術(shù)前三維掃描及三維模擬在鼻整形術(shù)中的應(yīng)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(shí)動(dòng)物咬傷或血管瘤等腫瘤切除術(shù)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(duì)患者外貌影響巨大，且嚴(yán)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(duì)于恢復(fù)患者外貌，重塑患者自信，提升患者生活質(zhì)量，是至關(guān)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(jié)構(gòu)再造（鼻中隔軟骨、鼻外側(cè)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(shù)內(nèi)容復(fù)雜、要求高。因此，我們?cè)噲D通過激光掃描模擬，以輔助鼻再造的術(shù)前設(shè)計(jì)，并與術(shù)后實(shí)際效果進(jìn)行對(duì)比，為臨床外鼻再造手術(shù)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(shù)前、術(shù)后評(píng)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(dá)公司）；激光掃描軟件：Polygon Editing Tool（柯尼卡-美能達(dá)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(shù)史，鼻部各亞單位均發(fā)育良好。符合“三停五眼”標(biāo)準(zhǔn)，即鼻長(zhǎng)度占面部長(zhǎng)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(guān)系。 使掃描儀與患者面部呈水平位，以鼻部為中心點(diǎn)。啟動(dòng)Polygon Editing Tool掃描程序，將激光器光束照射在患者面部進(jìn)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(gè)不同角度的關(guān)鍵部位進(jìn)行標(biāo)記（正面標(biāo)記點(diǎn)為鼻根以及鼻尖，側(cè)面標(biāo)記點(diǎn)為鼻翼外側(cè)角以及鼻背）。標(biāo)記定點(diǎn)后程序自動(dòng)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(jié)合，按照“三停五眼”標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整大小，并進(jìn)行邊緣修補(bǔ) (圖1)。

測(cè)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(cè)量工具，測(cè)量鼻背長(zhǎng)度、兩眉連線與兩眼內(nèi)眥連線的中點(diǎn)(黃金點(diǎn))到鼻尖點(diǎn)的長(zhǎng)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(cè)鼻翼外側(cè)緣之間的距離 (圖2)。

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

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

2 結(jié)果

術(shù)后3個(gè)月對(duì)患者的全面部進(jìn)行掃描，測(cè)量了術(shù)后各項(xiàng)數(shù)據(jù)并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(zhǎng)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(shù)前模擬和術(shù)后實(shí)際鼻部的鼻翼寬、鼻根寬、鼻背長(zhǎng)、鼻尖高、外覆蓋面積等數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)學(xué)分析顯示，術(shù)前模擬與術(shù)后實(shí)際數(shù)據(jù)無明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（圖4）。

圖1 正常外鼻與患者面部三維掃描結(jié)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(cè)量Fig.2 The measurement of nasal diamension by 3D simulation

圖3 擴(kuò)張皮瓣面積測(cè)量Fig.3 The measurement of expended flap area by 3D simulation

圖4 術(shù)前模擬與術(shù)后實(shí)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(fù)包括外鼻軟組織的再造、鼻支架結(jié)構(gòu)的重建以及鼻襯里的修復(fù)，手術(shù)內(nèi)容較為復(fù)雜，且對(duì)術(shù)者技術(shù)及經(jīng)驗(yàn)要求較高。鼻再造術(shù)前沒有模板，無法準(zhǔn)確預(yù)估外覆蓋所需皮瓣面積。如皮瓣擴(kuò)張面積不足，則可能造成術(shù)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(gè)亞單位缺損達(dá)50%以上即重建該亞單位，三個(gè)以上的亞單位需重建即可進(jìn)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(dá)到全部重建的標(biāo)準(zhǔn)，使手術(shù)方案的制定缺乏客觀性。如能利用計(jì)算機(jī)輔助模擬，則可避免上述問題。

Tsutsumi等[2]最早將激光三維技術(shù)用于頭面部缺損患者的治療。他們于1997年利用計(jì)算機(jī)激光掃描技術(shù)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(jì)算機(jī)三維程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以及構(gòu)建，完成了患者面部缺損治療的設(shè)計(jì)，初步實(shí)現(xiàn)了激光三維技術(shù)應(yīng)用在修復(fù)重建上的可行性。

