顴骨“L”形截骨降低術的三維有限元模型的建立與分析

邱爽,王夢,陳瑩,牛峰,俞冰,劉劍鋒,劉偉,歸來

[摘要]目的：建立關于顴骨“L”形截骨降低術的三維有限元模型，探討該術式在生物力學方面的特點。方法：采集高顴骨畸形患者術前頭顱螺旋CT，將數據導入相應醫學圖像處理軟件，對顴骨復合體及手術相關區域進行分體三維重建、手術模擬，應用有限元軟件對模型進行網格劃分，通過CT掃描灰度值的轉換，對各部分材質的彈性模量、泊松比參數進行賦值，再模擬術中對顴骨、顴弓的施力，分析顴骨復合體生物力學情況。結果：建立了顴骨“L”形截骨降低術的三維有限元模型，其幾何相似性、力學相似性高。運用三維有限元法生物力學分析，術中按壓顴骨復合體，顴弓根部出現一個明顯的應力集中，顴骨顴弓產生向內側的形變。結論：在顴骨“L”形截骨降低術術中按壓顴骨復合體，是能夠在顴弓根部造成預期的青枝骨折，使顴骨產生內收、降低的形變。

[關鍵詞]顴骨“L”形截骨降低術；三維有限元；生物力學

[中圖分類號]R782 [文獻標識碼]A [文章編號]1008-6455（2012）01-0043-04

Three dimensional finite elements modeling and analysis of the reduction malarplasty with L-shaped osteotemy

QIU Shuang,WANG Meng,CHEN Ying,NIU Feng,YU Bing,LIU Jian-feng,LIU Wei,GUI Lai

(Craniomaxillofacial Surgery Center,Plastic Surgery Hospital,Chinese Academy of Medical Science,Peking Union Medical College,Beijing 100144,China)

Abstract:ObjectiveTo establish three dimensional finite element model of the Reduction Malarplasty with L-shaped Osteotemy,and to explore biomechanical characteristics of the surgery.Methods By using medical image processing software,three dimensional reconstruction and L-shaped osteotemy simulation were performed based on the CT data of a patient with prominent malar complex.Followed the 3D model remeshing,material properties assignment with gray value conversion，and setting the boundary conditions,the finite element model of the Reduction Malarplasty with L-shaped Osteotemy was established.The FEA model was carried out biomechanical analysis under the load of simulated zygomatic pressure.Results The finite element model established in this study has high geometric and mechanical similarity.The zymomatic pressures performed in operation caused a single stress concentration on the root of the zygomatic arch,and an inward displacement of the malar complex.ConclusionPressing the zygoma in the Reduction Malarplasty with L-shaped Osteotemy can lead to an expected greenstick fracture just on the root of the zygomatic arch,which result in an inward and lower deformation.

Key words:Reduction Malarplasty with L-shaped Osteotemy;three dimensional finite elements;biomechanics

顴骨復合體位于面中部突出位置，其形態不規則，結構較為復雜，是組成面中部外形和行使功能的關鍵結構之一，在面部外形輪廓中占據顯著位置。口內入路顴骨“L”型截骨降低術是由我科首創，并早在1996年就首先應用于臨床，用于矯正高顴骨畸形[1-2]、雙側顴骨不對稱（包括顴上頜復合體骨纖維異常增殖癥[3]，半側顏面短小畸形[4-5]等）。該術式的主要優點在于,其截骨量容易精確控制，保持了顴骨體和顴弓解剖結構的相對完整性，使顴骨體和顴弓整體得到自然降低，并且手術是在骨膜下進行，對面部軟組織和面神經的損傷幾率很小，口內入路，不遺留皮膚瘢痕，美學視覺效果好。該手術主要是通過眶外下緣的斜行截骨和顴骨體前份的垂直截骨，以及術中按壓顴骨顴弓，造成顴弓根部的“青枝骨折”所構成，配合堅強內固定技術從而達到術后穩定效果。

顴弓根部的青枝骨折，是手術的一個關鍵。它的重要性體現在，保持了顴骨顴弓解剖結構的相對完整性，避免了面部皮膚切口（比如耳前切口[6-9]、顳部發際內切口[10]、冠狀切口[11]等），避免了顴弓截骨術遺留的臺階感、局部不平整，保持了顴弓的自然弧度和曲線。但是關于此“青枝骨折”，醫生和患者一直存有擔心和置疑。比如術中對顴骨的按壓是否能在顴弓根部造成“青枝骨折”？其產生的機制是怎樣的？該術式的生物力學特性是怎樣的？為此，筆者設計本研究，對口內入路顴骨“L”型截骨降低術進行三維有限元的建模，并對其生物力學性質進行分析。

