基于有限元模型的單側(cè)唇裂鼻畸形的生物力學(xué)分析

董雷王盛章宋建星

基于有限元模型的單側(cè)唇裂鼻畸形的生物力學(xué)分析

董雷王盛章宋建星

目的運(yùn)用有限元分析的方法，對單側(cè)唇裂鼻畸形患者鼻部進(jìn)行全面的生物力學(xué)分析和研究，從生物力學(xué)角度闡述唇裂鼻畸形形成的原因，揭示單側(cè)唇裂鼻畸形形成的力學(xué)規(guī)律，為單側(cè)唇裂鼻畸形患者的整形外科治療奠定生物力學(xué)理論基礎(chǔ)。方法自2007年至2009年，共采集單側(cè)唇裂鼻畸形患者10例，均在術(shù)前行CT和MRI掃描，MIMICS軟件進(jìn)行計算機(jī)三維重建，建立畸形鼻部三維有限元分析模型，確定有限元分析的邊界條件，進(jìn)行單側(cè)唇裂鼻畸形的鼻部生物力學(xué)的測量和分析。結(jié)果成功獲得單側(cè)唇裂鼻畸形患者的鼻部三維重建模型。分析表明，靜態(tài)下，畸形鼻部的應(yīng)力分布值很小，關(guān)鍵應(yīng)力點的應(yīng)力分別為鼻中隔部0.009 35±0.002 MPa，鼻小柱底部0.005 9±0.002 1 MPa，鼻翼外側(cè)腳0.006 81±0.001 3 MPa；位移載荷狀態(tài)下，形變后的畸形鼻部擁有較大的應(yīng)力分布值，關(guān)鍵應(yīng)力點的應(yīng)力分別為鼻小柱患側(cè)25.51±3.98 MPa，鼻中隔部7.882±1.35 MPa，患側(cè)鼻翼8.184±1.58 MPa。結(jié)論鼻小柱患側(cè)是畸形整復(fù)的力學(xué)關(guān)鍵部位，其次是患側(cè)塌陷鼻翼；鼻中隔應(yīng)力的集中，提示了鼻中隔部位整復(fù)的重要性，其整復(fù)和固定可能是單側(cè)唇裂鼻畸形整復(fù)的重要內(nèi)容。

單側(cè)唇裂鼻畸形三維重建有限元生物力學(xué)

單側(cè)唇裂鼻畸形是常見的先天性發(fā)育畸形之一，其治療以手術(shù)矯治為主。手術(shù)方法多種多樣，但由于唇裂鼻畸形的復(fù)雜性、患者較高的期望值，以及手術(shù)方法和植入材料的限制，整復(fù)效果不盡如人意。我們通過CT、MRI等影像學(xué)手段，對單側(cè)唇裂鼻畸形進(jìn)行影像學(xué)數(shù)據(jù)采集，通過計算機(jī)對單側(cè)唇裂鼻翼塌陷畸形進(jìn)行三維重建，獲得畸形鼻的形態(tài)學(xué)資料；運(yùn)用有限元分析的方法，對單側(cè)唇裂鼻翼塌陷畸形患者鼻部進(jìn)行全面的生物力學(xué)分析和研究，希望從生物力學(xué)角度闡述唇裂鼻畸形形成的原因，揭示單側(cè)唇裂鼻畸形形成的力學(xué)規(guī)律，為單側(cè)唇裂鼻畸形的整形外科治療奠定良好的生物力學(xué)理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 一般資料

本組共10例，均為左側(cè)唇裂鼻畸形，來自于2007～2009年在上海解放軍85醫(yī)院、長海醫(yī)院和第九人民醫(yī)院整復(fù)外科的患者。年齡10～18歲，其中男性患者7例，女性患者3例。均在0～3歲階段進(jìn)行過一期唇裂修復(fù)術(shù)，未進(jìn)行過鼻畸形的整復(fù)。主要表現(xiàn)為患側(cè)鼻翼塌陷畸形，或伴有鼻小柱偏斜、鼻尖分離等畸形。

1.2 方法

本組患者均在術(shù)前行CT和MRI的掃描，圖像數(shù)據(jù)以DICOM文件形式存檔，并傳輸至HP圖形工作站，用MIMICS軟件行計算機(jī)三維重建。將唇裂鼻畸形患者鼻部進(jìn)行三維重建，分離出外鼻軟骨的影像，并對鼻部組織進(jìn)行分層和重建，確定畸形鼻的形態(tài)和組織結(jié)構(gòu)。

