甲狀軟骨成形術的三維有限元仿真模擬

胡彬彬 史廷春* 林志宏

1(杭州電子科技大學生物制造研究中心，杭州 310018)2(浙江大學醫學院附屬第二醫院耳鼻咽喉科，杭州 310006)

甲狀軟骨成形術的三維有限元仿真模擬

胡彬彬1史廷春1*林志宏2

1(杭州電子科技大學生物制造研究中心，杭州 310018)2(浙江大學醫學院附屬第二醫院耳鼻咽喉科，杭州 310006)

運用Mimics醫學重構軟件，對喉的甲狀軟骨進行三維重建，研究不同的支架材料對甲狀軟骨成形術當中開窗部位的影響，為接下來人工軟骨支架的材料遴選和制備提供理論依據。首先將標準DICOM格式的CT圖像導入到Mimics10.1醫學三維重建軟件中，進行圖像的去噪、分割和區域生長等處理，建立起甲狀軟骨的三維模型；然后將生成的幾何模型導入到逆向工程軟件Geomagic Studio12.0中，對三維模型進行曲面擬合，建立NURBS曲面實體模型，再通過Geomagic Studio軟件中的CAD模塊，完成甲狀軟骨的開窗和支架的植入；最后在ANSYS Workbench14.0中對不同支架的修復情況進行數值模擬，比較修復過后的甲狀軟骨的生物力學性質。最終建立的三維實體模型外形輪廓上與真實甲狀軟骨具有較好的幾何相似性，開窗的部位和大小與臨床上保持一致。軟骨模擬受力過程也和術后進行效果評價方法在力學性能上相類似。數值模擬階段的結果為臨床上開窗部位的固定和修復材料的篩選提供依據。

甲狀軟骨成形術；三維重建；有限元分析；損傷修復

引言

單側聲帶麻痹是耳鼻喉科最常見的疾病之一。引起單側聲帶麻痹的原因很多，包括甲狀腺、食道和聲門等的腫瘤壓迫以及這些部位的術后創傷，局部缺血導致的肌無力也會引起聲帶麻痹。甲狀軟骨成形術是由日本的Isshiki等于1974年提出的，分為4型，其中I型甲狀軟骨成形術是單側聲帶麻痹、聲門關閉不全患者語音重建的首選術式之一[1]。該術需要在甲狀軟骨板上做切口，術后需要對開窗部位進行固定，并通過局部麻醉下患者聲音的反饋來調整移植物的大小及位置，如圖1所示。由于在實施手術之前，醫生對開窗部位缺乏準確的判斷，手術的成功率不高。術后移植物的大小及材料對開窗部位的固定情況并不理想，術后并發癥較多。

有限元分析是計算力學的一種重要方法，最早起源于航空工程中的矩陣分析[2]。其基本思想就是將無限個質點組成的連續體離散成有限個單元組成的集合體，各單元之間又通過節點相連接，以實現單元間力的傳遞。通過力的平衡條件，建立線性方程組。求解這些方程組，便可得到各單元和結點的位移及應力。有限元法可以避免傳統生物力學研究中建模和活體實驗的困難，為甲狀軟骨成形術術前預測提供一種有效的評估方法。上海交通大學醫學院的黃振宇等人通過有限元法，比較了正常和早期骨關節炎時膝關節生物力學性質的不同[3]；上海大學的陳維濤等人對成形術前后聲帶振動模式和喉部氣體流場進行了數值模擬[4]。但是，將有限元法運用到喉軟骨損傷修復的模擬研究還比較少。

本研究基于浙醫二院志愿者的個體化CT斷層圖像，運用計算機輔助和逆向工程技術，建立起完整和損傷修復過后的甲狀軟骨有限元模型，并對不同的移植物材料進行了數值模擬分析，從而為臨床上實施甲狀軟骨成形術和接下來人工軟骨支架材料的篩選和制備提供了理論依據。

圖1 甲狀軟骨成形術術式流程Fig.1 Operation flow chart of thyroplasty

1 材料和方法

1.1 實驗設備和軟件

實驗設備：計算機的主頻2.5 GHz，內存2 GB，操作系統Windows 7 Ultimate，硬盤250 GB。

軟件：Mimics 10.1(比利時)醫學三維重建軟件，Geomagic studio 12.0(美國)逆向工程軟件，ANSYS Workbench 14.0(美國)有限元分析軟件。

