Medpor修復(fù)眶底缺損三維有限元模型的建立與生物力學(xué)分析

陳靜　歸來　牛峰　俞冰　劉劍鋒　王夢　陳瑩

高密度多孔聚乙烯（Medpor）組織相容性良好，易雕刻塑形，具有一定硬度能支撐眶內(nèi)容物，已被廣泛應(yīng)用于眶底修復(fù)與重建。但是，植入后是否需固定，以及如何固定，尚存在不同的觀點[1-5]。多項報道指出，Medpor植入眶底后不固定，可導(dǎo)致術(shù)后出現(xiàn)移位[1，6－7]。 本研究對 Medpor修復(fù)眶底缺損進行三維有限元的建模，并分析其生物力學(xué)性質(zhì)，研究Medpor材料植入眶底后的位移及應(yīng)力情況，為臨床提供參考依據(jù)。

1　材料和方法

1.1　三維有限元模型的建立

1.1.1臨床資料

患者，男，29歲，左眼眶外傷致爆裂性骨折15 d，眶底缺損 2.3 cm×1.8 cm（圖 1）。

圖1　左側(cè)眶下壁骨折，可見眶內(nèi)容物疝入上頜竇Fig.1　The left inferior orbital wall fracture and the orbital content was herniated into the maxillary sinus

1.1.2數(shù)據(jù)采集及圖像處理

采用飛利浦Brilliance 64排螺旋CT行頭顱掃描。在CT工作站上進行0.5 mm薄層三維重建，斷層重建的矩陣為512×512，然后將其拆分成斷層數(shù)據(jù)，確定圖像質(zhì)量清晰無誤后，將斷層數(shù)據(jù)以DICOM格式導(dǎo)入Mimics16.0軟件，設(shè)置視圖方向。分別定義矢狀面、冠狀面和橫截面。在界面中可以得到包括眼眶骨等組織和背景在內(nèi)的灰度圖像。根據(jù)不同密度的組織在圖像上的灰度值不同，設(shè)置灰度閾值區(qū)間（-100～150）及（226～3071）分別提取眼眶內(nèi)容物及眶骨等組織。得到眼眶區(qū)域的粗糙模型，保存為.STL文件格式（圖2）。

圖2　應(yīng)用“Thresholding”命令，設(shè)置灰度閾值區(qū)間提取眼眶骨性結(jié)構(gòu)（A）及眼眶內(nèi)容物（B）Fig.2　To extract the orbital bone structure(A)and contents(B)by using the"Thresholding"command to set up the gray threshold interval

1.1.3曲面擬合及模型建立

將.STL文件導(dǎo)入Geomagics，對其進行曲面擬合和光順處理，利用Geomagics可以對導(dǎo)出的數(shù)據(jù)進行三角面片細分、降噪、光順化處理，并通過精確曲面等過程對其進行曲面化，最終形成左眶骨三維實體模型，以利于后續(xù)的處理以及有限元模型建立及分析（圖 3）。

圖3　曲面擬合及模型建立Fig.3　Curved surface fitting and model establishment

1.1.4框內(nèi)容物三維模型的建立

在建立左眼眶模型的基礎(chǔ)上，進一步來構(gòu)建眼眶內(nèi)容物模型。原理同上（圖4）。

圖4　構(gòu)建的眼眶內(nèi)容物三維模型Fig.4　A three-dimensional model of orbital contents

1.1.5模型組裝

導(dǎo)出三維模型數(shù)據(jù)，按照模型中缺損大小虛擬裝入修補用的 Medpor（25 mm×20 mm×1.5 mm）及固定所用的螺釘 （金屬鈦材料，1.5 mm×8 mm）1或2枚，導(dǎo)入PRO/E中進行模型組裝，對需要進行處理的部分或者特征進行操作（圖5）。

圖5　模型組裝Fig.5　Model assembly

1.1.6網(wǎng)格劃分

利用Mimics有限元模塊中的網(wǎng)格劃分功能，即自動運行Magics軟件進行面網(wǎng)格的劃分?；貜?fù)至Mimics界面，利用Ansys專用接口導(dǎo)出所構(gòu)建的面網(wǎng)格文件，將其導(dǎo)入有限元分析軟件Ansys中，轉(zhuǎn)化為solid92類型10節(jié)點二階單元的體網(wǎng)格，最后導(dǎo)出體網(wǎng)格文件，保存為 PREP7、NODES、ELEMENTS 3種格式。

1.1.7材質(zhì)賦值

將上述保存的3種格式體網(wǎng)格文件載入Mimics，對每一網(wǎng)格單元按照各種材料參數(shù)[8]（其中Medpor彈性模量 900 MPa，泊松比 0.38，密度 900 Kg/m3）進行對應(yīng)賦值。將以上完成賦值的所有有限元體網(wǎng)格以 LIS、NODES、ELEMENTS的格式再次導(dǎo)入 Ansys軟件，最終完成Medpor修復(fù)眶底缺損的三維有限元模型的構(gòu)建（圖6）。