通過現(xiàn)代力學(xué)測量儀器，對10例成人尸體鼻部的大翼、側(cè)鼻和中隔軟骨進(jìn)行彈性模量的測量，獲得上述三部分鼻部軟骨結(jié)構(gòu)的彈性模量數(shù)據(jù)，并通過統(tǒng)計學(xué)分析來獲得較為準(zhǔn)確的鼻部軟骨結(jié)構(gòu)的彈性模量數(shù)據(jù)，同時查閱相關(guān)文獻(xiàn)，得到鼻部軟組織的相關(guān)生物力學(xué)性質(zhì)，主要為彈性模量和泊松比。

建立畸形鼻部三維有限元分析模型，確定有限元分析的邊界條件等，進(jìn)行單側(cè)唇裂鼻畸形的鼻部生物力學(xué)的測量和分析。每個模型進(jìn)行兩方面的有限元生物力學(xué)分析：①靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析；②位移荷載形變條件下力學(xué)分析。分析后得出單側(cè)唇裂鼻畸形鼻部的應(yīng)力、應(yīng)變分布云圖，最后將所得的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析，總結(jié)得出單側(cè)唇裂鼻畸形的生物力學(xué)分析統(tǒng)計結(jié)論和規(guī)律。

2 結(jié)果

2.1 單側(cè)唇裂鼻翼塌陷畸形的鼻部三維重建

2.1.1 單側(cè)唇裂鼻翼塌陷畸形的鼻部CT掃描和三維重建

我們通過Light Speed 64排CT對單側(cè)唇裂鼻畸形患者行薄層掃描（層厚：0.625 mm），因鼻軟骨與軟組織存在密度差異，多排CT薄層掃描能獲得較好的灰度差顯影。通過軟件對圖像進(jìn)行灰度處理，鼻軟骨顯影良好，并能夠獲得較好的鼻軟骨分割、較高的分辨率及較好的三維重建模型（圖1）。

圖1 單側(cè)唇裂鼻畸形患者的仰視位照片及三維重建圖像Fig.1Bottom view(L)and 3D reconstruction image(R)of nasal deformity of the patient with unilateral cleft lip

2.1.2 單側(cè)唇裂鼻翼塌陷畸形的鼻部MRI掃描和三維重建

采用荷蘭飛利浦公司的Achieva 3.0T MRI機(jī)對本組患者行薄層掃描（層厚：1 mm），分別進(jìn)行T1和T2加權(quán)序列掃描。顯示：鼻軟骨在T1加權(quán)序列中呈現(xiàn)中高亮度影，在T2加權(quán)序列中顯示為中低亮度影。MRI顯影結(jié)果和薄層CT掃描相比，鼻軟骨的顯影分辨率不及CT，軟骨邊界模糊，層厚的精細(xì)度不足，同時由于采用了薄層掃描，產(chǎn)生了部分偽影和噪點，其成像的精細(xì)度明顯不如薄層CT掃描。由于上述原因，在后期MRI圖象處理中，鼻軟骨分割困難，并且三維重建模型粗糙。因此，我們后期舍棄了采用MRI薄層掃描來建立三維有限元模型的方法。

2.2 鼻部軟骨的生物力學(xué)性質(zhì)測定

2.2.1 成人尸體鼻部軟骨的壓縮彈性模量數(shù)據(jù)

應(yīng)力應(yīng)變曲線和統(tǒng)計學(xué)分析表明，大翼軟骨具有最小的壓縮彈性模量，為1.142±0.336 MPa；側(cè)鼻軟骨具有最大的壓縮彈性模量，為5.84±1.246 MPa；中隔軟骨的壓縮彈性模量居中，為3.85±1.685 MPa。2.2.2成人尸體鼻部軟骨的拉伸彈性模量數(shù)據(jù)

應(yīng)力應(yīng)變曲線和統(tǒng)計學(xué)分析表明，大翼軟骨具的拉伸彈性模量為4.679±1.641 MPa；側(cè)鼻軟骨的拉伸彈性模量為8.601±2.131 MPa；中隔軟骨的拉伸彈性模量居中，為6.907±1.621 MPa。

