基于有限元模型的单侧唇裂鼻畸形的生物力学分析

董雷王盛章宋建星

基于有限元模型的单侧唇裂鼻畸形的生物力学分析

董雷王盛章宋建星

目的运用有限元分析的方法，对单侧唇裂鼻畸形患者鼻部进行全面的生物力学分析和研究，从生物力学角度阐述唇裂鼻畸形形成的原因，揭示单侧唇裂鼻畸形形成的力学规律，为单侧唇裂鼻畸形患者的整形外科治疗奠定生物力学理论基础。方法自2007年至2009年，共采集单侧唇裂鼻畸形患者10例，均在术前行CT和MRI扫描，MIMICS软件进行计算机三维重建，建立畸形鼻部三维有限元分析模型，确定有限元分析的边界条件，进行单侧唇裂鼻畸形的鼻部生物力学的测量和分析。结果成功获得单侧唇裂鼻畸形患者的鼻部三维重建模型。分析表明，静态下，畸形鼻部的应力分布值很小，关键应力点的应力分别为鼻中隔部0.009 35±0.002 MPa，鼻小柱底部0.005 9±0.002 1 MPa，鼻翼外侧脚0.006 81±0.001 3 MPa；位移载荷状态下，形变后的畸形鼻部拥有较大的应力分布值，关键应力点的应力分别为鼻小柱患侧25.51±3.98 MPa，鼻中隔部7.882±1.35 MPa，患侧鼻翼8.184±1.58 MPa。结论鼻小柱患侧是畸形整复的力学关键部位，其次是患侧塌陷鼻翼；鼻中隔应力的集中，提示了鼻中隔部位整复的重要性，其整复和固定可能是单侧唇裂鼻畸形整复的重要内容。

单侧唇裂鼻畸形三维重建有限元生物力学

单侧唇裂鼻畸形是常见的先天性发育畸形之一，其治疗以手术矫治为主。手术方法多种多样，但由于唇裂鼻畸形的复杂性、患者较高的期望值，以及手术方法和植入材料的限制，整复效果不尽如人意。我们通过CT、MRI等影像学手段，对单侧唇裂鼻畸形进行影像学数据采集，通过计算机对单侧唇裂鼻翼塌陷畸形进行三维重建，获得畸形鼻的形态学资料；运用有限元分析的方法，对单侧唇裂鼻翼塌陷畸形患者鼻部进行全面的生物力学分析和研究，希望从生物力学角度阐述唇裂鼻畸形形成的原因，揭示单侧唇裂鼻畸形形成的力学规律，为单侧唇裂鼻畸形的整形外科治疗奠定良好的生物力学理论基础。

1 材料与方法

1.1 一般资料

本组共10例，均为左侧唇裂鼻畸形，来自于2007～2009年在上海解放军85医院、长海医院和第九人民医院整复外科的患者。年龄10～18岁，其中男性患者7例，女性患者3例。均在0～3岁阶段进行过一期唇裂修复术，未进行过鼻畸形的整复。主要表现为患侧鼻翼塌陷畸形，或伴有鼻小柱偏斜、鼻尖分离等畸形。

1.2 方法

本组患者均在术前行CT和MRI的扫描，图像数据以DICOM文件形式存档，并传输至HP图形工作站，用MIMICS软件行计算机三维重建。将唇裂鼻畸形患者鼻部进行三维重建，分离出外鼻软骨的影像，并对鼻部组织进行分层和重建，确定畸形鼻的形态和组织结构。

通过现代力学测量仪器，对10例成人尸体鼻部的大翼、侧鼻和中隔软骨进行弹性模量的测量，获得上述三部分鼻部软骨结构的弹性模量数据，并通过统计学分析来获得较为准确的鼻部软骨结构的弹性模量数据，同时查阅相关文献，得到鼻部软组织的相关生物力学性质，主要为弹性模量和泊松比。

建立畸形鼻部三维有限元分析模型，确定有限元分析的边界条件等，进行单侧唇裂鼻畸形的鼻部生物力学的测量和分析。每个模型进行两方面的有限元生物力学分析：①静力学结构分析；②位移荷载形变条件下力学分析。分析后得出单侧唇裂鼻畸形鼻部的应力、应变分布云图，最后将所得的结果进行统计学分析，总结得出单侧唇裂鼻畸形的生物力学分析统计结论和规律。