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：選取來我科就診要求行手術治療的1例24歲女性患者，先天性雙側顴骨突出（由4名臨床經驗豐富的高年資醫師共同診斷），排除顱頜面及其他疾病。

1.1.2數據采集：首先采用Siemens Sensation螺旋CT，在120Kv，300mAs，層厚0.75mm條件下，掃描患者頭顱，數據以DICOM格式存儲。

1.1.3分體三維重建：將得到的DICOM數據，導入Mimics軟件，以閾值226～3071 HU提取骨組織，手工分離顳下頜關節處下頜骨的附著，僅選取患者左側顴骨顴弓及手術相關區域（包括部分上頜骨），進行三維重建。

1.1.4手術模擬：運用Mimics的骨切割功能，對三維模型進行顴骨“L”形截骨術的模擬：眶外下緣的斜行截骨的寬度為1.5mm，顴骨體前份的垂直截骨、去除骨塊寬度7mm。即獲得關于顴骨“L”形截骨術的三維虛擬模型（如圖1a～b）。

1.1.5網格劃分：打開Mimics有限元分析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。回到Mimics中，通過Ansys專用接口導出所構建的面網格文件。將該面網格文件導入有限元分析軟件Ansys中，將面網格轉化為solid92類型10節點二階單元的體網格，在進行更精細的體網格劃分。導出體網格文件，將其保存為PREP7、NODES、ELEMENTS 3種格式。

1.1.6材質賦值：將上述的3種格式體網格文件載入Mimics中，運行材質賦值功能。將CT掃描所得的每個體素的灰度值，連續分為10類，以中位數代表該類的灰度值。利用有限元網格中的每一個單元與CT掃描每一個體素的對應關系，通過經驗公式（Density =-13.4+1017*Gray value,E-Modulus=-388.8+5925*Density[12-13]）將灰度值轉化為表觀密度、彈性模量。再對每一個網格單元的表觀密度、彈性模量、泊松比進行對應賦值。賦值完成后，體網格模型中的每一個單元按照灰度值的不同呈現10種顏色以示區別。最后，將完成了賦值的所有有限元體網格以lis，nodes,elements的格式再導入到Ansys軟件，這樣，就完成了顴骨“L”形截骨術的三維有限元模型的構建。

1.2載荷及邊界條件：在Ansys軟件中，根據人體解剖和術中實際情況，對顴弓根部與顳骨的附著處以及截骨線內側的顴骨、上頜骨部分進行所有自由度的完全約束。模擬實際手術中對顴骨的按壓操作：對顴骨中份處直徑為10mm的部位施加方向為垂直局部骨面向內的壓力。力的大小從0開始，以10N為遞增幅度，逐步增大至50N。分析顴骨復合體上的形變位移和應力分布。各次有限元分析均重復3次。

2結果

2.1三維有限元模型的構建：本研究最終建立了顴骨“L”形截骨術的三維有限元模型，其幾何和力學相似性形態良好，整個模型共有節點100 421個，單元57 225個。經有限元網格質量檢測，可以看出該模型所劃分的網格質量高，是良好的有限元模型（如圖1c）。

2.2形變分析：在各載荷加載條件下，顴骨顴弓向內發生形變位移，從顴弓根部至顴骨的前份位移量逐漸增大，顴骨截骨端頂點是位移量最大。圖中的形變位移量以顏色梯度表示（如圖3）。

2.3應力分析：von mises應力分布圖中顯示：在顴弓的根部出現一個單一獨立的應力明顯集中區域，它主要分布在顴弓根部的內外側，且內側應力強度大于外側（如圖4）。

3討論

有限元分析方法是利用數學近似的方法將真實物理系統劃分為大量小單元而進行模擬[14]。這種方法能將幾何形態和材料性質較為復雜的結構進行模擬和計算，這是其他方法所不能及的[15]。它已廣泛應用于工科和醫學領域，有研究將其成功運用于對骨折方式的預測[16]。

3.1本研究所構建的有限元模型保留了CT三維重建影像的絕大部分細節，因此幾何相似性較高。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手術無關的結構。對于這樣一個僅保留了最精簡結構的有限元模型，其單元、節點的密度是同類研究中最高的。因此本研究構建了一個較為簡潔、高效、高精度的顴骨“L”形截骨術的三維有限元模型。

