基于有限元模型的單側唇裂鼻畸形的生物力學分析

董雷王盛章宋建星

基于有限元模型的單側唇裂鼻畸形的生物力學分析

董雷王盛章宋建星

目的運用有限元分析的方法，對單側唇裂鼻畸形患者鼻部進行全面的生物力學分析和研究，從生物力學角度闡述唇裂鼻畸形形成的原因，揭示單側唇裂鼻畸形形成的力學規律，為單側唇裂鼻畸形患者的整形外科治療奠定生物力學理論基礎。方法自2007年至2009年，共采集單側唇裂鼻畸形患者10例，均在術前行CT和MRI掃描，MIMICS軟件進行計算機三維重建，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，進行單側唇裂鼻畸形的鼻部生物力學的測量和分析。結果成功獲得單側唇裂鼻畸形患者的鼻部三維重建模型。分析表明，靜態下，畸形鼻部的應力分布值很小，關鍵應力點的應力分別為鼻中隔部0.009 35±0.002 MPa，鼻小柱底部0.005 9±0.002 1 MPa，鼻翼外側腳0.006 81±0.001 3 MPa；位移載荷狀態下，形變后的畸形鼻部擁有較大的應力分布值，關鍵應力點的應力分別為鼻小柱患側25.51±3.98 MPa，鼻中隔部7.882±1.35 MPa，患側鼻翼8.184±1.58 MPa。結論鼻小柱患側是畸形整復的力學關鍵部位，其次是患側塌陷鼻翼；鼻中隔應力的集中，提示了鼻中隔部位整復的重要性，其整復和固定可能是單側唇裂鼻畸形整復的重要內容。

單側唇裂鼻畸形三維重建有限元生物力學

單側唇裂鼻畸形是常見的先天性發育畸形之一，其治療以手術矯治為主。手術方法多種多樣，但由于唇裂鼻畸形的復雜性、患者較高的期望值，以及手術方法和植入材料的限制，整復效果不盡如人意。我們通過CT、MRI等影像學手段，對單側唇裂鼻畸形進行影像學數據采集，通過計算機對單側唇裂鼻翼塌陷畸形進行三維重建，獲得畸形鼻的形態學資料；運用有限元分析的方法，對單側唇裂鼻翼塌陷畸形患者鼻部進行全面的生物力學分析和研究，希望從生物力學角度闡述唇裂鼻畸形形成的原因，揭示單側唇裂鼻畸形形成的力學規律，為單側唇裂鼻畸形的整形外科治療奠定良好的生物力學理論基礎。

1 材料與方法

1.1 一般資料

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

1.2 方法

本組患者均在術前行CT和MRI的掃描，圖像數據以DICOM文件形式存檔，并傳輸至HP圖形工作站，用MIMICS軟件行計算機三維重建。將唇裂鼻畸形患者鼻部進行三維重建，分離出外鼻軟骨的影像，并對鼻部組織進行分層和重建，確定畸形鼻的形態和組織結構。

通過現代力學測量儀器，對10例成人尸體鼻部的大翼、側鼻和中隔軟骨進行彈性模量的測量，獲得上述三部分鼻部軟骨結構的彈性模量數據，并通過統計學分析來獲得較為準確的鼻部軟骨結構的彈性模量數據，同時查閱相關文獻，得到鼻部軟組織的相關生物力學性質，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，進行單側唇裂鼻畸形的鼻部生物力學的測量和分析。每個模型進行兩方面的有限元生物力學分析：①靜力學結構分析；②位移荷載形變條件下力學分析。分析后得出單側唇裂鼻畸形鼻部的應力、應變分布云圖，最后將所得的結果進行統計學分析，總結得出單側唇裂鼻畸形的生物力學分析統計結論和規律。

2 結果

2.1 單側唇裂鼻翼塌陷畸形的鼻部三維重建

2.1.1 單側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機對本組患者行薄層掃描（層厚：1 mm），分別進行T1和T2加權序列掃描。顯示：鼻軟骨在T1加權序列中呈現中高亮度影，在T2加權序列中顯示為中低亮度影。MRI顯影結果和薄層CT掃描相比，鼻軟骨的顯影分辨率不及CT，軟骨邊界模糊，層厚的精細度不足，同時由于采用了薄層掃描，產生了部分偽影和噪點，其成像的精細度明顯不如薄層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性質測定

2.2.1 成人尸體鼻部軟骨的壓縮彈性模量數據

應力應變曲線和統計學分析表明，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據

應力應變曲線和統計學分析表明，大翼軟骨具的拉伸彈性模量為4.679±1.641 MPa；側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據分析

統計表明，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 單側唇裂鼻翼塌陷畸形的鼻部生物力學分析

2.3.1 單側唇裂鼻翼塌陷畸形的鼻部靜力學分析

單側唇裂鼻畸形的靜力學三維有限元分析表明，畸形鼻部應力分布最為集中的區域為鼻中隔軟骨扭曲偏斜部位，其次為鼻小柱底部和兩側鼻翼外側腳；應力分布較為薄弱的部位是鼻尖部。提示靜下，鼻中隔、鼻小柱和兩側鼻翼外側角是應力分布最集中部位，也是畸形鼻部的關鍵力學部位（圖2）。

