骨性隧道內植皮后攣縮的三維有限元分析

趙穆欣 蔣海越 黎勝 郭明慧 劉媛媛 許礫思 馮雋 王維新 楊喆 馬寧 李養群

[摘要]目的：建立小型豬下頜骨骨性隧道內植皮的有限元模型，以了解骨性隧道內植皮后攣縮的生物力學基礎和形變規律。方法：將小型豬下頜骨鉆孔形成骨性隧道并移植全厚皮片，通過CT獲取移植即刻及移植后2周、4周、6周、8周的骨性隧道內植皮數據，利用MIMICS 10.1和ANSYS 12.0軟件建立豬下頜骨鉆孔形成骨性隧道的三維有限元模型，仿真分析骨性隧道內植皮后的攣縮過程，計算節點位移及施加應力，獲取骨性隧道內植皮攣縮的生物力學基礎和形變規律。結果：通過小型豬下頜骨骨性隧道內植皮的有限元分析模型可以直觀有效模擬節點位移及施加應力，其仿真分析結果與動物實驗幾何外形相似程度高，細節損失小；經靜力分析發現0周到4周的攣縮過程所受應力的大小約為4周到8周的攣縮過程所受應力大小的6倍，所受應力的方向都是指向隧道中心。結論：有限元分析可以模擬骨性隧道內植皮的攣縮過程，分析骨性隧道內植皮后攣縮局部區域的應力分布及大小，協助臨床設計攣縮對抗方案。

[關鍵詞]植皮攣縮；有限元分析；下頜骨

[中圖分類號]R622 [文獻標識碼]A [文章編號]1008-6455（2014）10-0824-03

Three-dimensional finite element analysis of the skin graft contracture in bony tunnel

ZHAO Mu-xin1,JIANG Hai-yue2,LI Sheng3, GUO Ming-hui3, LIU Yuan-yuan4,XU Li-si1,FENG Jun1, WANG Wei-xin1,YANG Zhe1,MA Ning1,LI Yang-qun1

(1.The Second Department,Plastic Surgery Hospital,Chinese Academy of Medical Sciences & Peking Union Medical College,Beijing 100144, China;2.The Seventh Department,Plastic Surgery Hospital,Chinese Academy of Medical Sciences & Peking Union Medical College;3.Faculty of Vehicle Engineering and Mechanics,Dalian University of Technology;4.General Surgery Department,People's Hospital of Beijing Daxing District)

Abstract:ObjectiveTo establish a finite element model of the skin graft in bony tunnel of mini-pig mandible,and to evaluate its biomechanics and deformation.MethodsMini-pig mandible was drilled to form a bony tunnel and then full thickness skin graft transplantation was performed. The data of DICOM format was obtained by CT scan when and after transplantation including 2 weeks, 4 weeks, 6 weeks and 8 weeks.The finite element model was established and the contracture process was analyzed via MIMICS 10.1 and ANSYS 12.0.The nodal displacement and stress was calculated to evaluate its biomechanics and deformation.ResultsThe finite element mode can achieve a good similarity of geometric shape and simulate the nodal displacement and stress.The stress size of the first four weeks was about six times of the later four weeks.The stress was pointed to the tunnel center.ConclusionThe finite element analysis can simulate the process of contracture and calculate the stress distribution and its size,which could guide the postoperative design to reduce the contracture.

Key words:skin graft contracture;finite element;mandible

皮片移植后的攣縮一直是整形外科關注的問題之一，術后的攣縮常常會影響手術效果[1]，尤其是腔穴植皮后的攣縮，因其為三維立體結構，測量不方便，影響因素多，用傳統的直接在術后攣縮部位測量所得數據誤差大，難以給出較精確的攣縮力大小以及攣縮的時間變化規律。本研究通過建立小型豬下頜骨鉆孔形成骨性隧道內植皮的有限元模型，模擬攣縮過程，并與動物實驗的真實攣縮過程對比，旨在預測攣縮過程中的節點位移以及攣縮應力的變化，協助臨床設計對抗攣縮的方法及時間截點。

1材料和方法

1.1 設備配置：系統硬件配置：lenovo-cf14042b，Genuine Inter(R) CPU，1 G 內存，14 寸彩色顯示屏，160 G 硬盤。操作系統為Windows XP。使用的軟件及功能：Mimics 10.1，進行有限元模型重建以及面網格的劃分；ANSYS 12.0，建立有限元模型及計算。

1.2 動物實驗：在小型豬下頜骨體部鉆孔形成直徑1cm的骨性隧道，深度為貫穿下頜骨體部全層，取耳后皮片修剪成全厚皮片，包繞油稠紗布卷縫合成管狀（圖1a），移植于骨性隧道內。術后即刻及術后2周、4周、6周、8周行下頜骨CT掃描。

