颧骨“L”形截骨降低术的三维有限元模型的建立与分析

[摘要]目的：建立关于颧骨“L”形截骨降低术的三维有限元模型，探讨该术式在生物力学方面的特点。方法：采集高颧骨畸形患者术前头颅螺旋CT，将数据导入相应医学图像处理软件，对颧骨复合体及手术相关区域进行分体三维重建、手术模拟，应用有限元软件对模型进行网格划分，通过CT扫描灰度值的转换，对各部分材质的弹性模量、泊松比参数进行赋值，再模拟术中对颧骨、颧弓的施力，分析颧骨复合体生物力学情况。结果：建立了颧骨“L”形截骨降低术的三维有限元模型，其几何相似性、力学相似性高。运用三维有限元法生物力学分析，术中按压颧骨复合体，颧弓根部出现一个明显的应力集中，颧骨颧弓产生向内侧的形变。结论：在颧骨“L”形截骨降低术术中按压颧骨复合体，是能够在颧弓根部造成预期的青枝骨折，使颧骨产生内收、降低的形变。

[关键词]颧骨“L”形截骨降低术；三维有限元；生物力学

[中图分类号]R782 [文献标识码]A [文章编号]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: Objective To 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. Conclusion Pressing 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

颧骨复合于面中部突出位置，其形态不规则，结构较为复杂，是组成面中部外形和行使功能的关键结构之一，在面部外形轮廓中占据显著位置。口内入路颧骨“L”型截骨降低术是由我科首创，并早在1996年就首先应用于临床，用于矫正高颧骨畸形[1-2]、双侧颧骨不对称（包括颧上颌复合体骨纤维异常增殖症[3]，半侧颜面短小畸形[4-5]等）。该术式的主要优点在于,其截骨量容易精确控制，保持了颧骨体和颧弓解剖结构的相对完整性，使颧骨体和颧弓整体得到自然降低，并且手术是在骨膜下进行，对面部软组织和面神经的损伤几率很小，口内入路，不遗留皮肤瘢痕，美学视觉效果好。该手术主要是通过眶外下缘的斜行截骨和颧骨体前份的垂直截骨，以及术中按压颧骨颧弓，造成颧弓根部的“青枝骨折”所构成，配合坚强内固定技术从而达到术后稳定效果。

颧弓根部的青枝骨折，是手术的一个关键。它的重要性体现在，保持了颧骨颧弓解剖结构的相对完整性，避免了面部皮肤切口（比如耳前切口[6-9]、颞部发际内切口[10]、冠状切口[11]等），避免了颧弓截骨术遗留的台阶感、局部不平整，保持了颧弓的自然弧度和曲线。但是关于此“青枝骨折”，医生和患者一直存有担心和置疑。比如术中对颧骨的按压是否能在颧弓根部造成“青枝骨折”？其产生的机制是怎样的？该术式的生物力学特性是怎样的？为此，笔者设计本研究，对口内入路颧骨“L”型截骨降低术进行三维有限元的建模，并对其生物力学性质进行分析。

1 材料和方法

1.1三维有限元模型的建立

1.1.1临床资料：选取来我科就诊要求行手术治疗的1例24岁女性患者，先天性双侧颧骨突出（由4名临床经验丰富的高年资医师共同诊断），排除颅颌面及其他疾病。

1.1.2数据采集：首先采用Siemens Sensation螺旋CT，在120Kv，300mAs，层厚0.75mm条件下，扫描患者头颅，数据以DICOM格式存储。

1.1.3分体三维重建：将得到的DICOM数据，导入Mimics软件，以阈值226～3071 HU提取骨组织，手工分离颞下颌关节处下颌骨的附着，仅选取患者左侧颧骨颧弓及手术相关区域（包括部分上颌骨），进行三维重建。

