陳祎，熊猛

(東南大學 醫(yī)學院，江蘇 南京 210009)

·綜 述·

三維掃描技術在整形外科中的臨床應用研究進展

陳祎，熊猛

(東南大學 醫(yī)學院，江蘇 南京 210009)

三維掃描技術應用于臨床已有20多年歷史，隨著三維掃描技術的不斷改進，其精確度顯著提高、操作愈簡便，這使得近年三維掃描技術在整形外科專業(yè)中應用越來越廣泛，作者擬對三維掃描在整形外科專業(yè)中的臨床應用研究進展進行綜述。

三維掃描技術； 整形外科； 臨床應用; 文獻綜述

三維掃描技術是集合了光、電及計算機技術于一體的新技術，其主要通過光、射線獲取物體外表面的空間坐標，將物體的空間信息轉(zhuǎn)換為計算機可識別的數(shù)字信號，具有高速度、高精度等優(yōu)點。近年來三維掃描技術廣泛應用于眾多領域，如服裝制作、塑料部件、金屬鑄件和鍛造、口腔牙齒及畸齒矯正、整形及器官再造等。整形外科治療范圍涉及體表皮膚、肌肉及骨骼等，對人體的形態(tài)學測量需求很高，傳統(tǒng)的接觸式測量方法速度慢、精度低，而三維掃描技術完成了測量方式的變革，克服了傳統(tǒng)測量方法的缺點，具有非接觸、速度快、操作簡便等優(yōu)點，在臨床應用上取得了良好的效果。通過對國內(nèi)外文獻的分析，總結(jié)了當前三維掃描技術在整形外科的臨床應用，具體綜述如下。

1 三維掃描技術

三維掃描技術根據(jù)掃描方式分為接觸式和非接觸式。接觸式掃描是通過實際觸碰物體表面的方式計算深度(深度指的是物體表面突出部分至凹陷部分的厚度，工科上用深度表示)，但其在掃描過程中必須接觸物體，可能造成組織損傷，故應用范圍較小。非接觸掃描方式是通過光、射線等對物體進行掃描，根據(jù)掃描原理可分為激光掃描技術、結(jié)構(gòu)光掃描技術、立體攝影測量技術、光柵投影技術、計算機體層攝影技術(computed tomography，CT)等[1]。其中激光掃描技術、結(jié)構(gòu)光(可見光)掃描技術及CT在整形外科均有應用。CT掃描技術是通過射線對人體進行掃描，對人體有輻射、可重復性較差，不適合整形外科常規(guī)使用。而激光掃描技術及結(jié)構(gòu)光掃描技術因其對人體無輻射，且具有非接觸、被測物無形變、重復性好、測量精度高等特點，更適用于整形外科人體形態(tài)的建模及三維數(shù)據(jù)測量。

2 三維掃描技術在面部整形中的應用

2.1 面部三維數(shù)據(jù)庫的建立

容貌美是人體美最主要的組成部分，這也是整形美容外科醫(yī)生關注的最重要的部分之一。人們欣賞人的容貌，通常是對面部軟組織進行評估，因此，通過對面部軟組織形態(tài)的測量，以對面部輪廓和面部器官進行評價是國內(nèi)外學者多年來一直研究的方向[2]。三維圖像技術改變以往手工測量的方式，更精確且非接觸。面部三維數(shù)據(jù)最大的優(yōu)勢在于能夠獲取面部顯示的三維空間結(jié)構(gòu)描述，克服傳統(tǒng)二維數(shù)據(jù)易受光照、視圖影響的缺點[3-4]。多個學者研究發(fā)現(xiàn),東亞黃色人種面部特征與白種人有顯著差異[5-6]。盡管如此，西方人的面部標準還是常常被用于亞洲人的面部分析，我們?nèi)狈χ袊俗约旱拿娌刻卣髦笜?。齊向東[7]采用三維激光全息掃描儀采集當?shù)貥藴嗜巳旱娜S面部數(shù)據(jù)，隨機抽取青年學生、干部、職員或者工人，從500人的照片中篩選出60名(男∶女=1∶1)符合大眾審美觀點的研究對象進行三維掃描，獲得的圖像拼接為頭面部的三維數(shù)字模型，并建立了中國女性區(qū)域性面部三維數(shù)據(jù)庫。面部對稱性也是構(gòu)成面部美學標準的一個重要因素。Jayaratne等[8]利用立體三維攝影技術獲取了103名18～35歲中國人的三維照片，測量了這組人群的鼻部形態(tài)參數(shù)，將結(jié)果與既定的白人鼻部標準分析對比后，認為中國人鼻寬、鼻尖角、鼻額角及鼻翼坡度數(shù)值高于白人。因此，中國人的面部三維數(shù)據(jù)庫的建立有助于幫助整形美容外科醫(yī)生為患者量身訂制手術設計方案，滿足患者的心理需求，同時也增進了醫(yī)生與患者之間的交流。