1.3 有限元模型建立：將獲得的CT圖像以DICOM格式導入到MIMICS當中，對豬下頜骨進行三維模型重建以及面網格的劃分，面網格劃分結束后進入ANSYS當中，將MIMICS當中劃分的面網格轉化成體網格。經過體網格的轉化后，再次回到MIMICS當中，對豬下頜骨進行賦材料的操作。最后再回到ANSYS中加載進行計算，得到我們需要的結果文件。

1.4 有限元靜力分析：基于骨性隧道內植皮三維有限元模型的建立，通過給出的術后即刻，術后2周、4周、6周、8周的數據用有限元模型仿真骨性隧道內植皮后攣縮過程。根據同一側隧道內對應節點位移的不同，算出節點位移的差值。把這一差值作為已知條件，求解作用在骨性隧道上的分布力，并進行邊界約束最后求解得到節點變形。本研究在設定邊界約束時只把髁突關節面附著的單元全部自由度約束[2]。

2結果

動物實驗中骨性隧道內植皮均成活良好（圖1b）。通過MIMICS 10.1和ANSYS 12.0軟件建立了幾何外形高度相似的小型豬下頜骨骨性隧道內植皮的三維有限元模型,共包括單元數為674863，節點數為261997（圖2、3）。經過力學分析得到0周到4周的攣縮過程所受應力的大小約為4周到8周的攣縮過程所受應力大小的6倍，所受應力的方向都是指向隧道中心（圖4）。

3討論

整形外科醫生常常面臨腔穴再造的問題，譬如外耳道的重建、眼窩再造、陰道再造、尿道再造等[3-6]，腔穴再造后的主要問題是腔穴的攣縮，如何對抗攣縮獲得內徑均勻一致的再造腔穴是我們關注的問題。而腔穴再造后攣縮的應力大小，應力方向，以及不同術式之間攣縮程度的對比，目前缺乏比較精確的資料，主要由于腔穴是一三維立體結構，腔穴攣縮是一動態過程，結構復雜，影響因素多，測量不方便，數據誤差大。而數值計算的思路是將復雜問題簡單化，求近似解，即將復雜的結構分解成若干相對簡單的構件，分別分析，然后求解。有限元分析是利用數學近似的方法對真實物理系統（幾何和載荷工況）進行模擬，并利用簡單而又相互作用的元素，即單元，就可以用有限數量的未知量去逼近無限未知量的真實系統。三維有限元分析的優點是可對結構、形狀、載荷和材料力學性能極其復雜的構件進行應力分析。通過對復雜的幾何物體進行建模， 求得整體和局部的應力值、位移大小及其分布規律，并可根據需要改變加載、邊界條件等力學參數，在維持原模型幾何形狀不變的情況下，易對其應力大小和分布的變化進行對比分析。因此，三維有限元分析具高效、精確、低成本等特點[7-8]。

本研究采用小型豬下頜骨作為研究對象，因為下頜骨是具有較大剛度的堅硬生物體，同時又是一種各向異性，非均質性，有生命的生物復合材料。它同工程材料具有類似的應力-應變關系，在彈性限度內遵循胡克定律，因此在目前下頜骨的力學特性研究中也大量采用有限元分析法[9-10]。骨性隧道內植皮的成活不易，我們在動物實驗過程中，采用油綢紗布卷進行固定加壓，保證了植皮的良好成活，為觀察其攣縮過程提供前提。

通過有限元分析發現，0周到4周的攣縮過程所受應力的大小約為4周到8周的攣縮過程所受應力大小的6倍，說明這種攣縮的力量是隨著時間遞減的，這提示我們在移植術后早期要采用堅強的內支撐物對抗攣縮，6周之后可以適當調整為力量中等而相對較舒適的內支撐物。應力的方向是指向隧道中心，那么對抗攣縮的力的方向應該與其相反。故可以在此實驗的基礎上，進一步用有限元分析模擬腔穴攣縮的遠期變化，從而可以幫助我們推斷術后的遠期進展，預測脫離內支撐物的時間，指導臨床醫生制定抗攣縮方案。

本研究利用MIMICS10.1和ANSYS12.0軟件之間良好的兼容性，聯合建模,耦合分析，建立了具有高度真實性，個性化的完整豬下頜骨骨性隧道內植皮的三維有限元模型，為有限元力學分析的廣泛臨床應用提供了高效的仿真基礎。此外，本研究為研究腔穴攣縮提供了一個新的思路，尤其是用于不同手術方法術后攣縮攣縮程度的比較，通過較為精確的有限元分析結果來判斷其術后攣縮的程度，而不簡單地依靠醫生和患者的主觀判斷，更利于整形外科醫生選擇手術方案。

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[收稿日期]2014-04-24[修回日期]2014-05-09

編輯/張惠娟