结合三维立体几何学及3D MAX软件探究小耳畸形患者三维耳支架雕刻技术

彭 旭,魏 斌,李立仲,高维宜,王文娟,石伟强,魏 超,唐道臣



耳再造

结合三维立体几何学及3D MAX软件探究小耳畸形患者三维耳支架雕刻技术

彭 旭,魏 斌,李立仲,高维宜,王文娟,石伟强,魏 超,唐道臣

目的 结合三维立体几何学及3D MAX软件探究小耳畸形患者三维耳支架拼接雕刻技术。方法 58例先天性小耳畸形患者，采用外耳膜片为二维平面模板转化到三维立体雕刻的塑形方案，术前精确设计肋软骨，取第6～8肋软骨；根据健侧外耳的三维结构特点，运用三维立体几何测绘计量，在外耳膜片导引下，术中用刻度尺在软骨标识选取合适部位进行截断，结合3D MAX软件重建模拟的立体耳；逆向思维，即重建的3D外耳模型是由多个微小积木堆集而成，我们所做的即是先将3D模型虚拟演练分割成若干“积木”状骨块，然后再将若干“积木”状骨块拼接组建成一个三维立体模型。结果 术后随访1年，42例患者再造耳郭与健耳匹配，空间三维结构及局部亚单位形态逼真，颅耳角的角度与健耳对称。结论 结合三维立体几何学并运用三维耳支架雕刻，有利于使再造外耳形体精确逼真，同时合理的预先设计，利于减少供区的损伤及胸壁畸形的发生率。

小耳畸形; 耳郭再造; 肋软骨; 雕刻拼接; 3D模型

小耳畸形是常见的先天性疾病，国内学者研究发现其发病率约为0.0 014%[1]。由于外耳耳郭表面凹凸不平，各种结构精细，使得先天性小耳畸形的耳郭重建被认为是修复重建外科极富挑战性的技术之一。在外耳再造术中，自体肋骨一直是耳再造支架的首选材料，再造出与正常耳外观无限接近的耳郭，仍是整形外科医师追求的目标[2-5]。自2013年7月至2015年10月，北京市武警总队第三医院整形外科选用结合三维立体几何学及3D MAX软件雕刻拼接耳支架，对58例先天性小耳畸形患者进行治疗，术后外耳形态及结构满意。现报道如下。

1 临床资料

本组患者58例。男性32例，女性26例；年龄6～37岁，平均15.5岁。左侧28例，右侧20例；双侧10例，均采用扩张皮瓣法耳再造术，Ⅰ期耳后置入皮肤扩张器。术后7 d开始分次注入生理盐水约60 ml并静止扩张30 d；Ⅱ期选用结合三维立体几何学及3D MAX软件，对耳支架进行雕刻拼接及植入；术后6个月，行Ⅲ期再造耳修整及耳甲腔加深。

2 方法

2.1 设备与软件资料 计算机：处理器酷睿Q8300显卡；ATIHD5750 硬盘希捷1Twindows 7操作系统软件：3D Studio Max，常简称为3ds Max或MAX，是Autodesk传媒娱乐部开发的基于PC系统的全功能三维计算机图形软件。

2.2 耳膜片的制备及3D外耳模型组建 术前用透明的X线胶片依据患者健侧耳外形，修剪制成耳模片，双侧小耳患者一般选用父母的耳朵临摹出模片。沿制成的耳模片外边，于图纸上勾画出轮廓，并建立坐标轴，测量出L1、L2、角度大小等术中所需的数值(图1a)，再将二维模型置于3D MAX软件进行重建。我们通过3D MAX软件在计算机中重建模拟出的立体耳(图1b)，进行任意的旋转观察，同时结合标识有经纬线，可初步获得一些关于再造耳的长、宽、高等三维数据。对如何将骨架结构组建进行思维演练，使重建的3D外耳模型分割成若干“积木”状骨块，然后完成对若干“积木”状骨块拼接，组建成一个三维立体模型。

2.3 肋软骨的制备及骨支架的雕刻拼接 完整的立体耳支架要具备3层结构，从上到下依次为：耳轮、主体和基座。制备时首先明确形成主体和耳轮的软骨部分，将剩余的软骨块切割形成对耳轮下脚、主体耳垂部分、基座等结构。肋软骨均取自患耳同侧的胸部，因为同侧肋软骨向内、后、下方的空间转角弧度，与同侧耳轮及对耳轮向外、前、下的三维变化弧度相近似。结合平面坐标轴测绘健耳大小，再运用3D MAX软件模拟需要采取的肋软骨量的多少，综合设计耳支架的雕刻方案。一般第6、7肋软骨较宽适合雕刻形成主体的耳舟部分，第8肋相对比较长且柔软，适宜弯曲用作形成耳轮；儿童的耳支架雕刻一般依据健耳的大小可采取第6～8肋，第6、7、9肋，或第7～9肋3根肋软骨；而成人的肋软骨较儿童的宽且厚，往往采取第7、8肋软骨或第7肋软骨即可完成耳支架的雕刻。