圖6　有限元計算模型Fig.6　Finite element calculation model

1.2　載荷及有限元計算

左眼眶骨上下全自由度約束 （X、Y、Z方向約束），對整體模型施加重力載荷，模擬眼球內(nèi)容物的重力以及前方眶骨膜包裹的力量。計算并分析Medpor材料植入眶底后在不固定、1枚螺釘固定及2枚螺釘固定3種不同狀態(tài)下的位移與應(yīng)力情況。各有限元分析均重復(fù)3次。

2　結(jié)果

2.1　三維有限元模型的構(gòu)建

本研究建立了Medpor修復(fù)眶底缺損的三維有限元模型，其幾何和力學(xué)相似性良好，模型單元類型為C3D10三維六面體單元，共有節(jié)點數(shù)207 847個，單元數(shù)119 173個。經(jīng)有限元網(wǎng)格質(zhì)量檢測，該模型所劃分的網(wǎng)格質(zhì)量高，是合格的有限元模型。

2.2　位移及應(yīng)力分析

結(jié)果表明，無螺釘固定下Medpor位移1.049 mm，應(yīng)力為0.020 MPa；1枚螺釘固定時邊緣部位位移0.145 mm，螺釘處應(yīng)力為1.06 MPa；2枚螺釘固定時邊緣部位位移0.144 mm，螺釘處應(yīng)力為0.693 MPa。無螺釘固定時，在眼眶內(nèi)容物等重力作用及各部分相互牽拉條件下，容易產(chǎn)生浮動偏移，位移較大，受到約束較小，幾乎無應(yīng)力。在固定釘作用下，Medpor僅僅邊緣部位產(chǎn)生位移，且變形明顯較小，在固定釘附近位移近乎為零，應(yīng)力集中，說明固定螺釘具有良好的固定作用。此外，1枚固定螺釘?shù)奈灰萍皯?yīng)力值與2枚固定螺釘?shù)奈灰萍皯?yīng)力值非常接近。由于相比于眼眶內(nèi)容物等軟組織，固定螺釘屬于高強度實體，1枚螺釘即可充分固定Medpor材料（圖7、8）。

圖7　不同條件下Medpor材料的位移結(jié)果Fig.7　The results of the Medpor displacement under different conditions

圖8　不同條件下Medpor材料的應(yīng)力結(jié)果Fig.8　The results of the Medpor stress state under differen t conditions

3　討論

本研究應(yīng)用CT掃描得到的DICOM數(shù)據(jù)，直接構(gòu)建有限元模型，避免了原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中的數(shù)據(jù)丟失，建立的眶底缺損修復(fù)三維有限元模型較真實地代表了原物的結(jié)構(gòu)形態(tài)，幾何相似性明顯提高。同時，為了減少軟件運算中的負荷和時間，該三維有限元模型去除了與眶底缺損修復(fù)無關(guān)的結(jié)構(gòu)，是一個僅保留了最精簡結(jié)構(gòu)的有限元模型，其單元、節(jié)點的密度是目前同類研究中最高的。因此，本研究構(gòu)建的模型是簡潔、高效、高精度的Medpor修復(fù)眶底缺損的三維有限元模型。

該模型模擬了Medpor植入眶內(nèi)修復(fù)眶底缺損時，固定或不固定狀態(tài)下，其形變、位移及應(yīng)力情況。結(jié)果顯示，當Medpor無螺釘固定時，處于滑動狀態(tài)，受到約束較小，幾乎無應(yīng)力，易產(chǎn)生浮動偏移，位移較大。這個結(jié)果也與部分臨床報道一致[6，9－10]。此外，本研究表明，1枚或2枚螺釘固定后，Medpor的位移及應(yīng)力值非常接近?；诼葆攲儆诋愺w植入材料，在保證材料穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上應(yīng)減少植入數(shù)量，避免可能的異物反應(yīng)。因此，我們建議臨床使用1枚螺釘進行固定。

在三維有限元模型建模過程中，本研究設(shè)計之所以虛擬了螺釘固定Medpor材料的方式，這是因為Haug等[11]曾對Medpor修復(fù)眶底時的螺釘固定方法與縫線方法進行了比較性研究，結(jié)果顯示小螺釘固定在手術(shù)操作時間及固定穩(wěn)定性方面都勝過縫線固定。另外，在數(shù)據(jù)采集過程中，本研究選擇了1例左側(cè)眶底爆裂性骨折患者的CT數(shù)據(jù)，從而提高了所構(gòu)建的三維有限元模型的經(jīng)典性，以及計算結(jié)果的準確性。