2.2 眼眶部整形

對于面部先天畸形或是后天創(chuàng)傷缺損的患者，醫(yī)生關注的常常是面部的完整性、對稱性。三維掃描技術可以模擬患者需要修復整形的部位，在術前進行手術模擬、設計，提高手術成功率及患者滿意度。Gellrich等[9]以CT三維數(shù)據(jù)進行眼眶部的三維重建，利用所得數(shù)據(jù)制作了一個樹脂的贗復體眼球，幫助患者進行單側(cè)眼眶缺損的修補。吳國鋒等[10]也同樣用CT三維數(shù)據(jù)進行了1例單側(cè)眼眶缺損病人的治療。畢云鵬等[11]利用結(jié)構(gòu)光三維掃描儀結(jié)合三維成像軟件對1名單側(cè)眶部缺損患者進行三維重建，并對健側(cè)眼部進行三維測量，獲得了眼眶部各個標志點、線的測量數(shù)據(jù)。因此，正常眼部的三維數(shù)字化模型能夠為單側(cè)眼眶缺損的患者治療提供重要的參考，并為眼部贗復體的制作提供精確的測量數(shù)據(jù)。

2.3 鼻部整形

外鼻術前參數(shù)的精確測量對于隆鼻術后的效果評估至關重要。吳丹雯[12]利用CT三維重建鼻部結(jié)構(gòu)及立體三維照片分析了110名中國女性的鼻部特征，獲得女性外鼻的20個指標，并在臨床的鼻整形手術中驗證了這些指標，取得良好的臨床效果。蔣承安等[13]利用激光掃描技術輔助鼻再造的術前設計，對額部皮瓣進行表面積掃描測量并進行形態(tài)設計，使皮瓣轉(zhuǎn)移后能重建具有較好的外鼻部結(jié)構(gòu)，并與實際術后形態(tài)進行對比，效果滿意。Szychta等[14]采用新型的光學掃描儀對54例隆鼻求美者進行術前和術后6個月的掃描，比較了術前術后鼻的比例、角度等和空間參數(shù)，其結(jié)果差異有統(tǒng)計學意義，術后鼻部三維數(shù)據(jù)更接近美學標準。總之，三維掃描技術可以作為一種工具，術前可設計鼻再造的皮瓣大小形狀或者獲取隆鼻前的外鼻空間參數(shù)，術后可評估隆鼻的效果并獲取鼻部形狀的空間變化數(shù)據(jù)。

2.4 耳部整形

耳是面部器官中結(jié)構(gòu)最復雜、精細結(jié)構(gòu)最多的器官，傳統(tǒng)的手工測量無法獲得精確的耳結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。三維掃描技術提供了這樣一個契機，它可以快速、高精度獲取患者健側(cè)耳廓的精細結(jié)構(gòu)空間數(shù)據(jù)，為術前術中提供重要參考。張海林等[15]利用三維掃描技術對單側(cè)小耳畸形患者的健側(cè)耳進行掃描，獲得的點云數(shù)據(jù)導入計算機三維軟件后進行三維建模，并通過鏡像獲得患側(cè)耳廓外形，輔助三維打印技術獲取三維耳廓模型，為手術中耳廓支架的雕刻和贗復體制作提供了更加精確的指導。燕靜杰等[16]應用三維激光掃描技術對先天性小耳畸形患者的再造耳廓及正常耳廓進行掃描、處理、建立數(shù)字化三維耳廓模型，在此基礎上測量再造耳廓和正常耳廓的長度和寬度，研究患者再造耳廓及正常耳廓生長情況，為臨床選擇適合的手術年齡及合適大小的耳廓支架提供科學依據(jù)。因此，除了提供精確的耳廓三維模型外，三維掃描技術還可以為醫(yī)師的手術和贗復體的制作提供更為精確的指導，同時成為術后再造耳形態(tài)、結(jié)構(gòu)的遠期評估手段。

