳骨教學(xué)模型的制作與探討

楊靜雅黃文華游少鵬譚晉川徐飄林瓊萍田廣永*

1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)

2南方醫(yī)科大學(xué)解剖學(xué)教研室（廣州510515）

顳骨的解剖位置深匿，不顯露于體表，一直是醫(yī)學(xué)生的教學(xué)難點之一。在醫(yī)學(xué)教育和醫(yī)學(xué)實踐中，由于尸體標(biāo)本資源有限，而一般的教學(xué)方法（如二維斷層解剖照片）難以給醫(yī)學(xué)生以直觀、立體的空間概念，難以達到良好的教學(xué)效果。本研究根據(jù)顳骨內(nèi)部空腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點，選擇三種目前較為適宜的3D打印技術(shù)制作3D顳骨教學(xué)模型，探討更合適的顳骨教學(xué)模具。

1 材料與方法

1.1 CT掃描與三維重建

用64排螺旋CT分別對正常人的活體顳骨行薄層掃描，掃描層厚1mm，重建層厚0.5mm，層間距0.1mm。將原始CT圖像（DICOM格式）導(dǎo)入Mimics 17.0軟件，對感興趣區(qū)域進行圖像分割并對顳骨行三維重建，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存為.stl文件格式。重點重建聽骨鏈（錘骨、砧骨、鐙骨）、面神經(jīng)、耳蝸、迷路、乙狀竇、頸靜脈窩、頸內(nèi)動脈管等解剖結(jié)構(gòu)。手動切割鼓室天蓋及上鼓室外側(cè)壁，保留完整外耳道，去除迷路、耳蝸、面神經(jīng)迷路段致垂直段的周圍骨質(zhì)，暴露乳突氣房、鼓竇、鼓竇入口、聽小骨、迷路、面神經(jīng)迷路段致垂直段及耳蝸等結(jié)構(gòu)。

1.2 3-D打印模型及后處理

①采用光固化（SLA）技術(shù)，以樹脂為原料，用普利生-銳打400打印機對重建結(jié)構(gòu)進行打印；②采用三維印刷（3DP）技術(shù)，以石膏粉末為原料，用3D Systems Z-print 510打印機對重建結(jié)構(gòu)以指定顏色進行打??；③采用噴射固化（Polyjet）技術(shù)，以樹脂及Tango橡膠類材料為原料，用Stratasys J750打印機對重建結(jié)構(gòu)以指定顏色進行打印，面神經(jīng)選擇以橡膠類材料打印、其余結(jié)構(gòu)選擇用樹脂打印。②、③兩種打印技術(shù)均可對指定結(jié)構(gòu)進行彩色打印，從而對不同的解剖結(jié)構(gòu)進行區(qū)分(聽骨鏈、面神經(jīng)、半規(guī)管、頸內(nèi)動脈分別標(biāo)記為藍色、黃色、綠色、紅色)。

2 結(jié)果

根據(jù)顳骨CT薄層掃描數(shù)據(jù)，Mimics17.0軟件可清晰重建乳突氣房、錘骨、砧骨、面神經(jīng)、乙狀竇溝、頸靜脈窩、頸內(nèi)動脈管、半規(guī)管管腔及耳蝸管腔等結(jié)構(gòu)，鐙骨足板未能全部顯示，但通過調(diào)整CT閾值可手動重建出完整鐙骨。

三種模型均外形逼真，外耳道、內(nèi)聽道、乙狀竇溝等表面骨性標(biāo)志明顯(圖1)。

Z-print510模型及J750模型的聽骨鏈（錘骨、砧骨、鐙骨）、面神經(jīng)、半規(guī)管、咽鼓管等清晰可辨；銳打400模型由于呈色單一，顳骨內(nèi)各標(biāo)志性結(jié)構(gòu)不能多種色彩同時打印，故標(biāo)志性結(jié)構(gòu)的辨認(rèn)度較低(圖 1)。

由于Z-print510模型及J750模型的乳突氣房、鼓竇等空腔結(jié)構(gòu)及中耳鼓室各壁（上壁已分割去除）呈現(xiàn)良好；銳打400模型的鼓竇、中耳鼓室各壁亦呈現(xiàn)良好，但乳突氣房較多支撐結(jié)構(gòu)，未能逼真重現(xiàn)乳突腔蜂窩狀結(jié)構(gòu)(圖1)。

Z-print510模型的硬度較低，半規(guī)管結(jié)構(gòu)觸摸后容易斷裂；J750模型及銳打400模型的硬度接近尸體標(biāo)本顳骨骨質(zhì)；J750模型同時使用樹脂及橡膠類材料兩種不同材料同時打印，其中，以橡膠類材料為原料打印的面神經(jīng)軟硬程度與軟組織接近。

圖1 3D顳骨教學(xué)模型。a1.銳打400模型正面觀；a2.銳打400模型側(cè)面觀；b1.Z-print 510模型正面觀；b2.Z-print 510模型側(cè)面觀；c1.J750模型正面觀；c2.J750模型側(cè)面觀。1.半規(guī)管；2.面神經(jīng)；3.外耳道；4.聽骨鏈；5.乳突腔；6.乙狀竇溝；7.頸內(nèi)動脈。Fig.1 3D temporal bone models.a1.Positive view of Ruida 400 model;a2.Lateral view of Ruida 400 model;b1.Positive view of Z-print 510 model;b2.Lateral view of Z-print 510 model;c1.Positive view of J750 model;c2.Lateral view of J750 model.1.semicircular canal；2.facial nerve；3.external acoustic meatus；4.ossicular chain；5.mastoid cavity；6.sulci sinus sigmoidei；7.internal carotid.

