骨性隧道内植皮后挛缩的三维有限元分析

赵穆欣 蒋海越 黎胜 郭明慧 刘媛媛 许砾思 冯隽 王维新 杨喆 马宁 李养群

[摘要]目的：建立小型猪下颌骨骨性隧道内植皮的有限元模型，以了解骨性隧道内植皮后挛缩的生物力学基础和形变规律。方法：将小型猪下颌骨钻孔形成骨性隧道并移植全厚皮片，通过CT获取移植即刻及移植后2周、4周、6周、8周的骨性隧道内植皮数据，利用MIMICS 10.1和ANSYS 12.0软件建立猪下颌骨钻孔形成骨性隧道的三维有限元模型，仿真分析骨性隧道内植皮后的挛缩过程，计算节点位移及施加应力，获取骨性隧道内植皮挛缩的生物力学基础和形变规律。结果：通过小型猪下颌骨骨性隧道内植皮的有限元分析模型可以直观有效模拟节点位移及施加应力，其仿真分析结果与动物实验几何外形相似程度高，细节损失小；经静力分析发现0周到4周的挛缩过程所受应力的大小约为4周到8周的挛缩过程所受应力大小的6倍，所受应力的方向都是指向隧道中心。结论：有限元分析可以模拟骨性隧道内植皮的挛缩过程，分析骨性隧道内植皮后挛缩局部区域的应力分布及大小，协助临床设计挛缩对抗方案。

[关键词]植皮挛缩；有限元分析；下颌骨

[中图分类号]R622 [文献标识码]A [文章编号]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

皮片移植后的挛缩一直是整形外科关注的问题之一，术后的挛缩常常会影响手术效果[1]，尤其是腔穴植皮后的挛缩，因其为三维立体结构，测量不方便，影响因素多，用传统的直接在术后挛缩部位测量所得数据误差大，难以给出较精确的挛缩力大小以及挛缩的时间变化规律。本研究通过建立小型猪下颌骨钻孔形成骨性隧道内植皮的有限元模型，模拟挛缩过程，并与动物实验的真实挛缩过程对比，旨在预测挛缩过程中的节点位移以及挛缩应力的变化，协助临床设计对抗挛缩的方法及时间截点。

1材料和方法

1.1 设备配置：系统硬件配置：lenovo-cf14042b，Genuine Inter(R) CPU，1 G 内存，14 寸彩色显示屏，160 G 硬盘。操作系统为Windows XP。使用的软件及功能：Mimics 10.1，进行有限元模型重建以及面网格的划分；ANSYS 12.0，建立有限元模型及计算。

1.2 动物实验：在小型猪下颌骨体部钻孔形成直径1cm的骨性隧道，深度为贯穿下颌骨体部全层，取耳后皮片修剪成全厚皮片，包绕油稠纱布卷缝合成管状（图1a），移植于骨性隧道内。术后即刻及术后2周、4周、6周、8周行下颌骨CT扫描。

1.3 有限元模型建立：将获得的CT图像以DICOM格式导入到MIMICS当中，对猪下颌骨进行三维模型重建以及面网格的划分，面网格划分结束后进入ANSYS当中，将MIMICS当中划分的面网格转化成体网格。经过体网格的转化后，再次回到MIMICS当中，对猪下颌骨进行赋材料的操作。最后再回到ANSYS中加载进行计算，得到我们需要的结果文件。

1.4 有限元静力分析：基于骨性隧道内植皮三维有限元模型的建立，通过给出的术后即刻，术后2周、4周、6周、8周的数据用有限元模型仿真骨性隧道内植皮后挛缩过程。根据同一侧隧道内对应节点位移的不同，算出节点位移的差值。把这一差值作为已知条件，求解作用在骨性隧道上的分布力，并进行边界约束最后求解得到节点变形。本研究在设定边界约束时只把髁突关节面附着的单元全部自由度约束[2]。

2结果

动物实验中骨性隧道内植皮均成活良好（图1b）。通过MIMICS 10.1和ANSYS 12.0软件建立了几何外形高度相似的小型猪下颌骨骨性隧道内植皮的三维有限元模型,共包括单元数为674863，节点数为261997（图2、3）。经过力学分析得到0周到4周的挛缩过程所受应力的大小约为4周到8周的挛缩过程所受应力大小的6倍，所受应力的方向都是指向隧道中心（图4）。

3讨论

整形外科医生常常面临腔穴再造的问题，譬如外耳道的重建、眼窝再造、阴道再造、尿道再造等[3-6]，腔穴再造后的主要问题是腔穴的挛缩，如何对抗挛缩获得内径均匀一致的再造腔穴是我们关注的问题。而腔穴再造后挛缩的应力大小，应力方向，以及不同术式之间挛缩程度的对比，目前缺乏比较精确的资料，主要由于腔穴是一三维立体结构，腔穴挛缩是一动态过程，结构复杂，影响因素多，测量不方便，数据误差大。而数值计算的思路是将复杂问题简单化，求近似解，即将复杂的结构分解成若干相对简单的构件，分别分析，然后求解。有限元分析是利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟，并利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。三维有限元分析的优点是可对结构、形状、载荷和材料力学性能极其复杂的构件进行应力分析。通过对复杂的几何物体进行建模， 求得整体和局部的应力值、位移大小及其分布规律，并可根据需要改变加载、边界条件等力学参数，在维持原模型几何形状不变的情况下，易对其应力大小和分布的变化进行对比分析。因此，三维有限元分析具高效、精确、低成本等特点[7-8]。

本研究采用小型猪下颌骨作为研究对象，因为下颌骨是具有较大刚度的坚硬生物体，同时又是一种各向异性，非均质性，有生命的生物复合材料。它同工程材料具有类似的应力-应变关系，在弹性限度内遵循胡克定律，因此在目前下颌骨的力学特性研究中也大量采用有限元分析法[9-10]。骨性隧道内植皮的成活不易，我们在动物实验过程中，采用油绸纱布卷进行固定加压，保证了植皮的良好成活，为观察其挛缩过程提供前提。

通过有限元分析发现，0周到4周的挛缩过程所受应力的大小约为4周到8周的挛缩过程所受应力大小的6倍，说明这种挛缩的力量是随着时间递减的，这提示我们在移植术后早期要采用坚强的内支撑物对抗挛缩，6周之后可以适当调整为力量中等而相对较舒适的内支撑物。应力的方向是指向隧道中心，那么对抗挛缩的力的方向应该与其相反。故可以在此实验的基础上，进一步用有限元分析模拟腔穴挛缩的远期变化，从而可以帮助我们推断术后的远期进展，预测脱离内支撑物的时间，指导临床医生制定抗挛缩方案。

本研究利用MIMICS10.1和ANSYS12.0软件之间良好的兼容性，联合建模,耦合分析，建立了具有高度真实性，个性化的完整猪下颌骨骨性隧道内植皮的三维有限元模型，为有限元力学分析的广泛临床应用提供了高效的仿真基础。此外，本研究为研究腔穴挛缩提供了一个新的思路，尤其是用于不同手术方法术后挛缩挛缩程度的比较，通过较为精确的有限元分析结果来判断其术后挛缩的程度，而不简单地依靠医生和患者的主观判断，更利于整形外科医生选择手术方案。

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[收稿日期]2014-04-24[修回日期]2014-05-09

编辑/张惠娟