2.5 唇部整形

唇裂治療效果的評價一直是唇裂研究的熱點，但對其具體的評價方法、標準和體系卻沒有定論。余喬立等[17]對18例單側(cè)唇裂患兒在術前使用結(jié)構(gòu)光三維掃描儀獲取面部三維數(shù)據(jù)，在計算機中重建面部三維圖像并進行定點測量。術中對相同的面部標志點進行直接測量,將三維掃描測量與直接測量結(jié)果進行比較，兩種方法測得的指標均具有高度準確性，其結(jié)果之間差異無統(tǒng)計學意義。單側(cè)完全性唇裂的患兒常伴有鼻畸形，利用三維掃描技術可以同時對這兩部分進行測量評估。王濤等[18]對臨床72例單側(cè)完全性唇裂患者根據(jù)有無同期進行鼻整形聯(lián)合硅橡膠鼻模矯形進行分組，利用可見光三維掃描儀對每組患兒采集鼻部形態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)果表明在鼻翼長度、鼻基部長度、鼻孔高度等方面的改善程度上實驗組明顯優(yōu)于對照組。因此與傳統(tǒng)方法相比，三維掃描技術測量獲得的數(shù)據(jù)更精確、高效且重復性好，是唇裂手術前后對照研究及頜面部畸形形態(tài)學研究的最有前景的方法，并可以建立評價單側(cè)唇裂修復術后效果的新的評估體系。

3 三維掃描技術在乳房整形中的應用

3.1 乳房三維形態(tài)測量方法

乳房整形美容手術必然牽涉到乳房術前及術后三維形態(tài)的變化，乳房三維形態(tài)的評估及測量也一直是整形美容外科醫(yī)師關注的熱點。目前已被報道的乳房體積形態(tài)測量方法共有9種，可以根據(jù)其測量原理分為3類：影像法，包括磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)、超聲和CT測量；自然法，包括三維建模、排水體積法和胸模法；幾何法，包括Grossman-Roudner、人體測量計算和X線攝片[19]。這幾種測量方法中MRI和三維建模(三維掃描后計算機進行三維重建)的方法準確度最高，且對人體無不良作用。但這兩種方法也各有利弊，三維掃描重建乳房形態(tài)的精確度比MRI更高且乳房處于自然狀態(tài)被測量，但MRI可以進行軟組織顯影，顯示乳房中的乳腺、脂肪，并能反映乳房的疾病。Kovacs等[20]比較了MRI和激光三維掃描的方法測量乳房體積，結(jié)果顯示:激光三維掃描成像技術在表現(xiàn)乳房形狀和測量乳房體積方面效果較好，而MRI由于其在分辨軟組織類型上的優(yōu)勢，在了解乳腺發(fā)育情況方面表現(xiàn)出色。Kovacs等[21]還比較了激光三維掃描技術與傳統(tǒng)手工測量方法獲得的乳房表面形態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示三維測量數(shù)據(jù)更加精確、變異性更小、重復性好。在利用三維掃描技術進行乳房形態(tài)測量中，要注意乳房在胸廓表面測量時乳房體積會受到呼吸運動時胸廓起伏的影響。劉春軍等[22]通過三維掃描技術分別測量了自然呼氣末、自然吸氣末和平靜呼吸不同呼吸狀態(tài)下乳房的體積，使用計算機軟件測量每兩組間的乳房體積變化和三維偏差，結(jié)果顯示兩次掃描中呼吸狀態(tài)不一致，乳房體積測量偏差將超過20 ml，一致的情況下小于10 ml。因此，每次掃描時保持乳房呼吸狀態(tài)的一致性，對于準確測量乳房體積變化具有重要意義。