1.1.4手术模拟：运用Mimics的骨切割功能，对三维模型进行颧骨“L”形截骨术的模拟：眶外下缘的斜行截骨的宽度为1.5mm，颧骨体前份的垂直截骨、去除骨块宽度7mm。即获得关于颧骨“L”形截骨术的三维虚拟模型（如图1a～b）。

1.1.5网格划分：打开Mimics有限元分析模块中的网格划分功能，即自动运行Magics软件进行面网格的划分。回到Mimics中，通过Ansys专用接口导出所构建的面网格文件。将该面网格文件导入有限元分析软件Ansys中，将面网格转化为solid92类型10节点二阶单元的体网格，在进行更精细的体网格划分。导出体网格文件，将其保存为PREP7、NODES、ELEMENTS 3种格式。

1.1.6材质赋值：将上述的3种格式体网格文件载入Mimics中，运行材质赋值功能。将CT扫描所得的每个体素的灰度值，连续分为10类，以中位数代表该类的灰度值。利用有限元网格中的每一个单元与CT扫描每一个体素的对应关系，通过经验公式（Density =-13.4+1017*Gray value,E-Modulus=-388.8+5925*Density[12-13]）将灰度值转化为表观密度、弹性模量。再对每一个网格单元的表观密度、弹性模量、泊松比进行对应赋值。赋值完成后，体网格模型中的每一个单元按照灰度值的不同呈现10种颜色以示区别。最后，将完成了赋值的所有有限元体网格以lis，nodes,elements的格式再导入到Ansys软件，这样，就完成了颧骨“L”形截骨术的三维有限元模型的构建。

1.2载荷及边界条件：在Ansys软件中，根据人体解剖和术中实际情况，对颧弓根部与颞骨的附着处以及截骨线内侧的颧骨、上颌骨部分进行所有自由度的完全约束。模拟实际手术中对颧骨的按压操作：对颧骨中份处直径为10mm的部位施加方向为垂直局部骨面向内的压力。力的大小从0开始，以10N为递增幅度，逐步增大至50N。分析颧骨复合体上的形变位移和应力分布。各次有限元分析均重复3次。

2 结果

2.1三维有限元模型的构建：本研究最终建立了颧骨“L”形截骨术的三维有限元模型，其几何和力学相似性形态良好，整个模型共有节点100 421个，单元57 225个。经有限元网格质量检测，可以看出该模型所划分的网格质量高，是良好的有限元模型（如图1c）。

2.2形变分析：在各载荷加载条件下，颧骨颧弓向内发生形变位移，从颧弓根部至颧骨的前份位移量逐渐增大，颧骨截骨端顶点是位移量最大。图中的形变位移量以颜色梯度表示（如图3）。

2.3应力分析：von mises应力分布图中显示：在颧弓的根部出现一个单一独立的应力明显集中区域，它主要分布在颧弓根部的内外侧，且内侧应力强度大于外侧（如图4）。

3 讨论

有限元分析方法是利用数学近似的方法将真实物理系统划分为大量小单元而进行模拟[14]。这种方法能将几何形态和材料性质较为复杂的结构进行模拟和计算，这是其他方法所不能及的[15]。它已广泛应用于工科和医学领域，有研究将其成功运用于对骨折方式的预测[16]。

3.1本研究所构建的有限元模型保留了CT三维重建影像的绝大部分细节，因此几何相似性较高。同时为了减少软件运算中的负荷和时间，该三维有限元模型去除了与手术无关的结构。对于这样一个仅保留了最精简结构的有限元模型，其单元、节点的密度是同类研究中最高的。因此本研究构建了一个较为简洁、高效、高精度的颧骨“L”形截骨术的三维有限元模型。