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

2.3.2 單側唇裂鼻翼塌陷畸形的鼻部位移載荷形變后力學分析

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

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

2.3.3 單側唇裂鼻翼塌陷畸形的鼻部生物力學規律分析和總結

10例單側鼻畸形患者鼻部的靜力學分析、位移載荷分析的應力應變云圖和統計學數據表明，在靜態狀態下，畸形鼻部的應力分布值很小，關鍵應力點的應力數值分別為鼻中隔部0.009 35±0.002 MPa，鼻小柱底部0.005 9±0.002 1 MPa，鼻翼外側腳0.006 81±0.001 3 MPa；在位移載荷狀態下，形變后的畸形鼻部擁有的較大的應力分布值，分布的關鍵應力點的應力值分別為鼻小柱患側25.51±3.98 MPa，鼻中隔部7.882±1.35 MPa，患側鼻翼8.184±1.58 MPa。

3 討論

3.1 有限元分析的相關討論

有限元方法能夠對許多結構進行精確的力學分析，給出模型受力時的內部應力和形變的全過程。也就是說，它利用數學近似的方法對真實物理系統進行模擬，通過簡單而又相互作用的元素單元，用有限數量的分析去逼近無限數量的真實系統，從而模擬真實世界，評估研究對象承載能力與其組織形態學之間的關系。有限元分析可利用任意形狀的網格來分割三維實體模型，并根據場函數需要自如地布置節點，因而對復雜的三維結構有很好的適應性。因為有限元法能對復雜的結構、形態、載荷和材料力學性能進行應力分析和比較，目前已成為醫學生物力學研究中的重要手段，廣泛應用于骨科、口腔、整形等各個領域的研究[1]。

有限元法分析的關鍵是三維有限元模型的建立，模型的幾何形態相似性、力學相似性、網格的劃分等將直接影響計算的結果[2-3]。

我們通過影像學重建獲得了單側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性質測量獲得了有限元模型的力學近似值，最后我們通過ANSYS軟件對其劃分了網格，獲得劃分后的節點和單元數，最后進行求解，得到單側唇裂鼻畸形患者鼻部應力分布等生物力學數據和規律。需要指出的是，這個解不是準確解，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，由于大多數實際問題難以得到準確解，而有限元不僅計算精度高，而且能適應各種復雜結構，因而其求解成為我們分析各種結構最近似的解，所以也是最行之有效的分析手段。

3.2 單側唇裂鼻畸形整復手術的力學探討

由于外鼻軟骨解剖異常、肌平衡失調及頜骨發育異常三大主要因素造成了唇裂鼻畸形的形成[4]?，F有的單側唇裂鼻畸形整復手術方法繁多，但不外乎松解、復位、懸吊、固定、成形等基本步驟。對于健側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行矯正治療。其本質就是希望通過懸吊、支撐等各種辦法給患側塌陷鼻部一個適當而持久的力量，將患側塌陷鼻翼矯正到與健側相對稱的高度和形態上來。我們知道，物體的形態和力學密切相關。單側唇裂鼻畸形的生物力學分析得到了畸形鼻部的應力分布，給出了畸形鼻部的力學關鍵點，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。

單側唇裂鼻畸形的有限元生物力學分析結果提示如下：①鼻中隔、鼻小柱、鼻翼外側腳、鼻背外側是單側唇裂鼻畸形應力分布的集中部位，也就是畸形鼻部的力學關鍵部位；②在靜態狀態下，畸形鼻部擁有的應力分布值很小，在位移載荷狀態下，形變后的畸形鼻部擁有較大的應力分布值；③單側唇裂鼻畸形整復中，鼻小柱患側部是畸形整復的力學關鍵部位，其次就是患側鼻翼部；④鼻中隔的整復和固定是單側唇裂鼻畸形整復的重要力學部位。目前各類單側唇裂鼻畸形整復手術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。通過對單側唇裂鼻畸形鼻部的有限元生物力學分析，我們從生物力學角度對現有鼻畸形手術提出如下設想：①對鼻小柱和患側鼻翼等關鍵力點的整復需要加強；②對鼻中隔的整復和固定能夠得到更好的整復效果；③根據不同患者的鼻翼塌陷程度，采用植入材料整復時的個性化設計非常重要，可以借助三維重建進行個性化植入材料的塑模成型。鼻畸形整復手術的改進以及新材料的應用將給鼻畸形的整復帶來突破性的進展。

3.3 不足及展望

本實驗所涉及生物材料的材料力學特性均假定為均質、連續和各向同性。這種假設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、連續和各向同性的，而是呈現各向異性的特征[5]。絕大多數醫學領域的生物力學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、連續和各項同性材料[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果和實際情況也存在著一定的差異。若要對其層次進行劃分，一方面需要借助更精細的組織成像工具，另一方面也需要借助更為強大的計算機和軟件。目前這在普通的研究機構還是無法實現的。更高的精細度、更大的數據量、更接近實際的分析，將是今后有限元分析發展的方向。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規律的發現，例如應力的分布、關鍵力點、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本的生物力學測試方法各有優點和不足之處，我們應該將其結合，取長補短，綜合分析，最終才能得出更為科學、合理、最接近于實際狀況的結果。

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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醫院燒傷整形科。