成人耳支架雕刻：⑴依据术前测量及3D MAX软件演化设计方案，我们评估出采用第7、8肋软骨，即可完成骨架的制备，将透明的耳郭模片放置在第7肋软骨最宽处并用亚甲蓝画线标记(图1)，沿外侧设计线将其分割成为两部分。上部翻转倒置放于新月形骨架下，用于主体耳垂部分；下部依据耳郭模片制作一近似新月形软骨，作为主体耳舟部分，在耳舟部行倒锥形雕刻，完整移除一舟状，用以形成耳舟及对耳轮角，参照所测成角度数α，在第8肋软骨处切取L形软骨，以固定主体耳舟内侧，形成对耳轮下脚。结合平面所测弧长，在第8肋外侧缘切取长条形软骨，使其在低张力、易弯曲的情况下，固定于主体外缘，用于形成耳轮部。⑵将耳舟部与耳垂部，耳舟部与L形骨块依次用5-0钢丝缝合，形成构建主体，同法完成主体和耳轮的拼接。如果患者的对耳轮较为突出，可将形成耳舟去除的新月形软骨组织反转放置，用5-0可吸收缝合线固定于支架主体上，用于堆砌抬高对耳轮部分。第8肋软骨剩余较大的软骨块主要用于构建基座。为了避免移动，在第8肋骨上即和主体对耳轮衔接处做凹面处理，形成类似中国古代建筑木装榫卯结构，用以增加骨架稳定性。⑶根据正常耳郭的高度，结合3D MAX软件重建模拟出立体耳测定的高度，测出耳轮中段距离底座最低点距离，一般为3.0～3.5 cm。将肋软骨条按对侧耳的高度逐层累加，可保证支架的高度与正常耳郭基本一致，同时支架软骨层层内收，可产生错落有致的美学效果[6]，恰好能够用于维持耳郭支架的高度和前倾形态。若第7肋软骨发育良好且较宽大，仅用一根肋软骨通过雕刻、拼接，足以完成耳支架的制备。见图2～5。

儿童耳支架雕刻：以最常用的第6～8肋软骨为例，将透明X线片制作的耳郭膜片放置于第7肋软骨最宽且弧度符合度最高处切取，去除新月形软骨块，形成主体耳舟部分。沿第8肋软骨冠状面切取厚3～4 mm片状、厚薄均匀的长条软骨以形成耳轮，并以5-0钢丝坚固缝合在主体外缘。将第7肋剩余软骨或第8肋切取L形软骨形成对耳轮下脚；将耳舟处去除的新月形软骨块放置固定于对耳轮处，以增加对耳轮高度；将第6肋软骨切割形成基座部分，以加深耳甲腔及抬高耳郭高度。

3 结果

58例Ⅲ期术后患者获随访10个月至1年，3例因外耳耳郭较硬，耳郭毛发附着较多对再造耳形态不满意；13例可以接受；42例再造耳形态效果良好(图6)。所有患者术后再造耳郭与健耳匹配，空间三维结构及局部亚单位形态逼真，颅耳角的角度与健耳对称。未见明显胸廓畸形。

4 讨论

目前，对再造耳效果的评价尚无量化的指标[7]。但我们运用三维立体几何学和3D MAX软件，为耳郭的术前构建设计提供了量化的数据，要在平均4.0 cm×6.0 cm大小的截面积上展现外耳轮廓高低错落的14个解剖结构，以及不可预知的术后效果，使得耳郭重建成为最具挑战性的头面部整形修复手术之一。我们尝试将其构建各个亚机构的所需的数值化，可避免操作的盲目性，增强了临床的科学性和严谨性。

图1 立体耳设计 a. 胶片设计 b. 电脑设计 图2 耳结构示意(a为耳轮部分，b～e为主体部分，f为基座部分) 图3 形成类似中国古代建筑木装榫卯结构 图4 耳模片与三维耳支架 图5 术后即刻 图6 单侧先天性小耳畸形手术前后对比
a. 术前(例1) b. 术后10个月(例1) c. 术前(例2) d. Ⅱ期术前(例2) e. Ⅲ期术后1年(例2)
Fig 1 Design of 3D ear. a. design of film. b. computer design. Fig 2 Diagram of the auricular structure (a. helix. b～e. main body. f. pedestals). Fig 3 Formation of 3D ear like tenon structure of Chinese ancient architecture. Fig 4 Diagram of the auricular film and 3D auricular scaffold. Fig 5 immediate postview. Fig 6 Comparison between the preview and the postview of unilateral microtia surgery. a. preview (Case 1). b. postviw at 10 months (Case 1). c. preview (Case 2). d. preview of the second stage surgery(Case 2). e. pstview at 1 year of the third stage surgery (Case 2).

