應用三維重建結合快速成型技術實現個性化顱耳角重建

許楓 張如鴻

應用三維重建結合快速成型技術實現個性化顱耳角重建

許楓 張如鴻

目的探索應用計算機三維重建結合快速成型技術，設計并制造個性化顱耳角支撐物的可行性。方法對1例擬行顱耳角重建的先天性小耳畸形患者，進行全頭顱CT掃描，獲取CT數據，在PC機上進行三維重建和設計，通過快速成型技術打印出實體模型。結果獲得了個性化的骨水泥顱耳角支撐物。結論應用計算機三維重建和快速成型技術可實現個性化顱耳角支撐物的設計和制造。

三維重建快速成型顱耳角重建先天性小耳畸形

近年來，隨著計算機圖像技術的不斷發展，人們可以將CT、MRI等獲得的人體數據，通過相關軟件在計算機上進行三維圖像的重建，為手術設計、手術定位等提供了準確、直觀、科學的手段。快速成形技術（RP）是上世紀80年代末興起，并迅速發展起來的新的先進制造技術，是由計算機輔助設計（CAD）模型直接驅動的快速制造任意復雜形狀三維物理實體的技術總稱。目前，該技術已應用于醫療器械的設計生產，CT掃描信息的實物化，手術模擬和人體骨關節的配制等。我們對三維重建技術和快速成型技術在耳再造手術中的應用進行了初步探索。

1 材料與方法

1.1 實驗對象

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，待行二期顱耳角重建術。

1.2 三維數據采集

采集設備：Light Speed 16層螺旋CT（美國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，所得數據以DICOM 3.0格式刻盤保存。

1.3 顱耳角支撐物定制體的設計

將CT掃描所得數據以DICOM 3.0格式導入Mimics 10.01，在斷層圖像上分別逐層圈選乳突區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，獲得患側乳突區及所植入的軟骨支架的三維數字模型。根據正常側耳外形輪廓所得鏡像，對軟骨支架進行必要的旋轉和適當的位移，使再造的顱耳角與對側一致，且軟骨支架處于手術調整可及的范圍內，將設計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后合并入同一對象中并構建側壁面，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計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字模型，以STL文件格式輸入快速打印機，可獲得顱耳角支撐物的快速成型實體模型，再根據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 結果

通過Mimics 10.01，在PC上完成了對該患者整個頭面部的三維圖像重建，正常側耳廓和再造耳廓形態清晰、自然連續。鏡像設計所得的顱耳角與健側相比對稱性良好（圖2）。

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

在Rapidform 2006軟件中設計了個性化的顱耳角支撐物，通過快速成型3D打印獲得了實體模型，進而制作出個性化的植入體（圖3）。

圖3 定制體三維數字模型和實物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重獲得性耳廓缺失最常用的修復手段。該術式通常采用分期法實施耳廓的重建[1]。其中，第二期手術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建顱耳角，維持耳廓與頭顱之間的夾角關系。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稱性的一個重要結構，然而該結構的重建效果卻一直不夠理想[4-6]，主要原因有以下三點：一是軟骨塊本身質地具有彈性，無法承受移植皮片的強大收縮力，最終的顱耳角角度往往明顯小于健側，甚至完全消失；二是肋軟骨取材的量受到一定的限制，無法保證能夠填充到與健側一致的高度；三是對軟骨塊的塑形完全是憑借主觀的操作，無法滿足個性化的要求。我們在前期的臨床實踐中采用人工材料（骨水泥）較好地解決了支撐物取材的問題[7]，彌補了肋軟骨塊作為支撐物不夠穩定和取材受限的缺陷，但仍需解決材料的個性化塑形，達到與健側顱耳角高度、弧度等各方面形態盡可能對稱的目的。

雖然已有一些學者將數字化技術應用于耳廓再造[8-10]，設計了耳廓的三維模型來指導手術，但是由于受到三維重建技術以及設備的限制，這些研究均只是以復制健側耳廓為目的，并沒有關注顱耳角這一細節結構的重建和對稱性問題。近年來，隨著數字化醫學的發展，新的技術和設備為實現三維手術模擬創造了契機。在實際的臨床操作中我們發現，顱耳角其實也是一個具有三維立體性質的結構；在PC機上引入CT數據進行三維手術模擬是實現該結構個性化立體化重建的一種有效手段。

三維建模是進行三維手術模擬的第一步，主要方法有：采用基于圖像的虛擬建模技術、基于圖形的建模技術，以及基于圖形與圖像混合的虛擬建模技術。基于圖形的建模技術實質上是利用建模技術采集的離散圖像或連續視頻作為基礎數據，經過圖像處理生成真實的全景圖像，然后通過合適的空間模型把全景圖像組織為三維立體影像，在這個空間中可以進行前進、后退、環視、仰視、近看、遠看等操作，實現全方位觀察三維場景的效果[11]。采用這種建模技術，可以實現普通計算機上圖形繪制的真實感。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[12]。本研究所采用的建模技術就是基于CT圖形的建模技術。其優點有：構造的三維模型精細、逼真；模型具有可操作性，便于與虛擬實體的交互和對虛擬對象的深度信息進行直接提取，另外還可實現虛物實化，特別適合顱頜面手術的術前建模。

快速成形技術又稱快速原型制造技術（Rapid Prototyping Manufacturing，RPM），出現于上世紀80年代后期，是基于材料堆積法的一種高新制造技術，被認為是近20年來制造領域的一個重大成果。其原理就是利用三維CAD的數據，通過快速成型機，將一層層的材料堆積成實體原型。本研究正是利用在Rapidform 2006軟件中設計得到的個性化支撐物的三維數據通過Zcorp快速成型機的3D打印，獲得了支撐物的實體原型。

本實驗結果顯示，在實施全耳再造的二期顱耳角重建時，聯合應用三維建模技術和快速成型技術可以設計出個性化的顱耳角支撐物，為獲得對稱性良好且持久穩定的顱耳角創造了條件。

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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醫學院附屬第九人民醫院整復外科。

張如鴻（E-mail：zhangruhong@163.com）。