2 结果

2.1 单侧唇裂鼻翼塌陷畸形的鼻部三维重建

2.1.1 单侧唇裂鼻翼塌陷畸形的鼻部CT扫描和三维重建

我们通过Light Speed 64排CT对单侧唇裂鼻畸形患者行薄层扫描（层厚：0.625 mm），因鼻软骨与软组织存在密度差异，多排CT薄层扫描能获得较好的灰度差显影。通过软件对图像进行灰度处理，鼻软骨显影良好，并能够获得较好的鼻软骨分割、较高的分辨率及较好的三维重建模型（图1）。

图1 单侧唇裂鼻畸形患者的仰视位照片及三维重建图像Fig.1Bottom view(L)and 3D reconstruction image(R)of nasal deformity of the patient with unilateral cleft lip

2.1.2 单侧唇裂鼻翼塌陷畸形的鼻部MRI扫描和三维重建

采用荷兰飞利浦公司的Achieva 3.0T MRI机对本组患者行薄层扫描（层厚：1 mm），分别进行T1和T2加权序列扫描。显示：鼻软骨在T1加权序列中呈现中高亮度影，在T2加权序列中显示为中低亮度影。MRI显影结果和薄层CT扫描相比，鼻软骨的显影分辨率不及CT，软骨边界模糊，层厚的精细度不足，同时由于采用了薄层扫描，产生了部分伪影和噪点，其成像的精细度明显不如薄层CT扫描。由于上述原因，在后期MRI图象处理中，鼻软骨分割困难，并且三维重建模型粗糙。因此，我们后期舍弃了采用MRI薄层扫描来建立三维有限元模型的方法。

2.2 鼻部软骨的生物力学性质测定

2.2.1 成人尸体鼻部软骨的压缩弹性模量数据

应力应变曲线和统计学分析表明，大翼软骨具有最小的压缩弹性模量，为1.142±0.336 MPa；侧鼻软骨具有最大的压缩弹性模量，为5.84±1.246 MPa；中隔软骨的压缩弹性模量居中，为3.85±1.685 MPa。2.2.2成人尸体鼻部软骨的拉伸弹性模量数据

应力应变曲线和统计学分析表明，大翼软骨具的拉伸弹性模量为4.679±1.641 MPa；侧鼻软骨的拉伸弹性模量为8.601±2.131 MPa；中隔软骨的拉伸弹性模量居中，为6.907±1.621 MPa。

2.2.3 成人尸体鼻部软骨的弹性模量数据分析

统计表明，成人尸体鼻部主要软骨的拉伸弹性模量普遍大于压缩弹性模量；侧鼻软骨弹性模量＞中隔软骨弹性模量＞大翼软骨弹性模量。

2.3 单侧唇裂鼻翼塌陷畸形的鼻部生物力学分析

2.3.1 单侧唇裂鼻翼塌陷畸形的鼻部静力学分析

单侧唇裂鼻畸形的静力学三维有限元分析表明，畸形鼻部应力分布最为集中的区域为鼻中隔软骨扭曲偏斜部位，其次为鼻小柱底部和两侧鼻翼外侧脚；应力分布较为薄弱的部位是鼻尖部。提示静下，鼻中隔、鼻小柱和两侧鼻翼外侧角是应力分布最集中部位，也是畸形鼻部的关键力学部位（图2）。

图2 畸形鼻部静态下应力分布云图（仰视位）Fig.2The stress distribution of nasal deformity(bottom view)under the static state

2.3.2 单侧唇裂鼻翼塌陷畸形的鼻部位移载荷形变后力学分析

单侧唇裂鼻畸形患者的位移载荷三维有限元分析表明，畸形鼻部的患侧要获得和健侧近似的几何形态，其患侧鼻孔近鼻小柱周围应力分布最为集中，其次为鼻中隔和患侧鼻翼外方。提示位移载荷状态下，要获得和健侧鼻部近似的形态，患侧鼻小柱、鼻中隔和鼻翼外侧是应力分布最集中部位，也是单侧唇裂鼻畸形鼻部整复的关键力学部位（图3）。

