甲状软骨成形术的三维有限元仿真模拟

胡彬彬 史廷春* 林志宏

1(杭州电子科技大学生物制造研究中心，杭州 310018)2(浙江大学医学院附属第二医院耳鼻咽喉科，杭州 310006)

甲状软骨成形术的三维有限元仿真模拟

胡彬彬1史廷春1*林志宏2

1(杭州电子科技大学生物制造研究中心，杭州 310018)2(浙江大学医学院附属第二医院耳鼻咽喉科，杭州 310006)

运用Mimics医学重构软件，对喉的甲状软骨进行三维重建，研究不同的支架材料对甲状软骨成形术当中开窗部位的影响，为接下来人工软骨支架的材料遴选和制备提供理论依据。首先将标准DICOM格式的CT图像导入到Mimics10.1医学三维重建软件中，进行图像的去噪、分割和区域生长等处理，建立起甲状软骨的三维模型；然后将生成的几何模型导入到逆向工程软件Geomagic Studio12.0中，对三维模型进行曲面拟合，建立NURBS曲面实体模型，再通过Geomagic Studio软件中的CAD模块，完成甲状软骨的开窗和支架的植入；最后在ANSYS Workbench14.0中对不同支架的修复情况进行数值模拟，比较修复过后的甲状软骨的生物力学性质。最终建立的三维实体模型外形轮廓上与真实甲状软骨具有较好的几何相似性，开窗的部位和大小与临床上保持一致。软骨模拟受力过程也和术后进行效果评价方法在力学性能上相类似。数值模拟阶段的结果为临床上开窗部位的固定和修复材料的筛选提供依据。

甲状软骨成形术；三维重建；有限元分析；损伤修复

引言

单侧声带麻痹是耳鼻喉科最常见的疾病之一。引起单侧声带麻痹的原因很多，包括甲状腺、食道和声门等的肿瘤压迫以及这些部位的术后创伤，局部缺血导致的肌无力也会引起声带麻痹。甲状软骨成形术是由日本的Isshiki等于1974年提出的，分为4型，其中I型甲状软骨成形术是单侧声带麻痹、声门关闭不全患者语音重建的首选术式之一[1]。该术需要在甲状软骨板上做切口，术后需要对开窗部位进行固定，并通过局部麻醉下患者声音的反馈来调整移植物的大小及位置，如图1所示。由于在实施手术之前，医生对开窗部位缺乏准确的判断，手术的成功率不高。术后移植物的大小及材料对开窗部位的固定情况并不理想，术后并发症较多。

有限元分析是计算力学的一种重要方法，最早起源于航空工程中的矩阵分析[2]。其基本思想就是将无限个质点组成的连续体离散成有限个单元组成的集合体，各单元之间又通过节点相连接，以实现单元间力的传递。通过力的平衡条件，建立线性方程组。求解这些方程组，便可得到各单元和结点的位移及应力。有限元法可以避免传统生物力学研究中建模和活体实验的困难，为甲状软骨成形术术前预测提供一种有效的评估方法。上海交通大学医学院的黄振宇等人通过有限元法，比较了正常和早期骨关节炎时膝关节生物力学性质的不同[3]；上海大学的陈维涛等人对成形术前后声带振动模式和喉部气体流场进行了数值模拟[4]。但是，将有限元法运用到喉软骨损伤修复的模拟研究还比较少。

本研究基于浙医二院志愿者的个体化CT断层图像，运用计算机辅助和逆向工程技术，建立起完整和损伤修复过后的甲状软骨有限元模型，并对不同的移植物材料进行了数值模拟分析，从而为临床上实施甲状软骨成形术和接下来人工软骨支架材料的筛选和制备提供了理论依据。

