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(yǎng)群

[摘要]目的：建立小型豬下頜骨骨性隧道內(nèi)植皮的有限元模型，以了解骨性隧道內(nèi)植皮后攣縮的生物力學(xué)基礎(chǔ)和形變規(guī)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(nèi)植皮數(shù)據(jù)，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(nèi)植皮后的攣縮過程，計(jì)算節(jié)點(diǎn)位移及施加應(yīng)力，獲取骨性隧道內(nèi)植皮攣縮的生物力學(xué)基礎(chǔ)和形變規(guī)律。結(jié)果：通過小型豬下頜骨骨性隧道內(nèi)植皮的有限元分析模型可以直觀有效模擬節(jié)點(diǎn)位移及施加應(yīng)力，其仿真分析結(jié)果與動物實(shí)驗(yàn)幾何外形相似程度高，細(xì)節(jié)損失??；經(jīng)靜力分析發(fā)現(xiàn)0周到4周的攣縮過程所受應(yīng)力的大小約為4周到8周的攣縮過程所受應(yīng)力大小的6倍，所受應(yīng)力的方向都是指向隧道中心。結(jié)論：有限元分析可以模擬骨性隧道內(nèi)植皮的攣縮過程，分析骨性隧道內(nèi)植皮后攣縮局部區(qū)域的應(yīng)力分布及大小，協(xié)助臨床設(shè)計(jì)攣縮對抗方案。

[關(guān)鍵詞]植皮攣縮；有限元分析；下頜骨

[中圖分類號]R622 [文獻(xiàn)標(biāo)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(guān)注的問題之一，術(shù)后的攣縮常常會影響手術(shù)效果[1]，尤其是腔穴植皮后的攣縮，因其為三維立體結(jié)構(gòu)，測量不方便，影響因素多，用傳統(tǒng)的直接在術(shù)后攣縮部位測量所得數(shù)據(jù)誤差大，難以給出較精確的攣縮力大小以及攣縮的時(shí)間變化規(guī)律。本研究通過建立小型豬下頜骨鉆孔形成骨性隧道內(nèi)植皮的有限元模型，模擬攣縮過程，并與動物實(shí)驗(yàn)的真實(shí)攣縮過程對比，旨在預(yù)測攣縮過程中的節(jié)點(diǎn)位移以及攣縮應(yīng)力的變化，協(xié)助臨床設(shè)計(jì)對抗攣縮的方法及時(shí)間截點(diǎn)。

1材料和方法

1.1 設(shè)備配置：系統(tǒng)硬件配置：lenovo-cf14042b，Genuine Inter(R) CPU，1 G 內(nèi)存，14 寸彩色顯示屏，160 G 硬盤。操作系統(tǒng)為Windows XP。使用的軟件及功能：Mimics 10.1，進(jìn)行有限元模型重建以及面網(wǎng)格的劃分；ANSYS 12.0，建立有限元模型及計(jì)算。

1.2 動物實(shí)驗(yàn)：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(nèi)。術(shù)后即刻及術(shù)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(dǎo)入到MIMICS當(dāng)中，對豬下頜骨進(jìn)行三維模型重建以及面網(wǎng)格的劃分，面網(wǎng)格劃分結(jié)束后進(jìn)入ANSYS當(dāng)中，將MIMICS當(dāng)中劃分的面網(wǎng)格轉(zhuǎn)化成體網(wǎng)格。經(jīng)過體網(wǎng)格的轉(zhuǎn)化后，再次回到MIMICS當(dāng)中，對豬下頜骨進(jìn)行賦材料的操作。最后再回到ANSYS中加載進(jìn)行計(jì)算，得到我們需要的結(jié)果文件。

1.4 有限元靜力分析：基于骨性隧道內(nèi)植皮三維有限元模型的建立，通過給出的術(shù)后即刻，術(shù)后2周、4周、6周、8周的數(shù)據(jù)用有限元模型仿真骨性隧道內(nèi)植皮后攣縮過程。根據(jù)同一側(cè)隧道內(nèi)對應(yīng)節(jié)點(diǎn)位移的不同，算出節(jié)點(diǎn)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(jìn)行邊界約束最后求解得到節(jié)點(diǎn)變形。本研究在設(shè)定邊界約束時(shí)只把髁突關(guān)節(jié)面附著的單元全部自由度約束[2]。

2結(jié)果

動物實(shí)驗(yàn)中骨性隧道內(nèi)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(nèi)植皮的三維有限元模型,共包括單元數(shù)為674863，節(jié)點(diǎn)數(shù)為261997（圖2、3）。經(jīng)過力學(xué)分析得到0周到4周的攣縮過程所受應(yīng)力的大小約為4周到8周的攣縮過程所受應(yīng)力大小的6倍，所受應(yīng)力的方向都是指向隧道中心（圖4）。