計(jì)算機(jī)三維技術(shù)應(yīng)用于面部重建修復(fù)的前提，就是術(shù)前、術(shù)后必須獲得準(zhǔn)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(diǎn)狀激光和線狀激光。線狀激光是掃描時(shí)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(gè)截面，直到獲得物體的整體截面，并合成一個(gè)立體圖像為止。其掃描精確度較點(diǎn)狀激光低，但是掃描一次得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)較多，速度較快，在工業(yè)設(shè)計(jì)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(zhuǎn)框，掃描時(shí)框架圍繞頭部旋轉(zhuǎn)和垂直移動(dòng)。Runte等[4]在2002年曾應(yīng)用非接觸式激光掃描測(cè)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(jìn)了計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)。Chi-Mun等[5]于2003年首次利用了計(jì)算機(jī)輔助三維技術(shù)治療了1例全鼻缺損的患者，制作出了其外鼻修復(fù)體模型。吳國(guó)鋒等[6]利用鏡像翻轉(zhuǎn)技術(shù)完成了單側(cè)眼眶缺損的修補(bǔ)，焦婷等[7]完成了單側(cè)耳缺損的模型制造。

現(xiàn)今的三維掃描方法較以往更為簡(jiǎn)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(dòng)，通過橫向移動(dòng)掃描儀，線狀掃描患者面部正位以及兩個(gè)45°角的數(shù)據(jù)，即可合成為一個(gè)完整的面部三維圖像。雖然現(xiàn)在的激光三維技術(shù)已有所進(jìn)步，但我們發(fā)現(xiàn)掃描患者面部時(shí)仍然存在各種影響掃描完整度以及精確度的因素。因?yàn)槊娌坎皇且粋€(gè)簡(jiǎn)單的平面，而是由許多起伏不定的曲面所構(gòu)成。鼻部的曲面看似單一，實(shí)際上相當(dāng)復(fù)雜，各亞單位本身以及各亞單位之間的凹陷起伏極多，常會(huì)影響激光光束的準(zhǔn)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?yàn)殡p側(cè)鼻翼外側(cè)緣與面部結(jié)合處，以及雙側(cè)鼻翼外側(cè)角、鼻小柱根部等跟面部的交會(huì)處。額部擴(kuò)張皮瓣常見的盲區(qū)為擴(kuò)張皮瓣與發(fā)際交接處和與眉弓之間的范圍。除了掃描時(shí)調(diào)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(shí)減少移動(dòng)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(gè)掃描面進(jìn)行結(jié)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(xué)者總結(jié)出的鼻部美學(xué)數(shù)據(jù)，搜集正常人外鼻。

利用計(jì)算機(jī)掃描模擬患者鼻部，我們可以結(jié)合Farks等[8]提出的頭面部測(cè)量方法，即先在特定的部位設(shè)定數(shù)個(gè)測(cè)量點(diǎn)后，直接運(yùn)用計(jì)算機(jī)自帶的軟件對(duì)頭面部的線距﹑角度﹑體積等在三維圖像上進(jìn)行測(cè)量和設(shè)計(jì)，客觀并系統(tǒng)化地取得包含面部曲面的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。

通過三維術(shù)前模擬，我們可以在模擬切除設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的皮瓣后，評(píng)估剩余的擴(kuò)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(shù)后疤痕，且保證再造鼻皮瓣的來源。Sultan等[9]運(yùn)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(kuò)張皮瓣上描繪輪廓，達(dá)到皮瓣設(shè)計(jì)的目的。我們認(rèn)為，此方法雖然先進(jìn)，但因打印三維模型費(fèi)用較高，許多病人無法承受，臨床較難大量普及與應(yīng)用。作為替代方案，我們利用模擬皮瓣的三維測(cè)量數(shù)據(jù)（鼻根寬﹑鼻中部寬﹑鼻孔寬高﹑鼻小柱長(zhǎng)﹑鼻尖到雙側(cè)鼻翼外角長(zhǎng)等），手動(dòng)于術(shù)中精確描繪皮瓣輪廓，其術(shù)后結(jié)果令人滿意，且較為經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便，病人接受度較高，容易實(shí)際應(yīng)用于臨床。設(shè)計(jì)鼻根部位皮瓣時(shí)，為保證皮瓣血運(yùn)，需保留較大厚度以及寬度，故術(shù)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(shù)前，應(yīng)用一切可能的辦法和工具與患者交流，并針對(duì)可能的手術(shù)效果達(dá)成共識(shí)是非常重要的，可以增加患者信心，提升對(duì)手術(shù)效果的認(rèn)可程度。三維掃描設(shè)計(jì)能在術(shù)前談話時(shí)幫助患者了解自身病理解剖結(jié)構(gòu)、手術(shù)過程以及可能的手術(shù)結(jié)果。

利用三維面部重建分析，可以更準(zhǔn)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(xué)。經(jīng)過三維術(shù)前設(shè)計(jì)，可為手術(shù)提供精確的相關(guān)數(shù)據(jù)，降低手術(shù)難度，提高手術(shù)效果及患者滿意度，值得臨床推廣應(yīng)用。

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