医学图像的三维重建直观立体地显示出了人体组织器官的结构，三维重建耳模型可进行任意的旋转观察，帮助术者初步实现了外耳再造术前手术设计、需取肋骨量及三维数据的测量。运用三维立体几何学对耳模平面测绘计量，以及应用3D MAX软件完成对立体模型图的设计，使得对软骨的取骨量多少及拼接时空间角度数值有了参考。如参照测得平面测量所得的L1宽度，用刻度尺挑选适宜肋软骨、适宜做主体部位，L2测定L形软骨大小，参照所测成角度数α在第8肋软骨处切取L形软骨，用于固定主体耳舟内侧，形成对耳轮下脚。与Brent[8-9]及 Nagata[10]的雕刻方法相比较，我们发现在本组患者的耳支架制作中，通过对参照L1、L2、角α等数值以及对传统耳支架雕刻方法的改进，在保证支架雕刻所需肋软骨量的前提下，众多的亚结构(舟状窝、三角窝、对耳轮、对耳轮上角和对耳轮下脚)可以通过雕刻及软骨的拼接获得,很大程度上规避了对软骨的盲目切取，降低了胸壁畸形的发病率。

我们采用局部肋软骨雕刻塑形再到耳支架整体组装技术,摆脱了Brent法需要利用第6、7肋软骨联合部位进行耳郭支架中上部分构建的观念，即3D外耳模型是由若干“积木”状骨块拼接组建成，增强了术者对耳器官结构的了解，利于术者对耳软骨空间构建思维的培养，增强了术者的空间立体感，减少了不必要的时间耗费，使得外耳支架组装流程更加娴熟，也使得术者更加注重耳郭的局部细节的组建。

我们将一块软骨组织拼接到大块软骨组织上，构成了类似软骨联合的结构，能够用来形成三角窝、对耳轮上脚和下脚。支架不仅要求构建耳郭表面结构，而且需要具有良好的立体形态。Brent法需要在另外一次手术中将楔形的基座放置在再造耳郭下方，用以维持立体形态[11-12]。Nagata改进了Brent的雕刻方法，在支架的尾端添加了耳屏结构组件。这种方法虽然可以形成耳屏，但远远增加了肋软骨的用量，通常需要采集第5～8肋软骨。我们采用的耳郭支架尾端逐渐变细，能够节约肋软骨用量。耳屏的形成主要在另外一次手术中通过局部的皮瓣折叠形成。

软骨的雕刻过程中，需要遵循以下几个原则：⑴雕刻形成耳舟和三角窝时，需要考虑被覆皮瓣的情况，可以适当夸张。⑵耳轮、对耳轮和耳甲腔3个结构的弧线应当光滑、流畅。⑶构建耳轮时，雕刻成厚度均匀的3 mm左右的板状结构，避免在弯曲时，因承受力量不均而出现“成角”外观；构建的耳轮与主体结合的部位应比较平整，同主体结合后，非常稳固；耳轮缘应当圆滑，防止因表面覆盖皮瓣而受到卡压，出现血运障碍[13]。⑷在第8肋骨上与上层骨架衔接处做凹面处理，形成类似中国木装榫卯结构，增强了骨面间接触面积，从而加强了骨块间的摩擦力，降低了骨块的活动度，使得骨架结构牢固、稳定。由此可见，三维支架雕刻技术是医学和建筑工程学等其他学科思维融合的一种体现，术者不仅能形象有效地展现外耳轮廓高低错落的解剖结构，而且也能够保证骨支架牢固和稳定。

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Explore of auricular 3D-scaffold carving by 3D MAX software combined with 3D-stereometry for microtia patients

PENGXu,WEIBin,LILi-zhong,GAOWei-yi,WANGWen-juan,SHIWei-qiang,WEIChao,TANGDao-chen.

(DepartmentofPlasticSurgery,TheThirdHospitalofBeijingPeople′sArmedPoliceCorps,Bejing100039,China)

WEIBin,Email:18613873748@163.com

Objective To explore the3D auricle stitching engraving technology by 3D MAX software combined with 3D-stereometry for microtia patients 3D auricle stitching engraving technology. Methods The external diaphragm for planar template into a 3D sculpture shaping was adopted for the 58 patients with congenital microtia. The accurate preoperative design was performed and 6th to 8th costal cartilage were harvested; according to the characteristics of the 3D structure of the contralateral ear, 3D solid geometric measurement was used, under the guidance of the outer ear film and the marking with the scale, the appropriate parts of the cartilage was truncated and then the 3D simulated ear was reconstructed combined with 3D MAX software reverse thinking, the reconstructed 3D ear model was collected with many of tiny bricks, what we do was dividing the first 3D model into several brick-shaped bones, and then forming these brick-shaped bones into a 3D model. Results All patients were followed up for 1 year, the reconstructed ears on 42 cases matched with the normal ears, 3D structure and local subunit shape were lifelike, the angle of cranioauricular angle was symmetric to the normal ear. Conclusion The 3D sculpture of auricular framework combined with 3D solid geometry conducive to making reconstruction auricle shape accurate and vivid, at the same time, the reasonable preoperative design can also reduce the incidence for zone of injury and chest wall deformity.

Microtia; Auricular reconstruction; Costicartilage; Carving and stitching; 3D model

100039 北京,武警总队第三医院 整形外科

彭 旭(1990-)，男，河北保定人，住院医师.

魏 斌,100039，武警总队第三医院 整形外科，电子信箱:18613873748@163.com

10.3969/j.issn.1673-7040.2016.04.004

R622

A

1673-7040(2016)04-0202-04

2015-12-28)