1.2 方法

1.2.1 獲取CT圖像數據

采用16排螺旋CT獲取浙醫二院志愿者(男性，29歲)從鼻到頸部的CT圖像。采集CT數據時，志愿者采取仰臥位的睡姿，頭部保持縱軸不變。掃描條件：120 kV，125 mV，層厚1.25 mm，共計345層，并將獲取到是CT斷層數據以標準DICOM格式的形式導入到Mimics中進行處理。圖2為獲取到的CT圖像。

圖2 頭頸部位CT圖像Fig.2 The CT data of head and neck regio

1.2.2 三維有限元模型的建立

1)軟骨三維模型的建立。將CT斷層圖片導入Mimics10.1軟件中，通過不斷的閾值調整，可確定甲狀軟骨大致的范圍在-571～1113 HounsField單位之間。接下來對圖像進行閾值分割，將軟骨組織周邊無關部位的蒙板進行剔除和清理；使用區域增長的方法來提取甲狀軟骨的輪廓，對無用的蒙板進行擦除；然后對每張CT斷層圖片進行編輯，生成相應的三維模型；再通過Mimics軟件自帶的Remesh功能，對所生成的三維模型進行細化、平滑和減少三角面片數量等操作，從而達到對模型的簡化，減少接下來有限元建模和分析的工作量[5]，結果如圖3所示。

圖3 甲狀軟骨三維模型。(a)優化前；(b)優化后；(c)優化前網格；(d)優化后網格Fig.3 Three- dimensional model of thyroid cartilage.(a) Before optimization;(b) After optimization;(c)Mesh before optimization;(d) Mesh after optimization

2)實體模型的建立。由于構成甲狀軟骨的曲面數量較多，且曲率變化明顯，故將模型以三角網格stl的格式導入到逆向工程軟件Geomagic Studio 12.0中進行模型的實體成型處理。首先在多邊形階段，對初步擬合的三維模型進行自動網格修補，去除尖狀物、填充孔洞等操作去除幾何缺陷；然后在曲面化造型階段，采用精確曲面的方法，經曲面擬合使模型表面構建的三角面片擬合成Nurbs曲面實體[6- 8]。通過布爾和CAD等操作，完成在甲狀軟骨板上的開窗，最后形成甲狀軟骨的修復模型，如圖4所示。

圖4 帶輪廓線的實體模型。(a)植入前；(b)植入后Fig.4 Entity model.(a)Before implant; (b)After implant

圖5 不同材料下軟骨總變形云圖。(a)約束與載荷；(b)完整軟骨形變；(c)硅膠；(d)聚氨酯Fig.5 Deformation of cartilage under different materials.(a) Constraint and load;(b) Complete;(c) Silica gel;(d) Polyurethane

3)有限元模型的建立。將得到的實體模型導入有限元分析軟件ANSYS Workbench14.0中，對天然軟骨和人工軟骨進行材料的賦值，如表1所示。采用十節點的四面體單元和自動網格劃分的方式進行網格劃分[9- 11]，支架和軟骨之間的接觸定義為不分離接觸，最終生成單元數11 998、節點數21 440的有限元模型。

表1 有限元模型的材料屬性Tab.1 The material properties of the finite element model

術后醫生通過手指向內擠壓聲帶平面的甲狀軟骨翼的前1/3至中1/3處的軟骨，同時囑咐病人發聲并錄音來觀察聲帶的改變，通過與術前錄音效果的對比，驗證喉麻痹有無改善、是否達到手術預期效果[12]。本實驗以手術植入前后聲門內壓降的臨床數據作為參考，分別在甲狀軟骨板兩側施加0～1 MPa的載荷，邊界約束條件為上下軟骨角固定約束，見圖5(a)，以此來進行生物力學性質的數值模擬。