3.2 乳房整形及重建

在乳房整形手術中雙側(cè)乳房的對稱度具有重要意義，關系到術前醫(yī)師如何選擇手術方案、術后效果評估、患者滿意度等，同時也是評價乳房美學形態(tài)的一個重要指標。劉春軍等[23]對167例隆乳術患者進行術前乳房三維掃描，使用計算機軟件分析乳房三維模型，測量兩側(cè)乳頭水平、下皺襞水平、乳房寬度和凸度、乳房體積等差異，建立使用三維掃描技術進行乳房三維測量和對稱性評估的標準化方法，可以全面而客觀地評估乳房的對稱性。在乳房重建手術中，應用三維掃描進行乳房手術前的模擬、患側(cè)重建等可以提高患者的滿意度。Garson等[24-25]將光學三維掃描技術輔助逆向工程進行乳房三維數(shù)字化模型重建、仿真手術模擬、制作乳房實體模型，實現(xiàn)了乳房重建手術的個性化、量化的手術方案設計，術后乳房整形美容效果滿意。除了術前的評估，乳房術后的動態(tài)變化也是整形外科醫(yī)師關注的重要方面，傳統(tǒng)方法評估很難準確比較患者乳房的空間形態(tài)變化，三維掃描則可以精確比較乳房隨時間的空間動態(tài)變化。Ji等[26]對13名接受雙平面隆乳的患者進行術前及術后1、3、6個月的隨訪掃描，利用三維掃描技術及輔助計算機三維軟件對各個時間點乳房三維模型的投影、乳頭位置、乳房體積和乳房表面積進行測定，發(fā)現(xiàn)隆乳術后6個月左右乳房輪廓基本平穩(wěn)，雙平面隆乳法可以優(yōu)化胸型尤其是乳房下級。Choi等[27]利用三維掃描成像技術輔助計算機行自體脂肪隆乳術后體積測量，并且進行長期隨訪，對自體脂肪注射后的體積存留情況進行評估，結(jié)果顯示注射量越大，注射脂肪存留體積愈多。因此三維掃描技術提供了一個客觀量化的方法來評估假體隆乳或是自體脂肪隆乳術在一段時間后的乳房三維形態(tài)的變化，為臨床工作提供客觀理論依據(jù)，并且可以指導臨床醫(yī)師在進行乳房重建時選擇合適的假體或自體組織。

4 三維掃描技術在整形外科其他方面的應用

在整形外科中進行創(chuàng)面修復時，因組織量不足常需要擴張局部軟組織獲取足夠的組織，臨床上皮膚軟組織缺損面積借助粗略的手工測量，而皮膚擴張器置入的部位、注水量等則取決于臨床醫(yī)師的經(jīng)驗，缺乏準確的量化標準。張輝[28]應用自行開發(fā)的皮膚擴張術計算機軟件輔助立體攝影技術對臨床病例的擴張部位進行三維數(shù)據(jù)采集與處理，估算缺損面積，決定植入擴張器的大小、形狀和安放位置，輔助手術設計，術后效果滿意，并將結(jié)果與手工測量計算進行比較，發(fā)現(xiàn)二者結(jié)果誤差小于5%，這種方法為皮膚擴張術擴張皮瓣移轉(zhuǎn)的時機選擇、切口設計、結(jié)果預測等提供了參考依據(jù)。在人體各部使用擴張器植入術時如乳房重建、鼻再造、肢體瘢痕修復等，應用三維測量技術可提高手術前設計的科學性和準確性，并可以動態(tài)測量注水量與皮膚擴張面積的關系[29-30]。

5 三維掃描技術在整形外科中的展望

隨著各種先進的三維掃描儀器的更新?lián)Q代及輔助軟件的開發(fā)，三維掃描技術應用也越來越廣泛，越來越為臨床醫(yī)生及患者所接受。目前三維掃描技術在整形外科的主要應用有以下幾個方面：(1) 獲取并建立區(qū)域人群形體外貌的標準化三維數(shù)據(jù)庫。(2) 用于患者的術前評估及術前的個性化訂制手術方案設計，并進行術前模擬。(3) 獲得高精度的三維數(shù)據(jù)，輔助計算機軟件及逆向工程進行三維模型的打印，為手術提供更加精確的指導。(4) 術后與術前的效果評價，并可進行長期隨訪獲取動態(tài)三維數(shù)據(jù)資料，為臨床工作提供更多的科學依據(jù)。三維掃描技術有望代替二維攝影技術成為整形美容外科的常規(guī)評估手段，為患者提供個性化的設計方案，為人體器官再造提供更加準確的指導，有助于提高醫(yī)患溝通的效率、滿意度，增進醫(yī)患之間的信任等。

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2015-03-12

2015-04-13

陳祎(1990-)，女，江蘇宿遷人，在讀碩士研究生。E-mail:seuchenyi1990@126.com

陳祎,熊猛.三維掃描技術在整形外科中的臨床應用研究進展[J].東南大學學報:醫(yī)學版,2015,34(4):670-673.

R62; R814.42

A

1671-6264(2015)04-0670-04

10.3969/j.issn.1671-6264.2015.04．039