3.2材质赋值是有限元建模的一个关键问题。因为正常人体的骨组织实际包含着无数种材质，其密度和力学性质各异，它们之间是连续过渡的，在皮质骨与松质骨之间并无绝对界限。目前国内外有限元模型的建模过程，多采用将骨组织简单的人为划分为皮质骨和松质骨两种材质，并对二者赋予单一的弹性模量和泊松比[14，17-20]。这与实际解剖结构和生物力学情况相差很大。而本研究采用了根据实际CT对每个体素扫描得到的灰度值，再一一对应转化为有限元模型中每一个单元的表观密度值、弹性模量和泊松比，从而较精确地进行赋值。这就提高了有限元模型的真实性。对于像颧骨复合体这样复杂的不规则骨而言，这样的方法得到的结果才更为可靠。

3.3通过模拟手术中按压颧骨的操作，使其向内移动，产生“青枝骨折”的过程，发现应力集中的部位恰好是在颧弓根部。在颧弓根部的内侧是应力最大的部位。这就提示，在上述的按压力量的作用下，颧弓根部将发生变形，从而带动整个颧弓、颧骨体一起发生向内的移动，从而降低的颧骨复合体的突度和宽度。当力量达到屈服极限时，最大应力集中区域将会发生塑性变形。这个结果也同时得到了另一临床现象的支持。对于单纯性颧弓骨折的患者，受伤时当颧骨受到从侧方而来的巨大力量时，在颧弓根部往往发生明显的骨折[21]，并可以从CT影像上清楚的看到（如图5）。这个现象说明颧弓的根部确实是应力容易集中的区域，这也在一定程度上验证了本研究方法和结果的可靠性。

3.4有限元分析不但对生物力学做出了清楚的分析，同时也模拟出了在此过程中颧骨复合移的变化。形变图上的颜色梯度，清楚的反映了颧骨复合体各部分内收的程度，这为理解手术的过程，预测、评估手术效果也提供了参考。

3.5 有限元分析只是一种运用数学建模的方式近似模拟实际物理情况的方法，它不可能完全精确。颧弓是人体中一个特殊的结构，它是由颧骨体的颞突和颞骨的颧突通过颧颞缝的连接所构成的。因为颧颞缝的真实结构、力学性质太过复杂，目前国内外均无法准确模拟[22-23]。本研究仅通过了材质赋值这一项来模拟。另外因为在手术当中肌松药的使用，对颧骨复合体进行了骨膜下的剥离，故在本研究中颧肌、咬肌、颞肌以及软组织等的牵拉附着等影响，笔者认为是可以忽略不计的。在本研究中的材质赋值过程，笔者引用了两个经典公式来将CT灰度值转化为有限元模型中的各单元的弹性模量和表观密度。但该经典公式系国外学者通过股骨的生物力学实验得出的[12-13]，而对于颧骨的转化公式尚无相关报道。笔者引用的经典公式虽有可能不完全适用于颧骨，但却是目前最为可靠的方法。因此，由于上述因素的存在，本研究结果可能存在具体数值上的一定偏差。

3.6 根据笔者的手术经验，按压颧骨使其产生“青枝骨折”的力量存在着较为明显的个体差异，与性别、年龄、颧骨发育的程度等因素有关。本研究所选取的是排除了颅颌面畸形及其他疾病的年轻女性，能在最大程度上代表目前就诊群体的情况。

3.7“青枝骨折”的形成是手术的一个关键性步骤，应该根据患者的具体情况从较小的力量开始，逐步施加力量，过程不应急促粗暴。对于一次按压难以形成“青枝骨折”的患者，也可以通过反复小力度按压，做小范围的往复运动，使颧弓根部产生疲劳形变，从而形成“青枝骨折”。术中应注意保护颧颞缝等结构，防止意外骨折。

4 结论

通过本研究，笔者利用有限元方法发现，在口内入路颧骨“L”形降低截骨术中，通过对颧骨颧弓的按压，是能够在颧弓根部产生一个单一的应力集中区域，从而使颧弓根部发生青枝骨折，使颧弓发生向内的形变，进而使颧骨复合体的宽度和突度都得到减小。本研究的结果和方法，为理解、研究该术式具有很好的参考价值。

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[收稿日期]2011-10-08 [修回日期]2011-11-07