2 結果

比較不同植入物材料對術后喉軟骨生物力學性能的影響[13]，從而為接下來的人工軟骨支架制備和后續的動物實驗提供理論依據。

2.1 不同植入物材料下軟骨的總變形量

在甲狀軟骨板上施加同等大小的載荷，比較植入物材料分別為硅膠和聚氨酯情況下甲狀軟骨整體的變形情況[14]。通過圖5可以發現，聲門壓降為0.2 MPa時，以硅膠作為植入材料，其最大位移量為42.717 mm；以聚氨酯植入時，最大位移量為42.688 mm。其他壓降情況下(見表2)，兩種材料在受到同等大小的載荷條件下產生的位移量都較為接近，且最大值均發生在甲狀軟骨板的左上邊緣。

2.2 不同植入物材料下軟骨的等效應力

在甲狀軟骨板的內側分別施加0.2～1.0 MPa的模擬載荷，觀察等效應力的分布情況，結果如圖6和表3所示。顏色由淺到深，代表軟骨所受到的等效應力值逐漸變大。力學模擬結果顯示，植入前和植入后von- mises等效應力在甲狀軟骨板的左右兩側值大體相等。但和植入前相比，等效應力度大。

表2 植入后不同壓降情況下軟骨的最大變形量

Tab.2 Maximum deformation of cartilage under different pressure drop after implant

聲門壓降/MPa最大形變量/mm硅膠聚氨酯0.242.71742.6880.485.43585.4120.6128.15127.980.8170.87170.921.0213.59213.44

3 討論與結論

聲帶麻痹為頸部手術常見并發癥。目前，單側聲帶麻痹的治療方式主要包括聲帶注射術、喉神經肌蒂移植術和喉支架成形術。甲狀軟骨成形術屬于喉支架成形術的一種，其優點是術后創傷小、費用低等，因此特別有利于在基層醫院展開。但由于甲狀軟骨成形術需要對甲狀軟骨進行開窗，這就人為地對甲狀軟骨造成了損傷，所以術后需要對開窗部位進行固定。

本實驗選取硅膠和聚氨酯兩種生物材料，采用有限元分析的方法，研究這些材料在同一植入部位和相同開窗大小的情況下對甲狀軟骨的生物力學性質的影響，保證各向同性彈性材料除彈性模量和泊松比之外其他條件和模型條件完全一致，使實驗結果更加可靠。

首先通過醫學三維重構軟件Mimics完成了對正常男性甲狀軟骨的提取和重建，然后通過Geomagic軟件完成實體建模。本研究主要比較了植入材料為硅膠和聚氨酯兩種材料下軟骨的生物力學性能[16- 19]。過去臨床上常常認為，支架所承受和傳遞的應力都比較小，植入前和植入后的受力情況相同，支架僅僅起到固定的作用，術后可固定也可以不固定。但從本實驗的整體形變云圖和等效應力圖來看，植入前左右兩側軟骨板的整體形變情況呈對稱結構，而術后整體變形并未呈高度的對稱。植入支架后軟骨外部受到的高應力峰值比植入之前均大幅增加，而低應力的峰值比手術之前均出現了降低。過去往往采用高彈性模量(1 200 MPa)的硅膠作為術后固定物，但從數值模擬的結果來看，相比低彈性模量(60 MPa)的聚氨酯來說，高彈性模量的支架和軟骨結合區應力值提升了115%，相比植入前(6 MPa)結合區應力提升了180%，說明支架在窗口固定中起到傳遞和分散咬合力的作用。

本研究主要建立了甲狀軟骨的三維模型，并對甲狀軟骨成形術術后修復情況進行了分析。結果顯示，臨床上對于軟骨老化和軟骨壁薄弱者，可以選擇低彈性模量的材料，以降低軟骨受到較大外力作用時發生折斷的風險；對于軟骨健壯者，則可采用高彈性模量的硅膠作為固定材料，以保證自身具有一定的強度。

但本實驗僅僅對臨床上所認為的甲狀軟骨上切跡和甲狀軟骨下緣于正中位置進行了開窗部位數值模擬，并未對其他開窗部位和不同開窗大小情況進行有限元分析，且只比較了兩種植入材料，故存在一定的局限性，接下來還需對不同開窗部位和不同開窗大小下的情況進行模擬驗證。

[1] 王軍，馬麗晶，劉健慧，等. Ⅰ型甲狀軟骨成形術治療單側聲帶麻痹的嗓音學分析[J]. 中國耳鼻咽喉頭頸外科， 2011, 18(10): 554- 557.

