Medpor修復眶底缺損三維有限元模型的建立與生物力學分析

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容物，已被廣泛應用于眶底修復與重建。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，可導致術后出現移位[1，6－7]。 本研究對 Medpor修復眶底缺損進行三維有限元的建模，并分析其生物力學性質，研究Medpor材料植入眶底后的位移及應力情況，為臨床提供參考依據。

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

1.1.2數據采集及圖像處理

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據，確定圖像質量清晰無誤后，將斷層數據以DICOM格式導入Mimics16.0軟件，設置視圖方向。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的灰度圖像。根據不同密度的組織在圖像上的灰度值不同，設置灰度閾值區間（-100～150）及（226～3071）分別提取眼眶內容物及眶骨等組織。得到眼眶區域的粗糙模型，保存為.STL文件格式（圖2）。

圖2　應用“Thresholding”命令，設置灰度閾值區間提取眼眶骨性結構（A）及眼眶內容物（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文件導入Geomagics，對其進行曲面擬合和光順處理，利用Geomagics可以對導出的數據進行三角面片細分、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框內容物三維模型的建立

在建立左眼眶模型的基礎上，進一步來構建眼眶內容物模型。原理同上（圖4）。

圖4　構建的眼眶內容物三維模型Fig.4　A three-dimensional model of orbital contents

1.1.5模型組裝

導出三維模型數據，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網格劃分

利用Mimics有限元模塊中的網格劃分功能，即自動運行Magics軟件進行面網格的劃分。回復至Mimics界面，利用Ansys專用接口導出所構建的面網格文件，將其導入有限元分析軟件Ansys中，轉化為solid92類型10節點二階單元的體網格，最后導出體網格文件，保存為 PREP7、NODES、ELEMENTS 3種格式。

1.1.7材質賦值

將上述保存的3種格式體網格文件載入Mimics，對每一網格單元按照各種材料參數[8]（其中Medpor彈性模量 900 MPa，泊松比 0.38，密度 900 Kg/m3）進行對應賦值。將以上完成賦值的所有有限元體網格以 LIS、NODES、ELEMENTS的格式再次導入 Ansys軟件，最終完成Medpor修復眶底缺損的三維有限元模型的構建（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種不同狀態下的位移與應力情況。各有限元分析均重復3次。

2　結果

2.1　三維有限元模型的構建

本研究建立了Medpor修復眶底缺損的三維有限元模型，其幾何和力學相似性良好，模型單元類型為C3D10三維六面體單元，共有節點數207 847個，單元數119 173個。經有限元網格質量檢測，該模型所劃分的網格質量高，是合格的有限元模型。

2.2　位移及應力分析

結果表明，無螺釘固定下Medpor位移1.049 mm，應力為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，螺釘處應力為0.693 MPa。無螺釘固定時，在眼眶內容物等重力作用及各部分相互牽拉條件下，容易產生浮動偏移，位移較大，受到約束較小，幾乎無應力。在固定釘作用下，Medpor僅僅邊緣部位產生位移，且變形明顯較小，在固定釘附近位移近乎為零，應力集中，說明固定螺釘具有良好的固定作用。此外，1枚固定螺釘的位移及應力值與2枚固定螺釘的位移及應力值非常接近。由于相比于眼眶內容物等軟組織，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材料的位移結果Fig.7　The results of the Medpor displacement under different conditions

圖8　不同條件下Medpor材料的應力結果Fig.8　The results of the Medpor stress state under differen t conditions

3　討論

本研究應用CT掃描得到的DICOM數據，直接構建有限元模型，避免了原始數據轉換過程中的數據丟失，建立的眶底缺損修復三維有限元模型較真實地代表了原物的結構形態，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無關的結構，是一個僅保留了最精簡結構的有限元模型，其單元、節點的密度是目前同類研究中最高的。因此，本研究構建的模型是簡潔、高效、高精度的Medpor修復眶底缺損的三維有限元模型。

該模型模擬了Medpor植入眶內修復眶底缺損時，固定或不固定狀態下，其形變、位移及應力情況。結果顯示，當Medpor無螺釘固定時，處于滑動狀態，受到約束較小，幾乎無應力，易產生浮動偏移，位移較大。這個結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的位移及應力值非常接近。基于螺釘屬于異體植入材料，在保證材料穩定性的基礎上應減少植入數量，避免可能的異物反應。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修復眶底時的螺釘固定方法與縫線方法進行了比較性研究，結果顯示小螺釘固定在手術操作時間及固定穩定性方面都勝過縫線固定。另外，在數據采集過程中，本研究選擇了1例左側眶底爆裂性骨折患者的CT數據，從而提高了所構建的三維有限元模型的經典性，以及計算結果的準確性。

有限元分析只是一種運用數學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。其內容納眼球及附屬視覺器官。另外，施加載荷參數時，重點突出了眶底Medpor受到的重力載荷、模擬眼球內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、眶內容物的彈性形變等。如此復雜的解剖結構及力學性質，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值上的偏差。

根據有限元模型計算結果，結合我們以往的臨床經驗，我們對于Medpor植入修復眶底建議①對于眶底缺損小于2 cm2，但有手術指征的患者，Medpor單片塑形植入后，根據材料與眶緣的貼合度，固定或不固定均可；②眼球內陷較嚴重（≥3 mm），使用三維數字化技術輔助設計個性化Medpor（多片疊加）修復眶底缺損矯正眼球內陷的患者，為保證術前設計中植入物的位置準確性，在Medpor尚未血管化之前，建議穩妥固定[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，例如修復材料在固定與不固定狀態下，術后患者的眼位、眼球突度及視力恢復方面是否存在差異；或許可設計并借助相關的動物實驗，以更為全面地分析相關力學因素對這一問題的影響。

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