3-D打印技術在個體化耳廓重建中的應用

唐玲 田廣永 胡力達 楊靜雅 張珊珊 羅恒

南方醫科大學第三附屬醫院耳鼻咽喉頭頸外科（廣州510630）

·技術與方法·

3-D打印技術在個體化耳廓重建中的應用

唐玲 田廣永 胡力達 楊靜雅 張珊珊 羅恒

南方醫科大學第三附屬醫院耳鼻咽喉頭頸外科（廣州510630）

目的探討3D打印技術在個體化耳廓重建中的應用。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軟件鏡像重建患側耳結構，用3-matic軟件設計出3-D耳模，利用熔融沉積成型（FDM）技術和硅膠復模技術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、對耳屏等耳廓亞結構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、形態及耳廓表面解剖結構。結果再造耳顱耳角適中，耳廓解剖亞結構清晰,重建的耳廓形態逼真。結論3-D打印技術的應用能優化個體化耳廓再造，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構，位于審美區且解剖結構復雜，耳廓的重建被認為非常棘手[1]。我國1996-2007年小耳畸形的發病率為3.06‰，其中單側小耳畸形的發病率為2.25‰，雙側小耳畸形的發病率為0.81‰[2]。小耳畸形耳廓再造時耳支架的精確定位與細節性雕刻包括顱耳角的維持一直是耳整形手術中的難點，目前主要通過目測法、蘇式定位法及制作導板定位等方法對耳廓表面各解剖亞結構進行定位，輔助耳支架的精確定位與雕刻[3-7],近年來，利用3-D打印技術和硅膠復模方式作為填塞外耳道的方式也逐漸被應用于外耳道成形術中[8]，而應用在小耳畸形耳廓重建手術方面的研究則甚少，國內外都鮮有報道。本研究旨在根據健側耳廓的形態，利用mimics軟件、3-matic軟件、FDM技術和硅膠復模技術制作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節性雕刻，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掃描和數字化模型的建立

1.1.1術前一般情況

德國學者MAX1926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準，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，一例為右側小耳畸形患者，另一例為雙側小耳畸形（右耳已完成耳廓重建術后）的患者，符合納入標準。本研究采取第一期皮膚軟組織擴張局部皮瓣的方式，再行二期手術完成耳廓再造。

1.1.2 CT掃描

采用64排螺旋CT分別對2例單側小耳畸形患者進行顳骨薄層掃描，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。

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張后的患側耳）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、區域增長、裁剪蒙版）

本文先用閾值分割和區域生長對CT圖像進行自動分割，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與周圍的組織區分開來,本文根據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域，將其進行進一步的編輯修改與分割，分割出的結構除包含健側耳廓外，還應包含耳廓與顳骨乳突部所形成的顱耳角結構。

1.1.4三維重建耳廓及鏡像、平滑處理

將選取的健側耳廓及其鄰近的耳廓周圍顳區的結構進行三維重建，并作鏡像反求及平滑處理，得到與健側耳廓完全相同的對側耳的三維解剖圖像，以STL格式存儲。

1.2模型的設計及模型印模的設計

將三維重建的鏡像耳導入3-matic 10.0軟件中，通過調整參數選定感興趣的區域，耳廓前表面應選定包含耳甲腔、耳屏、對耳屏、耳輪腳等結構，耳廓后表面則選定與顳骨乳突區所形成顱耳角角度的解剖結構，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、后表面的亞解剖結構能完全貼合。

在3-matic軟件中，分別為這對3-D耳模創建一大小合適的長方體，進行交互式平移、旋轉后，長方體的體積恰能完全覆蓋3-D耳模的結構，再與3-D耳模進行布爾加減運算操作，分別設計得到了這對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耳進行修薄處理，得到的對側耳廓的三維圖像，再用同樣的方法制作對側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，噴頭內加熱溶化成絲狀后噴出，按計算機設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硅膠復模

以硅膠為原料，以PLA材質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硅膠耳廓模型，分別對3-D硅膠耳模和對側硅膠耳廓模型進行消毒、滅菌處理。

1.4 3-D硅膠耳模的應用

在現有的耳廓定位方式的基礎上，根據3-D耳模表面的凸凹結構切削肋軟骨支架，實現再造耳的解剖亞結構的精確定位與重建。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，用繃帶進行常規加壓包扎2周，關注耳廓的血運情況及皮膚顏色，調整耳廓加壓包扎的松緊度。