2.2.3 成人尸體鼻部軟骨的彈性模量數(shù)據(jù)分析

統(tǒng)計表明，成人尸體鼻部主要軟骨的拉伸彈性模量普遍大于壓縮彈性模量；側(cè)鼻軟骨彈性模量＞中隔軟骨彈性模量＞大翼軟骨彈性模量。

2.3 單側(cè)唇裂鼻翼塌陷畸形的鼻部生物力學(xué)分析

2.3.1 單側(cè)唇裂鼻翼塌陷畸形的鼻部靜力學(xué)分析

單側(cè)唇裂鼻畸形的靜力學(xué)三維有限元分析表明，畸形鼻部應(yīng)力分布最為集中的區(qū)域為鼻中隔軟骨扭曲偏斜部位，其次為鼻小柱底部和兩側(cè)鼻翼外側(cè)腳；應(yīng)力分布較為薄弱的部位是鼻尖部。提示靜下，鼻中隔、鼻小柱和兩側(cè)鼻翼外側(cè)角是應(yīng)力分布最集中部位，也是畸形鼻部的關(guān)鍵力學(xué)部位（圖2）。

圖2 畸形鼻部靜態(tài)下應(yīng)力分布云圖（仰視位）Fig.2The stress distribution of nasal deformity(bottom view)under the static state

2.3.2 單側(cè)唇裂鼻翼塌陷畸形的鼻部位移載荷形變后力學(xué)分析

單側(cè)唇裂鼻畸形患者的位移載荷三維有限元分析表明，畸形鼻部的患側(cè)要獲得和健側(cè)近似的幾何形態(tài)，其患側(cè)鼻孔近鼻小柱周圍應(yīng)力分布最為集中，其次為鼻中隔和患側(cè)鼻翼外方。提示位移載荷狀態(tài)下，要獲得和健側(cè)鼻部近似的形態(tài)，患側(cè)鼻小柱、鼻中隔和鼻翼外側(cè)是應(yīng)力分布最集中部位，也是單側(cè)唇裂鼻畸形鼻部整復(fù)的關(guān)鍵力學(xué)部位（圖3）。

圖3 畸形鼻部位移載荷后應(yīng)力分布云圖（仰視位）Fig.3The stress distribution of nasal deformity (bottom view)under displacement load status

2.3.3 單側(cè)唇裂鼻翼塌陷畸形的鼻部生物力學(xué)規(guī)律分析和總結(jié)

10例單側(cè)鼻畸形患者鼻部的靜力學(xué)分析、位移載荷分析的應(yīng)力應(yīng)變云圖和統(tǒng)計學(xué)數(shù)據(jù)表明，在靜態(tài)狀態(tài)下，畸形鼻部的應(yīng)力分布值很小，關(guān)鍵應(yīng)力點的應(yīng)力數(shù)值分別為鼻中隔部0.009 35±0.002 MPa，鼻小柱底部0.005 9±0.002 1 MPa，鼻翼外側(cè)腳0.006 81±0.001 3 MPa；在位移載荷狀態(tài)下，形變后的畸形鼻部擁有的較大的應(yīng)力分布值，分布的關(guān)鍵應(yīng)力點的應(yīng)力值分別為鼻小柱患側(cè)25.51±3.98 MPa，鼻中隔部7.882±1.35 MPa，患側(cè)鼻翼8.184±1.58 MPa。

3 討論

3.1 有限元分析的相關(guān)討論

有限元方法能夠?qū)υS多結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的力學(xué)分析，給出模型受力時的內(nèi)部應(yīng)力和形變的全過程。也就是說，它利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬，通過簡單而又相互作用的元素單元，用有限數(shù)量的分析去逼近無限數(shù)量的真實系統(tǒng)，從而模擬真實世界，評估研究對象承載能力與其組織形態(tài)學(xué)之間的關(guān)系。有限元分析可利用任意形狀的網(wǎng)格來分割三維實體模型，并根據(jù)場函數(shù)需要自如地布置節(jié)點，因而對復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)有很好的適應(yīng)性。因為有限元法能對復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、形態(tài)、載荷和材料力學(xué)性能進(jìn)行應(yīng)力分析和比較，目前已成為醫(yī)學(xué)生物力學(xué)研究中的重要手段，廣泛應(yīng)用于骨科、口腔、整形等各個領(lǐng)域的研究[1]。