[2] 曾攀. 有限元基礎教程[M]. 北京：高等教育出版社, 2012: 380.

[3] 黃振宇，董躍福，胡廣洪，等. 基于有限元方法的正常和早期OA膝關節生物力學行為比較[J]. 中國數字醫學， 2015, 1(5): 6- 9.

[4] 陳維濤，陳東帆，韓興乾，等. 聲帶麻痹植入手術的有限元仿真模擬[J]. 計算機應用， 2013, 33(3): 896- 900.

[5] Chen T, Chodara AM, Sprecher AJ, et al. A new method of reconstructing the human laryngeal architecture using micro- MRI[J]. Journal of Voice， 2012, 26(5): 555- 562.

[6] 張銳，楊明明，潘潤鐸，等. 鴕鳥足底非規則曲面形貌數學模型構建[J]. 農業工程學報， 2015, 31(z1): 71- 78.

[7] 莫海軍，周佳軍，林志生. 曲面模型重構方法比較及誤差分析[J]. 現代制造工程， 2015, 1(6): 84- 88.

[8] Várady T, Facello MA, Terék Z. Automatic extraction of surface structures in digital shape reconstruction[J]. Computer- Aided Design， 2007, 39(5): 379- 388.

[9] Beski D, Dufour T, Gelaude F, et al. Software for biofabrication A2- Yoo[M]//Essentials of 3D Biofabrication and Translation. Boston:Academic Press, 2015, 19- 41.

[10] Schicker J, Khan WA, Arnold T, et al. Simulating the warping of thin coated Si wafers using Ansys layered shell elements[J]. Composite Structures， 2016, 140(2016): 668- 674.

[11] Amjad W, Munir A, Esper A, et al. Spatial homogeneity of drying in a batch type food dryer with diagonal air flow design[J]. Journal of Food Engineering， 2015, 144(2015): 148- 155.

[12] Melchels FPW, Domingos MAN, Klein TJ, et al. Additive manufacturing of tissues and organs[J]. Progress in Polymer Science， 2012, 37(8): 1079- 1104.

[13] 張毅，史廷春，鄭文祥. 喉關節的建模及數值模擬研究[J]. 中國生物醫學工程學報， 2014, 33(2): 241- 245.

[14] 朱震奇，劉辰君，王捷夫，等. 正常男性全腰椎三維有限元模型的建立及探討[J]. 中華醫學雜志， 2014, 94(37): 2919- 2922.

[15] Kim M S, Kim G. Three- dimensional electrospun polycaprolactone (PCL)/alginate hybrid composite scaffolds[J]. Carbohydrate Polymers， 2014, 114(12): 213- 221.

[16] Federico S, Grillo A, La Rosa G, et al. A transversely isotropic, transversely homogeneous microstructural- statistical model of articular cartilage[J]. Journal of Biomechanics， 2005, 38(10): 2008- 2018.

[17] Mau T. Three- dimensional morphometric analysis of cricoaryte-noid subluxation[J]. Journal of Voice， 2012, 26(2): 133- 136.

[18] Storck C, Gugatschka M, Friedrich G, et al. Developing a 3D model of the laryngeal cartilages using HRCT data and MIMICS’s segmentation software[J]. Logopedics Phoniatrics Vocology， 2010, 35(1): 19- 23.

Three Dimensional Finite Element Simulation of Thyroplasty

Hu Binbin1Shi Tingchun1*Lin Zhihong2

1(Hangzhou Dianzi University, Research Center for Bio- manufacturing, Hangzhou 310018, China)2(Department of Otolaryngology, the Second Affiliated Hospital of Zhejiang University Medical College, Hangzhou 310006, China)

thyroplasty; three- dimensional reconstruction; finite element; defect repair

10.3969/j.issn.0258- 8021. 2017. 03.016

2016- 03- 09， 錄用日期:2016- 10- 11

國家自然科學基金(61272389)

R318

D

0258- 8021(2017) 03- 0365- 05

*通信作者(Corresponding author)，E- mail: stc@hdu.edu.cn