有限元分析只是一種運用數(shù)學(xué)建模的方式近似模擬實際物理情況的方法，不可能完全精確。眼眶是一個由上頜骨、腭骨、額骨、蝶骨、顴骨、篩骨及淚骨等7塊骨組成的四棱錐形骨腔。其內(nèi)容納眼球及附屬視覺器官。另外，施加載荷參數(shù)時，重點突出了眶底Medpor受到的重力載荷、模擬眼球內(nèi)容物的重力以及前方眶骨膜包裹的力量。實際眶底的載荷情況不只是如此，可能有更多的因素，比如眼外肌的牽拉、眶內(nèi)容物的彈性形變等。如此復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)及力學(xué)性質(zhì)，利用三維有限元模型真實模擬尚存在諸多困難。因此，本研究可能存在具體數(shù)值上的偏差。

根據(jù)有限元模型計算結(jié)果，結(jié)合我們以往的臨床經(jīng)驗，我們對于Medpor植入修復(fù)眶底建議①對于眶底缺損小于2 cm2，但有手術(shù)指征的患者，Medpor單片塑形植入后，根據(jù)材料與眶緣的貼合度，固定或不固定均可；②眼球內(nèi)陷較嚴重（≥3 mm），使用三維數(shù)字化技術(shù)輔助設(shè)計個性化Medpor（多片疊加）修復(fù)眶底缺損矯正眼球內(nèi)陷的患者，為保證術(shù)前設(shè)計中植入物的位置準確性，在Medpor尚未血管化之前，建議穩(wěn)妥固定[12]；③眶骨膜破裂嚴重，縫合困難，Medpor植入眶底后，前方較難受到眶骨膜的約束時，建議固定。

本研究結(jié)果需要多中心，以及更多病例的進一步驗證。今后，我們亦將在這方面進行更為深入的研究，例如修復(fù)材料在固定與不固定狀態(tài)下，術(shù)后患者的眼位、眼球突度及視力恢復(fù)方面是否存在差異；或許可設(shè)計并借助相關(guān)的動物實驗，以更為全面地分析相關(guān)力學(xué)因素對這一問題的影響。

[1]Kang N,Song SH,Kyung H,et al.Medpor implant fixation using fibrin glue in the treatment of medial orbital wall fracture[J].J Craniofac Surg,2015,26(4)：1361-1364.

[2]Jo EJ,Yang HJ,Kim JH.Fixation of fractured inferior orbital wall usingfibrin gluein inferior blowout fracturesurgery[J].JCraniofac Surg,2015,26(1)：e33-e36.

[3]Kyung H,Song SH,Kang N,et al.Porous polyethylene implant fixation usingfibrin gluein blowout fracturesurgery[J].JCraniofac Surg,2013,24(5)：1781-1784.

[4]Xu JJ,Teng L,Jin XL,et al.Porous polyethylene implants in orbital blow-out fractures and enophthalmos reconstruction[J].J Craniofac Surg,2009,20(3)：918-920.

[5]范先群,李瑾,劉海燕,等.高密度多孔聚乙烯片在眼眶爆裂性骨折晚期整復(fù)中的應(yīng)用[J].中華眼科雜志,2003,39(9)：516-519.

[6]Patel PJ,Rees HC,Olver JM.Clinicopathologic reports,case reports,and small case series：fibrovascularization of porous polyethyleneorbital floor implantsin humans[J].Arch Ophthalmol,2003,121(3)：400-403.

[7]Lee S,Maronian N,Most SP,et al.Porous high-density polyethylene for orbital reconstruction[J].Arch Otolaryngol Head Neck Surg,2005,131(5)：446-450.

[8]Uchio E,Ohno S,Kudoh K,et al.Simulation of air-bag impact on post-radial keratotomy eye using finite element analysis[J].J Cataract Refract Surg,2001,27(11)：1847-1853.

[9]Massaro-Giordano M,Kirschner RA,Wulc AE.Orbital floor implant migration across the ethmoidal sinuses and nasal septum[J].Am JOphthalmol,1998,126(6)：848-850.

[10]Jordan DR,Onge PS,Anderson RL,et al.Complications associated with alloplastic implants used in orbital fracture repair[J].Ophthalmolog,1992,99(10)：1600-1608.

[11]Haug RH,Kimberly D,Bradrick JP.A comparison of microscrew and suture fixation for porous high-density polyethylene orbital floor implants[J].JOral Maxillofac Surg,1993,51(11)：1217-1220.

[12]Romano JJ,Iliff NT,Manson PN.Use of Medpor porouspolyethylene implants in 140 patients with facial fractures[J].J Craniofac Surg,1993,4(3)：142-147.