3-D打印技术在个体化耳廓重建中的应用

唐玲 田广永 胡力达 杨静雅 张珊珊 罗恒

南方医科大学第三附属医院耳鼻咽喉头颈外科（广州510630）

·技术与方法·

3-D打印技术在个体化耳廓重建中的应用

唐玲 田广永 胡力达 杨静雅 张珊珊 罗恒

南方医科大学第三附属医院耳鼻咽喉头颈外科（广州510630）

目的探讨3D打印技术在个体化耳廓重建中的应用。方法通过高分辨率CT获取小耳畸形患者的颞骨断层图像，用mimics软件镜像重建患侧耳结构，用3-matic软件设计出3-D耳模，利用熔融沉积成型（FDM）技术和硅胶复模技术铸造出镜像耳硅胶耳廓模型与3-D硅胶耳模，前者用于患侧耳耳廓雕刻的模板，后者用于辅助耳甲腔、耳甲艇、三角窝、耳屏、对耳屏等耳廓亚结构的雕刻及颅耳角角度的维持。对比耳廓重建前后耳廓的大小、形态及耳廓表面解剖结构。结果再造耳颅耳角适中，耳廓解剖亚结构清晰,重建的耳廓形态逼真。结论3-D打印技术的应用能优化个体化耳廓再造，为耳廓重建提供一种新的方法。

3-D耳模；小耳畸形；个体化；耳廓重建

外耳是由一个弹性软骨支架和覆盖的皮肤及其附属物组成的三维解剖结构，位于审美区且解剖结构复杂，耳廓的重建被认为非常棘手[1]。我国1996-2007年小耳畸形的发病率为3.06‰，其中单侧小耳畸形的发病率为2.25‰，双侧小耳畸形的发病率为0.81‰[2]。小耳畸形耳廓再造时耳支架的精确定位与细节性雕刻包括颅耳角的维持一直是耳整形手术中的难点，目前主要通过目测法、苏式定位法及制作导板定位等方法对耳廓表面各解剖亚结构进行定位，辅助耳支架的精确定位与雕刻[3-7],近年来，利用3-D打印技术和硅胶复模方式作为填塞外耳道的方式也逐渐被应用于外耳道成形术中[8]，而应用在小耳畸形耳廓重建手术方面的研究则甚少，国内外都鲜有报道。本研究旨在根据健侧耳廓的形态，利用mimics软件、3-matic软件、FDM技术和硅胶复模技术制作3-D硅胶耳模，辅助小耳畸形耳廓再造时耳支架的精确定位与细节性雕刻，以满足小耳畸形患者耳整形的个体化需求。

1 材料与方法

1.1耳廓的CT扫描和数字化模型的建立

1.1.1术前一般情况

德国学者MAX1926年提出了著名的MAX分型，本研究将各类型的小耳畸形患者作为纳入标准，本文采用的两例小耳畸形患者均为耳垂型的小耳畸形患者，一例为右侧小耳畸形患者，另一例为双侧小耳畸形（右耳已完成耳廓重建术后）的患者，符合纳入标准。本研究采取第一期皮肤软组织扩张局部皮瓣的方式，再行二期手术完成耳廓再造。

1.1.2 CT扫描

采用64排螺旋CT分别对2例单侧小耳畸形患者进行颞骨薄层扫描，扫描层厚1mm，重建层厚0.5mm，层间距0.1mm，并以DICOM格式存储。此例为右侧小耳畸形患者的CT图像（如图1），CT图像的处理主要利用Materialise的mimics15.0软件来实现。

图1 小耳畸形患者CT图像（左耳为正常耳；右耳为皮肤软组织扩张后的患侧耳）Fig.1 CT image ofmicrotia patient（the leftear is the normal ear,the rightearistheaffectedearafterthesurgeryofskinsofttissueexpansion）

1.1.3图像分割（阈值分割、区域增长、裁剪蒙版）

本文先用阈值分割和区域生长对CT图像进行自动分割，由于外耳耳廓软组织及耳廓软骨的灰度值存在差异,可采用灰度图像二值化的方法将外耳的耳廓形态与周围的组织区分开来,本文根据灰度图像的变化选取的阈值范围为[-500,400]，再通过裁剪蒙版的方法，先从整体的三维蒙版中裁剪选择出健耳耳廓，裁剪出外耳及耳后颞骨乳突部所在的大致区域，将其进行进一步的编辑修改与分割，分割出的结构除包含健侧耳廓外，还应包含耳廓与颞骨乳突部所形成的颅耳角结构。

1.1.4三维重建耳廓及镜像、平滑处理

将选取的健侧耳廓及其邻近的耳廓周围颞区的结构进行三维重建，并作镜像反求及平滑处理，得到与健侧耳廓完全相同的对侧耳的三维解剖图像，以STL格式存储。

1.2模型的设计及模型印模的设计

将三维重建的镜像耳导入3-matic 10.0软件中，通过调整参数选定感兴趣的区域，耳廓前表面应选定包含耳甲腔、耳屏、对耳屏、耳轮脚等结构，耳廓后表面则选定与颞骨乳突区所形成颅耳角角度的解剖结构，再通过光滑提取平面、偏移、加厚、布尔运算、平滑模型等操作，设计出一对3-D耳模，这对3-D耳模分别与耳廓前、后表面的亚解剖结构能完全贴合。