有限元法分析的關(guān)鍵是三維有限元模型的建立，模型的幾何形態(tài)相似性、力學(xué)相似性、網(wǎng)格的劃分等將直接影響計算的結(jié)果[2-3]。

我們通過影像學(xué)重建獲得了單側(cè)唇裂鼻畸形鼻部的有限元模型，通過對鼻部主要軟骨的力學(xué)性質(zhì)測量獲得了有限元模型的力學(xué)近似值，最后我們通過ANSYS軟件對其劃分了網(wǎng)格，獲得劃分后的節(jié)點和單元數(shù)，最后進(jìn)行求解，得到單側(cè)唇裂鼻畸形患者鼻部應(yīng)力分布等生物力學(xué)數(shù)據(jù)和規(guī)律。需要指出的是，這個解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因為實際問題被相對簡單的有限個元素的問題所代替。但是，由于大多數(shù)實際問題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)，因而其求解成為我們分析各種結(jié)構(gòu)最近似的解，所以也是最行之有效的分析手段。

3.2 單側(cè)唇裂鼻畸形整復(fù)手術(shù)的力學(xué)探討

由于外鼻軟骨解剖異常、肌平衡失調(diào)及頜骨發(fā)育異常三大主要因素造成了唇裂鼻畸形的形成[4]?，F(xiàn)有的單側(cè)唇裂鼻畸形整復(fù)手術(shù)方法繁多，但不外乎松解、復(fù)位、懸吊、固定、成形等基本步驟。對于健側(cè)軟骨力量薄弱的患者，還可行軟骨或者“L”形硅膠支架等材料植入進(jìn)行矯正治療。其本質(zhì)就是希望通過懸吊、支撐等各種辦法給患側(cè)塌陷鼻部一個適當(dāng)而持久的力量，將患側(cè)塌陷鼻翼矯正到與健側(cè)相對稱的高度和形態(tài)上來。我們知道，物體的形態(tài)和力學(xué)密切相關(guān)。單側(cè)唇裂鼻畸形的生物力學(xué)分析得到了畸形鼻部的應(yīng)力分布，給出了畸形鼻部的力學(xué)關(guān)鍵點，同時有限元分析的載荷試驗也給出了鼻部矯正所需要的力的大小和方向。

單側(cè)唇裂鼻畸形的有限元生物力學(xué)分析結(jié)果提示如下：①鼻中隔、鼻小柱、鼻翼外側(cè)腳、鼻背外側(cè)是單側(cè)唇裂鼻畸形應(yīng)力分布的集中部位，也就是畸形鼻部的力學(xué)關(guān)鍵部位；②在靜態(tài)狀態(tài)下，畸形鼻部擁有的應(yīng)力分布值很小，在位移載荷狀態(tài)下，形變后的畸形鼻部擁有較大的應(yīng)力分布值；③單側(cè)唇裂鼻畸形整復(fù)中，鼻小柱患側(cè)部是畸形整復(fù)的力學(xué)關(guān)鍵部位，其次就是患側(cè)鼻翼部；④鼻中隔的整復(fù)和固定是單側(cè)唇裂鼻畸形整復(fù)的重要力學(xué)部位。目前各類單側(cè)唇裂鼻畸形整復(fù)手術(shù)不能完美矯正塌陷鼻部的原因，可能就與鼻中隔軟骨的薄弱和畸形有關(guān)。通過對單側(cè)唇裂鼻畸形鼻部的有限元生物力學(xué)分析，我們從生物力學(xué)角度對現(xiàn)有鼻畸形手術(shù)提出如下設(shè)想：①對鼻小柱和患側(cè)鼻翼等關(guān)鍵力點的整復(fù)需要加強(qiáng)；②對鼻中隔的整復(fù)和固定能夠得到更好的整復(fù)效果；③根據(jù)不同患者的鼻翼塌陷程度，采用植入材料整復(fù)時的個性化設(shè)計非常重要，可以借助三維重建進(jìn)行個性化植入材料的塑模成型。鼻畸形整復(fù)手術(shù)的改進(jìn)以及新材料的應(yīng)用將給鼻畸形的整復(fù)帶來突破性的進(jìn)展。