图3 畸形鼻部位移载荷后应力分布云图（仰视位）Fig.3The stress distribution of nasal deformity (bottom view)under displacement load status

2.3.3 单侧唇裂鼻翼塌陷畸形的鼻部生物力学规律分析和总结

10例单侧鼻畸形患者鼻部的静力学分析、位移载荷分析的应力应变云图和统计学数据表明，在静态状态下，畸形鼻部的应力分布值很小，关键应力点的应力数值分别为鼻中隔部0.009 35±0.002 MPa，鼻小柱底部0.005 9±0.002 1 MPa，鼻翼外侧脚0.006 81±0.001 3 MPa；在位移载荷状态下，形变后的畸形鼻部拥有的较大的应力分布值，分布的关键应力点的应力值分别为鼻小柱患侧25.51±3.98 MPa，鼻中隔部7.882±1.35 MPa，患侧鼻翼8.184±1.58 MPa。

3 讨论

3.1 有限元分析的相关讨论

有限元方法能够对许多结构进行精确的力学分析，给出模型受力时的内部应力和形变的全过程。也就是说，它利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟，通过简单而又相互作用的元素单元，用有限数量的分析去逼近无限数量的真实系统，从而模拟真实世界，评估研究对象承载能力与其组织形态学之间的关系。有限元分析可利用任意形状的网格来分割三维实体模型，并根据场函数需要自如地布置节点，因而对复杂的三维结构有很好的适应性。因为有限元法能对复杂的结构、形态、载荷和材料力学性能进行应力分析和比较，目前已成为医学生物力学研究中的重要手段，广泛应用于骨科、口腔、整形等各个领域的研究[1]。

有限元法分析的关键是三维有限元模型的建立，模型的几何形态相似性、力学相似性、网格的划分等将直接影响计算的结果[2-3]。

我们通过影像学重建获得了单侧唇裂鼻畸形鼻部的有限元模型，通过对鼻部主要软骨的力学性质测量获得了有限元模型的力学近似值，最后我们通过ANSYS软件对其划分了网格，获得划分后的节点和单元数，最后进行求解，得到单侧唇裂鼻畸形患者鼻部应力分布等生物力学数据和规律。需要指出的是，这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被相对简单的有限个元素的问题所代替。但是，由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂结构，因而其求解成为我们分析各种结构最近似的解，所以也是最行之有效的分析手段。

3.2 单侧唇裂鼻畸形整复手术的力学探讨

由于外鼻软骨解剖异常、肌平衡失调及颌骨发育异常三大主要因素造成了唇裂鼻畸形的形成[4]。现有的单侧唇裂鼻畸形整复手术方法繁多，但不外乎松解、复位、悬吊、固定、成形等基本步骤。对于健侧软骨力量薄弱的患者，还可行软骨或者“L”形硅胶支架等材料植入进行矫正治疗。其本质就是希望通过悬吊、支撑等各种办法给患侧塌陷鼻部一个适当而持久的力量，将患侧塌陷鼻翼矫正到与健侧相对称的高度和形态上来。我们知道，物体的形态和力学密切相关。单侧唇裂鼻畸形的生物力学分析得到了畸形鼻部的应力分布，给出了畸形鼻部的力学关键点，同时有限元分析的载荷试验也给出了鼻部矫正所需要的力的大小和方向。

单侧唇裂鼻畸形的有限元生物力学分析结果提示如下：①鼻中隔、鼻小柱、鼻翼外侧脚、鼻背外侧是单侧唇裂鼻畸形应力分布的集中部位，也就是畸形鼻部的力学关键部位；②在静态状态下，畸形鼻部拥有的应力分布值很小，在位移载荷状态下，形变后的畸形鼻部拥有较大的应力分布值；③单侧唇裂鼻畸形整复中，鼻小柱患侧部是畸形整复的力学关键部位，其次就是患侧鼻翼部；④鼻中隔的整复和固定是单侧唇裂鼻畸形整复的重要力学部位。目前各类单侧唇裂鼻畸形整复手术不能完美矫正塌陷鼻部的原因，可能就与鼻中隔软骨的薄弱和畸形有关。通过对单侧唇裂鼻畸形鼻部的有限元生物力学分析，我们从生物力学角度对现有鼻畸形手术提出如下设想：①对鼻小柱和患侧鼻翼等关键力点的整复需要加强；②对鼻中隔的整复和固定能够得到更好的整复效果；③根据不同患者的鼻翼塌陷程度，采用植入材料整复时的个性化设计非常重要，可以借助三维重建进行个性化植入材料的塑模成型。鼻畸形整复手术的改进以及新材料的应用将给鼻畸形的整复带来突破性的进展。