SLA、3DP、Polyjet三種打印技術(shù)的特點以及分別利用這三種技術(shù)打印的3D顳骨教學(xué)模型的特點總結(jié)如下（表1、表2）。

表1 三種3D顳骨模型的特點Table 1 Characteristics of the 3D temporal bone models

表2 三種打印技術(shù)的特點Table 2 Characteristics of the rapid prototyping technology

3 討論

通過對3D顳骨模型的形態(tài)仿真度、質(zhì)地仿真度及結(jié)構(gòu)辨認(rèn)度三個方面的比較（表1），以及三種打印技術(shù)的比較（表2），可見，采用噴射固化（Polyjet）技術(shù)使用Stratasys J750打印的3D顳骨模型更具優(yōu)勢。

自3D打印技術(shù)問世以來，耳科、口腔科、神經(jīng)外科[1]等相關(guān)研究領(lǐng)域較為活躍，由于這些部位解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)二維圖片示教具有局限性[2]。顳骨解剖對耳科學(xué)領(lǐng)域至關(guān)重要[3]，但因尸體標(biāo)本資源稀少，鮮有機會能夠得到解剖練習(xí)[4,5]。3D打印技術(shù)發(fā)展迅速，各國學(xué)者先后嘗試?yán)萌廴诔练e制造（FDM）、光固化印刷（SLA）、噴射固化成型（Polyjet）、激光選區(qū)燒結(jié)（SLS）、三維印刷（3DP）等打印工藝，力求制作出形態(tài)結(jié)構(gòu)及質(zhì)感與人體高度相仿的顳骨模型，用于教學(xué)及手術(shù)模擬[6-10]。

在教學(xué)過程中，耳科醫(yī)師更加注重顳骨的臨床解剖標(biāo)志[11]，例如，顳線、頂切跡分別是中顱窩底、竇腦膜角的標(biāo)示線，骨性外耳道后上方的道上棘、篩區(qū)是鼓竇的體表標(biāo)志。面神經(jīng)顳骨段是耳科醫(yī)師最關(guān)心的解剖結(jié)構(gòu)之一，也是中耳乳突手術(shù)的危險所在。以砧骨短腳深面、外半規(guī)管前下方可定位面神經(jīng)錐段，鐙骨上后方為面神經(jīng)錐段及水平段，匙突后方為面神經(jīng)水平段的前端，其前內(nèi)上側(cè)為膝狀神經(jīng)節(jié)。面神經(jīng)手術(shù)通常是對面神經(jīng)迷路段或膝狀神經(jīng)節(jié)至莖乳孔段的處理，熟悉面神經(jīng)的定位標(biāo)志及走向才能避免神經(jīng)損傷。運用類似方法，通過解剖理論聯(lián)系臨床實踐，結(jié)合可觸摸的3D顳骨仿真模型，可提高初學(xué)者對顳骨解剖的興趣，達到學(xué)以致用的目的。

顳骨的表面解剖細(xì)微,內(nèi)部解剖復(fù)雜,可根據(jù)不同的教學(xué)目標(biāo),對3D顳骨模型進行任意切割，顯露不同部位的顳骨解剖標(biāo)志，加深學(xué)生對顳骨解剖的三維立體意識，達到更好的教學(xué)效果。

學(xué)利用Mimics軟件對絕大部分顳骨內(nèi)部結(jié)構(gòu)的圖像分割可自動識別，如錘骨、砧骨、面神經(jīng)、耳蝸、迷路、乙狀竇、頸靜脈窩、頸內(nèi)動脈管等，由于鐙骨（尤其是鐙骨底板、前腳、后腳）較細(xì)小，高分辨率CT的精度仍不足以完全顯示，故必要時部分鐙骨結(jié)構(gòu)需人為標(biāo)記后再行圖像分割。若利用Micro CT對尸體標(biāo)本薄層掃描可提高原始數(shù)據(jù)的精確度，避免人為標(biāo)記及標(biāo)記人員的經(jīng)驗等相關(guān)因素導(dǎo)致的偏差。當(dāng)然，高分辨率CT對正常或病理的活體顳骨薄掃數(shù)據(jù)在臨床上較易獲得，方便數(shù)據(jù)的收集，從而應(yīng)用于模型教學(xué)及病例分析中[12]。

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，以計算機技術(shù)為主導(dǎo)的多種現(xiàn)代教學(xué)工具已用于實踐。虛擬現(xiàn)實技術(shù)不斷進步，近年來，世界各國相繼設(shè)計開發(fā)出了基于力學(xué)反饋技術(shù)的計算機虛擬顳骨模型[13,14]。虛擬顳骨模型的使用不受時間、場地和次數(shù)的限制。為現(xiàn)代教學(xué)提供了形象、生動、方便、快捷的教學(xué)方法。

總之，顳骨教學(xué)有其特殊性,綜合采用顳骨大體標(biāo)本、二維斷層解剖照片、3D顳骨模型、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等多模式教學(xué)方式[15]，使醫(yī)學(xué)生對顳骨解剖形成更加直觀、立體的空間概念，以臨床應(yīng)用為目的，理論聯(lián)系實際，才能達到較好的教學(xué)目的。