3.3 不足及展望

本實驗所涉及生物材料的材料力學(xué)特性均假定為均質(zhì)、連續(xù)和各向同性。這種假設(shè)實際上對于客觀事物是不存在的，實物材料本身并不是均質(zhì)、連續(xù)和各向同性的，而是呈現(xiàn)各向異性的特征[5]。絕大多數(shù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的生物力學(xué)有限元分析模型都存在這個問題，這也是該方法本身固有的缺陷。

本研究有限元模型建立的過程中，與實際情況差異較大的是鼻部軟骨模型的建立和分析。因為鼻部軟骨在鼻部外形的力學(xué)維持中起著重要的作用，其實際上并非各向同性的材料，所以對鼻軟骨的三維有限元重建必然與實際情況存在一定的差異。

同時，對于鼻部軟組織，我們假定其為均質(zhì)、連續(xù)和各項同性材料[6-9]。實際中鼻部軟組織還存在著層次的劃分，所以其三維有限元分析結(jié)果和實際情況也存在著一定的差異。若要對其層次進(jìn)行劃分，一方面需要借助更精細(xì)的組織成像工具，另一方面也需要借助更為強(qiáng)大的計算機(jī)和軟件。目前這在普通的研究機(jī)構(gòu)還是無法實現(xiàn)的。更高的精細(xì)度、更大的數(shù)據(jù)量、更接近實際的分析，將是今后有限元分析發(fā)展的方向。該部分有限元分析誤差，對于支撐力大小的測量有一定的影響，但是并不妨礙我們對畸形鼻部的其他生物力學(xué)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，例如應(yīng)力的分布、關(guān)鍵力點、支撐力作用的部位等。

綜上所述，有限元分析方法和其他實物標(biāo)本的生物力學(xué)測試方法各有優(yōu)點和不足之處，我們應(yīng)該將其結(jié)合，取長補(bǔ)短，綜合分析，最終才能得出更為科學(xué)、合理、最接近于實際狀況的結(jié)果。

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Biomechanical Study of Nasal Deformation in Patients with Unilateral Cleft Lip Based on Finite Element Models

DONG Lei,WANG Shengzhang,SONG Jianxing.Burn and Plastic Surgery,The 85thHospital of PLA,Shanghai 200052,China.

ObjectiveTo explore the cause and to reveal the biomechanical regularity of nasal deformation in patients with unilateral cleft lip through the biomechanical analysis on nasal deformation by finite element method,in order to establish a good biomechanical theoretical basis for treating nasal deformation of unilateral cleft lip.MethodsFrom 2007 to 2009,10 cases of unilateral cleft lip with nasal deformation were collected.All the cases were scanned by CT and MRI preoperatively, image data were collected and the three-dimensional nasal deformation were reconstructed by the software MIMICS.Then the finite element models of nasal deformation in unilateral cleft lip were established and the model's constraint conditions were defined for the biomechanical measurement and analysis of nasal deformation in unilateral cleft lip.ResultsThe threedimensional model of nasal deformation in unilateral cleft lip were reconstructed successfully.The biomechanical analysis showed that,under the static state,nasal deformation had a very small value of stress distribution.The value of the key stress points were as follows:nasal septum 0.009 35±0.002 MPa,the bottom of nasal columella 0.005 9±0.002 1 MPa,lateral feet of nasal alar 0.006 81±0.001 3 MPa;Under displacement load status,the deformed nasal had a large value of the stress distribution. The value of the key stress points were as follows:ipsilateral nasal columella 25.51±3.98 MPa,nasal septum 7.882±1.35 MPa, ipsilateral nasal alar 8.184±1.58 MPa.ConclusionAffected side of nasal columella is the key mechanical part to rectify deformed nose,and the following part is ipsilateral nasal alar;The stress concentration of nasal septum suggests that the rectification of nasal septum is very important,its rectification and fixation are perhaps the important contents of deformed nose rectification.

Unilateral cleft lip;Nasal deformation;Three-dimensional reconstruction;Finite element;Biomechanics

R782.2+1，R318.01

A

1673－0364（2014）02－0085－04

10.3969/j.issn.1673-0364.2014.02.006

2014年2月10日；

2014年3月6日）

200052上海市中國人民解放軍第85醫(yī)院燒傷整形科。