3.3 不足及展望

本实验所涉及生物材料的材料力学特性均假定为均质、连续和各向同性。这种假设实际上对于客观事物是不存在的，实物材料本身并不是均质、连续和各向同性的，而是呈现各向异性的特征[5]。绝大多数医学领域的生物力学有限元分析模型都存在这个问题，这也是该方法本身固有的缺陷。

本研究有限元模型建立的过程中，与实际情况差异较大的是鼻部软骨模型的建立和分析。因为鼻部软骨在鼻部外形的力学维持中起着重要的作用，其实际上并非各向同性的材料，所以对鼻软骨的三维有限元重建必然与实际情况存在一定的差异。

同时，对于鼻部软组织，我们假定其为均质、连续和各项同性材料[6-9]。实际中鼻部软组织还存在着层次的划分，所以其三维有限元分析结果和实际情况也存在着一定的差异。若要对其层次进行划分，一方面需要借助更精细的组织成像工具，另一方面也需要借助更为强大的计算机和软件。目前这在普通的研究机构还是无法实现的。更高的精细度、更大的数据量、更接近实际的分析，将是今后有限元分析发展的方向。该部分有限元分析误差，对于支撑力大小的测量有一定的影响，但是并不妨碍我们对畸形鼻部的其他生物力学规律的发现，例如应力的分布、关键力点、支撑力作用的部位等。

综上所述，有限元分析方法和其他实物标本的生物力学测试方法各有优点和不足之处，我们应该将其结合，取长补短，综合分析，最终才能得出更为科学、合理、最接近于实际状况的结果。

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Biomechanical Study of Nasal Deformation in Patients with Unilateral Cleft Lip Based on Finite Element Models

DONG Lei,WANG Shengzhang,SONG Jianxing.Burn and Plastic Surgery,The 85thHospital of PLA,Shanghai 200052,China.

ObjectiveTo explore the cause and to reveal the biomechanical regularity of nasal deformation in patients with unilateral cleft lip through the biomechanical analysis on nasal deformation by finite element method,in order to establish a good biomechanical theoretical basis for treating nasal deformation of unilateral cleft lip.MethodsFrom 2007 to 2009,10 cases of unilateral cleft lip with nasal deformation were collected.All the cases were scanned by CT and MRI preoperatively, image data were collected and the three-dimensional nasal deformation were reconstructed by the software MIMICS.Then the finite element models of nasal deformation in unilateral cleft lip were established and the model's constraint conditions were defined for the biomechanical measurement and analysis of nasal deformation in unilateral cleft lip.ResultsThe threedimensional model of nasal deformation in unilateral cleft lip were reconstructed successfully.The biomechanical analysis showed that,under the static state,nasal deformation had a very small value of stress distribution.The value of the key stress points were as follows:nasal septum 0.009 35±0.002 MPa,the bottom of nasal columella 0.005 9±0.002 1 MPa,lateral feet of nasal alar 0.006 81±0.001 3 MPa;Under displacement load status,the deformed nasal had a large value of the stress distribution. The value of the key stress points were as follows:ipsilateral nasal columella 25.51±3.98 MPa,nasal septum 7.882±1.35 MPa, ipsilateral nasal alar 8.184±1.58 MPa.ConclusionAffected side of nasal columella is the key mechanical part to rectify deformed nose,and the following part is ipsilateral nasal alar;The stress concentration of nasal septum suggests that the rectification of nasal septum is very important,its rectification and fixation are perhaps the important contents of deformed nose rectification.

Unilateral cleft lip;Nasal deformation;Three-dimensional reconstruction;Finite element;Biomechanics

R782.2+1，R318.01

A

1673－0364（2014）02－0085－04

10.3969/j.issn.1673-0364.2014.02.006

2014年2月10日；

2014年3月6日）

200052上海市中国人民解放军第85医院烧伤整形科。