3討論

整形外科醫(yī)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(nèi)徑均勻一致的再造腔穴是我們關(guān)注的問題。而腔穴再造后攣縮的應(yīng)力大小，應(yīng)力方向，以及不同術(shù)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(jié)構(gòu)，腔穴攣縮是一動態(tài)過程，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響因素多，測量不方便，數(shù)據(jù)誤差大。而數(shù)值計(jì)算的思路是將復(fù)雜問題簡單化，求近似解，即將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)分解成若干相對簡單的構(gòu)件，分別分析，然后求解。有限元分析是利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實(shí)物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)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(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實(shí)系統(tǒng)。三維有限元分析的優(yōu)點(diǎn)是可對結(jié)構(gòu)、形狀、載荷和材料力學(xué)性能極其復(fù)雜的構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力分析。通過對復(fù)雜的幾何物體進(jìn)行建模， 求得整體和局部的應(yīng)力值、位移大小及其分布規(guī)律，并可根據(jù)需要改變加載、邊界條件等力學(xué)參數(shù)，在維持原模型幾何形狀不變的情況下，易對其應(yīng)力大小和分布的變化進(jìn)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(diǎn)[7-8]。

本研究采用小型豬下頜骨作為研究對象，因?yàn)橄骂M骨是具有較大剛度的堅(jiān)硬生物體，同時(shí)又是一種各向異性，非均質(zhì)性，有生命的生物復(fù)合材料。它同工程材料具有類似的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，在彈性限度內(nèi)遵循胡克定律，因此在目前下頜骨的力學(xué)特性研究中也大量采用有限元分析法[9-10]。骨性隧道內(nèi)植皮的成活不易，我們在動物實(shí)驗(yàn)過程中，采用油綢紗布卷進(jìn)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(fā)現(xiàn)，0周到4周的攣縮過程所受應(yīng)力的大小約為4周到8周的攣縮過程所受應(yīng)力大小的6倍，說明這種攣縮的力量是隨著時(shí)間遞減的，這提示我們在移植術(shù)后早期要采用堅(jiān)強(qiáng)的內(nèi)支撐物對抗攣縮，6周之后可以適當(dāng)調(diào)整為力量中等而相對較舒適的內(nèi)支撐物。應(yīng)力的方向是指向隧道中心，那么對抗攣縮的力的方向應(yīng)該與其相反。故可以在此實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步用有限元分析模擬腔穴攣縮的遠(yuǎn)期變化，從而可以幫助我們推斷術(shù)后的遠(yuǎn)期進(jìn)展，預(yù)測脫離內(nèi)支撐物的時(shí)間，指導(dǎo)臨床醫(yī)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(lián)合建模,耦合分析，建立了具有高度真實(shí)性，個(gè)性化的完整豬下頜骨骨性隧道內(nèi)植皮的三維有限元模型，為有限元力學(xué)分析的廣泛臨床應(yīng)用提供了高效的仿真基礎(chǔ)。此外，本研究為研究腔穴攣縮提供了一個(gè)新的思路，尤其是用于不同手術(shù)方法術(shù)后攣縮攣縮程度的比較，通過較為精確的有限元分析結(jié)果來判斷其術(shù)后攣縮的程度，而不簡單地依靠醫(yī)生和患者的主觀判斷，更利于整形外科醫(yī)生選擇手術(shù)方案。

[參考文獻(xiàn)]

[1]王煒.整形外科學(xué)[M].杭州:浙江科學(xué)技術(shù)出版社,1999:86.

[2]李鵬,梁瑞,申龍朵,等.應(yīng)用MIMICS和ANSYS軟件建立下頜骨三維有限元模型方法學(xué)研究[J].實(shí)用口腔醫(yī)學(xué)雜志,2012,28(6):709-713.

[3]李一可,遲放魯. 先天性耳廓畸形及全耳再造術(shù)的歷史與發(fā)展[J].中國眼耳鼻喉科雜志,2009,9(2):125-127.

[4]王量,王珍祥,李喆,等.游離植皮法眼窩再造臨床應(yīng)用體會[J].中國美容醫(yī)學(xué),2011,20(9):18-19.

[5]Zhao M,Li P,Li S,et al.Use of autologous micromucosa graft for vaginoplasty in vaginal agenesis[J].Ann Plast Surg,2009,63(6):645-649.

[6]Kozinn Sl,Harty NJ,Zinman L,et al.Management of complex anterior urethral strictures with multistage buccal mucosa graft reconstruction[J].Urology,2013,82(3):718-722.

[7]陳瑩,歸來,牛峰,等.下頜骨牽張成骨的有限元模擬[J].組織工程與重建外科雜志,2014,10(1):30-33.

[8]Hart RT,Hennebel VV,Thongpreda N,et al.Modeling the biomechanics of the mandible:a three-dimensional finite element study[J].J Biomechanics,1992,25(3):261-286.

[9]虎小毅,屠軍波,蔣菲,等.下頜骨髁突囊內(nèi)骨折不同內(nèi)固定方式下的應(yīng)力分布[J].中國美容醫(yī)學(xué), 2013, 22(11):1169- 1172.

[10]鄢蘭元,陳渝斌,張綱,等.人下頜骨槍彈傷的三維有限元建模與數(shù)值分析[J].第三軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報(bào),2010,32(8):770-772.

[收稿日期]2014-04-24[修回日期]2014-05-09

編輯/張惠娟