在3-matic软件中，分别为这对3-D耳模创建一大小合适的长方体，进行交互式平移、旋转后，长方体的体积恰能完全覆盖3-D耳模的结构，再与3-D耳模进行布尔加减运算操作，分别设计得到了这对3-D耳模的印模的三维图像，用于后期打印这对3-D耳模的印模。

此阶段同时对三维重建的对侧耳进行修薄处理，得到的对侧耳廓的三维图像，再用同样的方法制作对侧耳廓的印模的三维图像。

1.3铸造硅胶耳廓模型及3-D硅胶耳模

1.3.1 FDM快速成型

本实验利用3D打印机Z-print 510进行FDM快速成型，精度为0.1-0.4mm。选择高分子热塑性材料聚乳酸（PLA材料）送入热熔喷头，喷头内加热溶化成丝状后喷出，按计算机设计的路径沿截面轮廓运动，将半流动的热塑性材料填充到指定位置并最终冷却凝固，依次逐层堆叠最终成型，打印出制作3-D耳模的印模。

1.3.2硅胶复模

以硅胶为原料，以PLA材质的耳模的印模为样本，从打孔处注入硅胶混合物浇注样件，冷却成型后得到3-D硅胶耳模。同样的方法铸造对侧硅胶耳廓模型，分别对3-D硅胶耳模和对侧硅胶耳廓模型进行消毒、灭菌处理。

1.4 3-D硅胶耳模的应用

在现有的耳廓定位方式的基础上，根据3-D耳模表面的凸凹结构切削肋软骨支架，实现再造耳的解剖亚结构的精确定位与重建。利用硅胶镜像模型作为软骨雕刻的模板，在软骨支架表面包裹扩张的皮瓣；将3-D硅胶耳模固定于再造耳的耳廓表面，维持再造耳廓的颅耳角度，用绷带进行常规加压包扎2周，关注耳廓的血运情况及皮肤颜色，调整耳廓加压包扎的松紧度。

1.5疗效评判

对2例进行耳廓再造患者二期术后1年左右的再造耳术后效果进行评判，根据国内庄洪兴提出的小耳畸形耳再造疗效的判断方法[9]，对比患侧耳手术前后的形态。

2 结果

图2 Mimics软件重建的三维耳廓图像Fig.2 3-d reconstructed imagesof auricleby M im ics softwareA健侧耳廓的三维图像；B重建耳的三维图像A 3-d imagesofnormalear;B 3-d imagesof reconstructed ear

图3 3-D耳模结构的设计。Fig.3 the design of 3-D earmouldA重建的镜像耳廓及3-D耳模的三维图像;B 3-D耳模正面观; C3-D耳模背面观;D 3-D耳模背面观;E 3-D耳模内侧面观；a、b、c、d、e、f分别是与耳廓表面三角窝、耳甲艇、耳甲腔、颅耳角、耳屏、对耳屏相对应的3-D耳模上的表面标志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.

图4 设计的3-D耳模的印模的三维图像和镜像耳廓模型的印模的三维图像。Fig.4 The designed three-dimensional images of 3-D earmould andm irrored auriclemodelA维持耳廓后表面形态的3-D耳模的印模;B维持耳廓前表面形态的3-D耳模的印模;C镜像耳耳廓的印模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

图5 重建的硅胶耳廓模型及3-D硅胶耳模Fig.5 Themirrored earand 3-D earmouldwith siliconematerialA镜像耳硅胶耳廓模型；B镜像硅胶耳廓与3-D硅胶耳模结构进行拟合图；C、D为3-D硅胶耳模；a、b、c、d、e、f分别是与耳廓表面三角窝、耳甲艇、耳甲腔、外耳道、颅耳角相对应的3-D硅胶耳模上的表面标志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疗效的分析、结果的判定

两例小耳畸形患者再造耳廓位置精确，颅耳角角度适中，形态、大小协调，对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结构显示较清晰（图6），再造耳廓长期保持稳定，雕刻的肋软骨支架无软化、吸收、变形。

图6 小耳畸形患者术前术后耳廓外形图Fig.6 Theappearanceof the reconstructed earA耳廓重建前的左耳廓形态；B3-D耳模完成耳廓重建后的左耳廓形态A The preoperative postoperative appearance of the left ear auricle;B The preoperative postoperative appearance of the leftauricle（3-D earmouldmethod）.