图1 甲状软骨成形术术式流程Fig.1 Operation flow chart of thyroplasty

1 材料和方法

1.1 实验设备和软件

实验设备：计算机的主频2.5 GHz，内存2 GB，操作系统Windows 7 Ultimate，硬盘250 GB。

软件：Mimics 10.1(比利时)医学三维重建软件，Geomagic studio 12.0(美国)逆向工程软件，ANSYS Workbench 14.0(美国)有限元分析软件。

1.2 方法

1.2.1 获取CT图像数据

采用16排螺旋CT获取浙医二院志愿者(男性，29岁)从鼻到颈部的CT图像。采集CT数据时，志愿者采取仰卧位的睡姿，头部保持纵轴不变。扫描条件：120 kV，125 mV，层厚1.25 mm，共计345层，并将获取到是CT断层数据以标准DICOM格式的形式导入到Mimics中进行处理。图2为获取到的CT图像。

图2 头颈部位CT图像Fig.2 The CT data of head and neck regio

1.2.2 三维有限元模型的建立

1)软骨三维模型的建立。将CT断层图片导入Mimics10.1软件中，通过不断的阈值调整，可确定甲状软骨大致的范围在-571～1113 HounsField单位之间。接下来对图像进行阈值分割，将软骨组织周边无关部位的蒙板进行剔除和清理；使用区域增长的方法来提取甲状软骨的轮廓，对无用的蒙板进行擦除；然后对每张CT断层图片进行编辑，生成相应的三维模型；再通过Mimics软件自带的Remesh功能，对所生成的三维模型进行细化、平滑和减少三角面片数量等操作，从而达到对模型的简化，减少接下来有限元建模和分析的工作量[5]，结果如图3所示。

图3 甲状软骨三维模型。(a)优化前；(b)优化后；(c)优化前网格；(d)优化后网格Fig.3 Three- dimensional model of thyroid cartilage.(a) Before optimization;(b) After optimization;(c)Mesh before optimization;(d) Mesh after optimization

2)实体模型的建立。由于构成甲状软骨的曲面数量较多，且曲率变化明显，故将模型以三角网格stl的格式导入到逆向工程软件Geomagic Studio 12.0中进行模型的实体成型处理。首先在多边形阶段，对初步拟合的三维模型进行自动网格修补，去除尖状物、填充孔洞等操作去除几何缺陷；然后在曲面化造型阶段，采用精确曲面的方法，经曲面拟合使模型表面构建的三角面片拟合成Nurbs曲面实体[6- 8]。通过布尔和CAD等操作，完成在甲状软骨板上的开窗，最后形成甲状软骨的修复模型，如图4所示。

图4 带轮廓线的实体模型。(a)植入前；(b)植入后Fig.4 Entity model.(a)Before implant; (b)After implant

图5 不同材料下软骨总变形云图。(a)约束与载荷；(b)完整软骨形变；(c)硅胶；(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。将得到的实体模型导入有限元分析软件ANSYS Workbench14.0中，对天然软骨和人工软骨进行材料的赋值，如表1所示。采用十节点的四面体单元和自动网格划分的方式进行网格划分[9- 11]，支架和软骨之间的接触定义为不分离接触，最终生成单元数11 998、节点数21 440的有限元模型。

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

术后医生通过手指向内挤压声带平面的甲状软骨翼的前1/3至中1/3处的软骨，同时嘱咐病人发声并录音来观察声带的改变，通过与术前录音效果的对比，验证喉麻痹有无改善、是否达到手术预期效果[12]。本实验以手术植入前后声门内压降的临床数据作为参考，分别在甲状软骨板两侧施加0～1 MPa的载荷，边界约束条件为上下软骨角固定约束，见图5(a)，以此来进行生物力学性质的数值模拟。