1.5療效評判

對2例進行耳廓再造患者二期術后1年左右的再造耳術后效果進行評判，根據國內莊洪興提出的小耳畸形耳再造療效的判斷方法[9]，對比患側耳手術前后的形態。

2 結果

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耳模結構的設計。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耳模內側面觀；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、對耳屏相對應的3-D耳模上的表面標志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的3-D耳模的印模;B維持耳廓前表面形態的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硅膠耳模結構進行擬合圖；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、顱耳角相對應的3-D硅膠耳模上的表面標志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、大小協調，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構顯示較清晰（圖6），再造耳廓長期保持穩定，雕刻的肋軟骨支架無軟化、吸收、變形。

圖6 小耳畸形患者術前術后耳廓外形圖Fig.6 Theappearanceof the reconstructed earA耳廓重建前的左耳廓形態；B3-D耳模完成耳廓重建后的左耳廓形態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國內外小耳畸形耳廓重建的研究進展

近年來，基于CT數據的三維重建、快速成型技術及硅膠復模方式在小耳畸形耳廓重建術中均有應用，這類技術的應用突破了傳統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。張天宇等[10]通過mimics軟件重建并制作一個新的模型輔助術中對耳廓的位置、耳甲腔深度等解剖結構的細節性定位，黃雪梅[11]等使用CAD/CAM系統進行義耳的設計和雕刻，根據健側耳廓鏡像重建出對側耳廓，采用硅膠復模方式制作與健耳相似度較高的對側硅膠耳廓模型，植入對側耳皮下，完成耳廓重建。對顳骨CT數據進行耳廓形態的三維重建，逐漸被應用于臨床耳整形的手術中。同時，硅膠材料由于其質地適中、便于消毒等特點是應用于耳廓重建術中，作為壓迫和塑型肋軟骨耳支架中的一種理想材料。目前在耳整形手術中尚缺乏既能作為定位和細節性雕刻肋軟骨耳支架的導板，又能術后維持雕刻的耳廓形態的硅膠耳模。因此，聯合這兩種方式使耳廓重建數字化、精確化，可作為輔助耳整形的新的選擇。

3.2 3-D硅膠耳模的創新點

FDM成型技術是3-D打印技術之一,利用FDM成型技術打印出3-D耳模的印模,再采用硅膠復模的方式鑄出3-D硅膠耳模。3-D硅膠耳模的創新點如下：一、手術設計方面，術前多次對鑄造的硅膠耳廓模型表面的各解剖亞結構與鑄造的3-D硅膠耳模上相對應的位置進行擬合，提高術前對術耳耳甲腔、耳甲艇、耳屏、對耳屏等表面的立體解剖結構有充分的把握和直觀感受，對手術過程有直接的指導作用。二、術中雕刻方面，①3-D硅膠耳模作為耳支架雕刻的導板，標記其表面的各精細解剖亞結構，并將其貼合于待雕刻的肋軟骨支架表面，便于術中根據3-D耳模來判斷各解剖亞結構的位置及深度，完成耳支架的進一步削切；②術中以3-D耳模來調整顱耳角角度，取代傳統手術中通過目測法或根據術者主觀感受來調整顱耳角角度的方式，避免傳統手術中因顱耳角不對稱導致的二次手術的可能。三、耳廓的固定和壓迫方面，①傳統小耳畸形手術皮片移植后，往往采用打包包扎法，用棉花或質地較柔軟的細紗布，逐層堆在移植的皮片上，達適當的厚度后進行交叉打包包扎，而本研究采用硅膠復模的方式，鑄型的材料選取與人耳硬度最為相近的硅膠材質，這種3-D硅膠耳模質地柔軟，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，避免常規包扎壓力不均衡致耳廓形態再次變形的可能；②患者利用個體化設計的3-D耳模固定及壓迫耳廓，使重建的耳廓形態保持高精度的恢復，術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志明顯，符合人們對耳整形精準治療的美學需求。此外，3-D硅膠耳?？啥啻蜗?、滅菌，也應用于后期耳道成形術中耳道位置的確定。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據的細節性處理

本文主要針對單側小耳畸形患者進行手術方式的討論，而對于雙側小耳畸形的患者，則根據患者頭型采取比例相似的正常人進行耳廓外形的3-D打印以及3-D硅膠耳模的設計。由于本研究通過掃描小耳畸形患者CT數據進行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分開，考慮到術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耳圖像進行修薄處理(修薄2mm)，鑄造3-D硅膠耳廓模型用于術中耳支架雕刻的模板，進行模擬雕刻。本研究主要針對3-D耳模對小耳畸形耳整形手術的探索性研究，但有推廣價值，可進一步臨床試驗。

3.4耳廓重建耳再造手術的展望

術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，及后期與傳統的耳廓重建手術方式進行對比研究。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，仍是為當前未解決的問題。根據現階段人們對耳整形手術越來越精細化治療的需求，取代傳統手術中根據術者主觀審美雕刻耳支架方式，實現耳廓再造精準個性化的雕刻有待于我們進一步的探索。

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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

田廣永,Email:782683004@qq.com