3 讨论

3.1国内外小耳畸形耳廓重建的研究进展

近年来，基于CT数据的三维重建、快速成型技术及硅胶复模方式在小耳畸形耳廓重建术中均有应用，这类技术的应用突破了传统耳廓重建中采取人为绘制二维胶片辅助耳支架雕刻的方式，可雕刻出解剖精度更高的三维立体耳廓外形。张天宇等[10]通过mimics软件重建并制作一个新的模型辅助术中对耳廓的位置、耳甲腔深度等解剖结构的细节性定位，黄雪梅[11]等使用CAD/CAM系统进行义耳的设计和雕刻，根据健侧耳廓镜像重建出对侧耳廓，采用硅胶复模方式制作与健耳相似度较高的对侧硅胶耳廓模型，植入对侧耳皮下，完成耳廓重建。对颞骨CT数据进行耳廓形态的三维重建，逐渐被应用于临床耳整形的手术中。同时，硅胶材料由于其质地适中、便于消毒等特点是应用于耳廓重建术中，作为压迫和塑型肋软骨耳支架中的一种理想材料。目前在耳整形手术中尚缺乏既能作为定位和细节性雕刻肋软骨耳支架的导板，又能术后维持雕刻的耳廓形态的硅胶耳模。因此，联合这两种方式使耳廓重建数字化、精确化，可作为辅助耳整形的新的选择。

3.2 3-D硅胶耳模的创新点

FDM成型技术是3-D打印技术之一,利用FDM成型技术打印出3-D耳模的印模,再采用硅胶复模的方式铸出3-D硅胶耳模。3-D硅胶耳模的创新点如下：一、手术设计方面，术前多次对铸造的硅胶耳廓模型表面的各解剖亚结构与铸造的3-D硅胶耳模上相对应的位置进行拟合，提高术前对术耳耳甲腔、耳甲艇、耳屏、对耳屏等表面的立体解剖结构有充分的把握和直观感受，对手术过程有直接的指导作用。二、术中雕刻方面，①3-D硅胶耳模作为耳支架雕刻的导板，标记其表面的各精细解剖亚结构，并将其贴合于待雕刻的肋软骨支架表面，便于术中根据3-D耳模来判断各解剖亚结构的位置及深度，完成耳支架的进一步削切；②术中以3-D耳模来调整颅耳角角度，取代传统手术中通过目测法或根据术者主观感受来调整颅耳角角度的方式，避免传统手术中因颅耳角不对称导致的二次手术的可能。三、耳廓的固定和压迫方面，①传统小耳畸形手术皮片移植后，往往采用打包包扎法，用棉花或质地较柔软的细纱布，逐层堆在移植的皮片上，达适当的厚度后进行交叉打包包扎，而本研究采用硅胶复模的方式，铸型的材料选取与人耳硬度最为相近的硅胶材质，这种3-D硅胶耳模质地柔软，使塑形包扎再造耳廓支架表面的受力均匀一致，且能减轻对耳周皮肤的压迫，避免常规包扎压力不均衡致耳廓形态再次变形的可能；②患者利用个体化设计的3-D耳模固定及压迫耳廓，使重建的耳廓形态保持高精度的恢复，术后患者重建的耳廓外形逼真，颅耳角角度精确化，耳甲腔、颅耳角等表面骨性标志明显，符合人们对耳整形精准治疗的美学需求。此外，3-D硅胶耳模可多次消毒、灭菌，也应用于后期耳道成形术中耳道位置的确定。因此，硅胶镜像耳廓模型与3-D硅胶耳模辅助个体化耳廓重建，是小耳畸形耳廓重建的一种新选择。

3.3耳模及镜像耳耳廓三维数据的细节性处理

本文主要针对单侧小耳畸形患者进行手术方式的讨论，而对于双侧小耳畸形的患者，则根据患者头型采取比例相似的正常人进行耳廓外形的3-D打印以及3-D硅胶耳模的设计。由于本研究通过扫描小耳畸形患者CT数据进行mimics耳廓重建时，耳廓软骨与耳廓皮肤软组织的界限差异并不十分明显，无法完整将耳廓软骨与耳廓皮肤软组织精确完整的区分开，考虑到术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肤软组织扩张的皮瓣或移植的皮瓣，皮瓣具有一定的厚度(约2mm)，为排除包裹耳廓皮瓣的厚度对耳廓支架的体积造成的偏差，故采用软件对三维重建的对侧耳图像进行修薄处理(修薄2mm)，铸造3-D硅胶耳廓模型用于术中耳支架雕刻的模板，进行模拟雕刻。本研究主要针对3-D耳模对小耳畸形耳整形手术的探索性研究，但有推广价值，可进一步临床试验。

3.4耳廓重建耳再造手术的展望

术后长期佩戴维持颅耳角角度的模具的效果有待于长期随访，及后期与传统的耳廓重建手术方式进行对比研究。雕刻的耳廓支架覆上皮瓣后，皮瓣厚度的把握对再造耳的逼真度有一定的影响，仍是为当前未解决的问题。根据现阶段人们对耳整形手术越来越精细化治疗的需求，取代传统手术中根据术者主观审美雕刻耳支架方式，实现耳廓再造精准个性化的雕刻有待于我们进一步的探索。

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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审核人：邹艺辉)

10.3969/j.issn.1672-2922.2017.02.024

唐玲，硕士，耳科学

田广永,Email:782683004@qq.com