2 结果

比较不同植入物材料对术后喉软骨生物力学性能的影响[13]，从而为接下来的人工软骨支架制备和后续的动物实验提供理论依据。

2.1 不同植入物材料下软骨的总变形量

在甲状软骨板上施加同等大小的载荷，比较植入物材料分别为硅胶和聚氨酯情况下甲状软骨整体的变形情况[14]。通过图5可以发现，声门压降为0.2 MPa时，以硅胶作为植入材料，其最大位移量为42.717 mm；以聚氨酯植入时，最大位移量为42.688 mm。其他压降情况下(见表2)，两种材料在受到同等大小的载荷条件下产生的位移量都较为接近，且最大值均发生在甲状软骨板的左上边缘。

2.2 不同植入物材料下软骨的等效应力

在甲状软骨板的内侧分别施加0.2～1.0 MPa的模拟载荷，观察等效应力的分布情况，结果如图6和表3所示。颜色由浅到深，代表软骨所受到的等效应力值逐渐变大。力学模拟结果显示，植入前和植入后von- mises等效应力在甲状软骨板的左右两侧值大体相等。但和植入前相比，等效应力度大。

表2 植入后不同压降情况下软骨的最大变形量

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

声门压降/MPa最大形变量/mm硅胶聚氨酯0.242.71742.6880.485.43585.4120.6128.15127.980.8170.87170.921.0213.59213.44

3 讨论与结论

声带麻痹为颈部手术常见并发症。目前，单侧声带麻痹的治疗方式主要包括声带注射术、喉神经肌蒂移植术和喉支架成形术。甲状软骨成形术属于喉支架成形术的一种，其优点是术后创伤小、费用低等，因此特别有利于在基层医院展开。但由于甲状软骨成形术需要对甲状软骨进行开窗，这就人为地对甲状软骨造成了损伤，所以术后需要对开窗部位进行固定。

本实验选取硅胶和聚氨酯两种生物材料，采用有限元分析的方法，研究这些材料在同一植入部位和相同开窗大小的情况下对甲状软骨的生物力学性质的影响，保证各向同性弹性材料除弹性模量和泊松比之外其他条件和模型条件完全一致，使实验结果更加可靠。

首先通过医学三维重构软件Mimics完成了对正常男性甲状软骨的提取和重建，然后通过Geomagic软件完成实体建模。本研究主要比较了植入材料为硅胶和聚氨酯两种材料下软骨的生物力学性能[16- 19]。过去临床上常常认为，支架所承受和传递的应力都比较小，植入前和植入后的受力情况相同，支架仅仅起到固定的作用，术后可固定也可以不固定。但从本实验的整体形变云图和等效应力图来看，植入前左右两侧软骨板的整体形变情况呈对称结构，而术后整体变形并未呈高度的对称。植入支架后软骨外部受到的高应力峰值比植入之前均大幅增加，而低应力的峰值比手术之前均出现了降低。过去往往采用高弹性模量(1 200 MPa)的硅胶作为术后固定物，但从数值模拟的结果来看，相比低弹性模量(60 MPa)的聚氨酯来说，高弹性模量的支架和软骨结合区应力值提升了115%，相比植入前(6 MPa)结合区应力提升了180%，说明支架在窗口固定中起到传递和分散咬合力的作用。

本研究主要建立了甲状软骨的三维模型，并对甲状软骨成形术术后修复情况进行了分析。结果显示，临床上对于软骨老化和软骨壁薄弱者，可以选择低弹性模量的材料，以降低软骨受到较大外力作用时发生折断的风险；对于软骨健壮者，则可采用高弹性模量的硅胶作为固定材料，以保证自身具有一定的强度。

但本实验仅仅对临床上所认为的甲状软骨上切迹和甲状软骨下缘于正中位置进行了开窗部位数值模拟，并未对其他开窗部位和不同开窗大小情况进行有限元分析，且只比较了两种植入材料，故存在一定的局限性，接下来还需对不同开窗部位和不同开窗大小下的情况进行模拟验证。

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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， 录用日期:2016- 10- 11

国家自然科学基金(61272389)

R318

D

0258- 8021(2017) 03- 0365- 05

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