3.2材質賦值是有限元建模的一個關鍵問題。因為正常人體的骨組織實際包含著無數種材質，其密度和力學性質各異，它們之間是連續過渡的，在皮質骨與松質骨之間并無絕對界限。目前國內外有限元模型的建模過程，多采用將骨組織簡單的人為劃分為皮質骨和松質骨兩種材質，并對二者賦予單一的彈性模量和泊松比[14，17-20]。這與實際解剖結構和生物力學情況相差很大。而本研究采用了根據實際CT對每個體素掃描得到的灰度值，再一一對應轉化為有限元模型中每一個單元的表觀密度值、彈性模量和泊松比，從而較精確地進行賦值。這就提高了有限元模型的真實性。對于像顴骨復合體這樣復雜的不規則骨而言，這樣的方法得到的結果才更為可靠。

3.3通過模擬手術中按壓顴骨的操作，使其向內移動，產生“青枝骨折”的過程，發現應力集中的部位恰好是在顴弓根部。在顴弓根部的內側是應力最大的部位。這就提示，在上述的按壓力量的作用下，顴弓根部將發生變形，從而帶動整個顴弓、顴骨體一起發生向內的移動，從而降低的顴骨復合體的突度和寬度。當力量達到屈服極限時，最大應力集中區域將會發生塑性變形。這個結果也同時得到了另一臨床現象的支持。對于單純性顴弓骨折的患者，受傷時當顴骨受到從側方而來的巨大力量時，在顴弓根部往往發生明顯的骨折[21]，并可以從CT影像上清楚的看到（如圖5）。這個現象說明顴弓的根部確實是應力容易集中的區域，這也在一定程度上驗證了本研究方法和結果的可靠性。

3.4有限元分析不但對生物力學做出了清楚的分析，同時也模擬出了在此過程中顴骨復合體位移的變化。形變圖上的顏色梯度，清楚的反映了顴骨復合體各部分內收的程度，這為理解手術的過程，預測、評估手術效果也提供了參考。

3.5 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，它不可能完全精確。顴弓是人體中一個特殊的結構，它是由顴骨體的顳突和顳骨的顴突通過顴顳縫的連接所構成的。因為顴顳縫的真實結構、力學性質太過復雜，目前國內外均無法準確模擬[22-23]。本研究僅通過了材質賦值這一項來模擬。另外因為在手術當中肌松藥的使用，對顴骨復合體進行了骨膜下的剝離，故在本研究中顴肌、咬肌、顳肌以及軟組織等的牽拉附著等影響，筆者認為是可以忽略不計的。在本研究中的材質賦值過程，筆者引用了兩個經典公式來將CT灰度值轉化為有限元模型中的各單元的彈性模量和表觀密度。但該經典公式系國外學者通過股骨的生物力學實驗得出的[12-13]，而對于顴骨的轉化公式尚無相關報道。筆者引用的經典公式雖有可能不完全適用于顴骨，但卻是目前最為可靠的方法。因此，由于上述因素的存在，本研究結果可能存在具體數值上的一定偏差。

3.6 根據筆者的手術經驗，按壓顴骨使其產生“青枝骨折”的力量存在著較為明顯的個體差異，與性別、年齡、顴骨發育的程度等因素有關。本研究所選取的是排除了顱頜面畸形及其他疾病的年輕女性，能在最大程度上代表目前就診群體的情況。

3.7“青枝骨折”的形成是手術的一個關鍵性步驟，應該根據患者的具體情況從較小的力量開始，逐步施加力量，過程不應急促粗暴。對于一次按壓難以形成“青枝骨折”的患者，也可以通過反復小力度按壓，做小范圍的往復運動，使顴弓根部產生疲勞形變，從而形成“青枝骨折”。術中應注意保護顴顳縫等結構，防止意外骨折。

4結論

通過本研究，筆者利用有限元方法發現，在口內入路顴骨“L”形降低截骨術中，通過對顴骨顴弓的按壓，是能夠在顴弓根部產生一個單一的應力集中區域，從而使顴弓根部發生青枝骨折，使顴弓發生向內的形變，進而使顴骨復合體的寬度和突度都得到減小。本研究的結果和方法，為理解、研究該術式具有很好的參考價值。

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[收稿日期]2011-10-08[修回日期]2011-11-07

編輯/何志斌