單側(cè)唇裂鼻畸形的生物力學(xué)研究.pdf

1、目的： 單側(cè)唇裂鼻畸形是口腔頜面部最常見的先天性發(fā)育畸形之一，其良好的矯正一直是整形外科的一大難題。單側(cè)唇裂鼻畸形的治療主要以手術(shù)為主。手術(shù)治療的方法多種多樣，但由于唇裂鼻畸形本身的復(fù)雜性、患者對(duì)整復(fù)的高要求以及手術(shù)方法和和植入材料的限制，往往難以獲得最令人滿意的整復(fù)效果。我們通過CT、MRI等影像學(xué)手段對(duì)單側(cè)唇裂畸形鼻進(jìn)行影像學(xué)數(shù)據(jù)采集，通過計(jì)算機(jī)對(duì)單側(cè)唇裂鼻翼塌陷畸形患者的鼻部進(jìn)行三維重建，獲得畸形鼻的形態(tài)學(xué)資料；運(yùn)用有限元

2、分析的方法，對(duì)單側(cè)唇裂鼻翼塌陷畸形患者鼻部進(jìn)行全面的生物力學(xué)分析和研究，希望從生物力學(xué)角度闡述唇裂鼻畸形形成的原因，揭示單側(cè)唇裂鼻畸形形成的力學(xué)規(guī)律，對(duì)單側(cè)唇裂鼻畸形患者的畸形鼻進(jìn)行量化的力學(xué)測(cè)定，為單側(cè)唇裂鼻畸形患者的整形外科治療奠定良好的生物力學(xué)理論基礎(chǔ)。 方法： 本研究所采集的對(duì)象-單側(cè)唇裂鼻畸形患者，來自上海長海醫(yī)院整形外科和上海市第九人民醫(yī)院整復(fù)外科2007-2009年中的手術(shù)就診患者。共采集單側(cè)唇裂鼻畸形患者

3、10例，年齡范圍在10～18歲，其中男性患者7例，女性患者3例，均為左側(cè)單側(cè)唇裂鼻畸形。所采集患者均為唇裂繼發(fā)鼻畸形，均在0～3歲階段進(jìn)行過一期唇裂修復(fù)術(shù)，同時(shí)本次就診前均未進(jìn)行過鼻畸形的整復(fù)，就診主要為進(jìn)行二期鼻畸形的整復(fù)。采集患者的單側(cè)唇裂鼻畸形主要表現(xiàn)為患側(cè)的鼻翼塌陷畸形，同時(shí)或伴有鼻小柱的偏斜、鼻尖的分離等畸形。所有采集病例均在術(shù)前進(jìn)行CT和MRI的掃描，采集圖象數(shù)據(jù)以DICOM文件形式存檔，并傳輸至HP圖形工作站，用MIMIC

4、S軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)三維重建。將唇裂鼻畸形患者鼻部進(jìn)行三維重建并調(diào)校，分離出外鼻軟骨的影像，并對(duì)鼻部組織進(jìn)行分層和重建，確定畸形鼻的形態(tài)和組織結(jié)構(gòu)；通過現(xiàn)代力學(xué)測(cè)量?jī)x器，對(duì)10例成人尸體鼻部的大翼、側(cè)鼻和中隔軟骨進(jìn)行彈性模量的測(cè)量，獲得上述三部分鼻部軟骨結(jié)構(gòu)的彈性模量數(shù)據(jù)，并通過統(tǒng)計(jì)學(xué)分析來獲得較為準(zhǔn)確的鼻部軟骨結(jié)構(gòu)的彈性模量數(shù)據(jù)，同時(shí)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，得到鼻部軟組織的相關(guān)生物力學(xué)性質(zhì)，主要為彈性模量和泊松比；建立單側(cè)唇裂鼻畸形的畸形鼻部三維有

5、限元分析模型，確定有限元分析的邊界條件等，進(jìn)行單側(cè)唇裂鼻畸形的鼻部生物力學(xué)的測(cè)量和分析。每個(gè)模型進(jìn)行兩方面的有限元生物力學(xué)分析：1、靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析：2、位移荷載形變條件下力學(xué)分析。分析后得出單側(cè)唇裂鼻畸形鼻部的應(yīng)力、應(yīng)變分布云圖，最后將所得的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，總結(jié)得出單側(cè)唇裂鼻畸形的生物力學(xué)分析統(tǒng)計(jì)結(jié)論和規(guī)律。 結(jié)果： 1.單側(cè)唇裂鼻翼塌陷畸形患者的鼻部三維重建 1.1單側(cè)唇裂鼻翼塌陷畸形患者的鼻部CT掃描和三

6、維重建 我們通過Light speed64排CT對(duì)單側(cè)唇裂鼻畸形的患者進(jìn)行0.625mm薄層掃描，因?yàn)楸擒浌且驗(yàn)榕c軟組織的密度差異，多排CT薄層掃描能夠?qū)ζ浞直妫@得較好的灰度差顯影，并通過后處理軟件對(duì)圖像進(jìn)行灰度處理，能夠較好的得到鼻軟骨的顯影，能夠獲得較好的鼻軟骨的分割和較高的分辨率，并能夠獲得較好的三維重建模型。 1.2單側(cè)唇裂鼻翼塌陷畸形患者的鼻部M砒掃描和三維重建 我們采用了荷蘭飛利浦公司的Achie

7、va3.0T的MRI機(jī)對(duì)單側(cè)唇裂鼻畸形的患者進(jìn)行了層厚為1mm薄層掃描，分別進(jìn)行T1和T2加權(quán)序列掃描。掃描后的MRI顯影顯示：鼻軟骨在T1加權(quán)序列中呈現(xiàn)中高亮度影，在T2加權(quán)序列中顯示為中低亮度影。MRI顯影結(jié)果顯示和薄層CT掃描相比，鼻軟骨的顯影分辨率不及CT，軟骨邊界模糊，層厚的精細(xì)度不足，同時(shí)由于采用了薄層掃描，產(chǎn)生了部分偽影和噪點(diǎn)，其成像的精細(xì)度明顯不如薄層CT掃描。由于上述原因，在后期MRI圖象處理中，鼻軟骨的分割困難，并且

8、三維重建模型粗糙，所以在后期的有限元三維模型建立中，我們舍棄了采用MRI薄層掃描鼻部結(jié)構(gòu)來三維有限元模型建立的方法。 2.鼻部軟骨的生物力學(xué)性質(zhì)測(cè)定 2.1成人尸體鼻部軟骨的壓縮彈性模量數(shù)據(jù) 應(yīng)力應(yīng)變曲線和統(tǒng)計(jì)學(xué)分析表明，大翼軟骨具有最小的壓縮彈性模量，統(tǒng)計(jì)值為1.142±0.336 MPa；側(cè)鼻軟骨具有最大的壓縮彈性模量，統(tǒng)計(jì)值5.84±1.246 MPa；中隔軟骨的壓縮彈性模量居中，統(tǒng)計(jì)數(shù)值為3.85±1.6

9、85 MPa。 2.2成人尸體鼻部軟骨的拉伸彈性模量數(shù)據(jù) 應(yīng)力應(yīng)變曲線和統(tǒng)計(jì)學(xué)分析表明，大翼軟骨具有最小的拉伸彈性模量，統(tǒng)計(jì)值為4.679±1.641 MPa；側(cè)鼻軟骨具有最大的拉伸彈性模量，統(tǒng)計(jì)值8.601±2.131 MPa；中隔軟骨的拉伸彈性模量居中，統(tǒng)計(jì)數(shù)值為6.907±1.621 MPa。 2.3成人尸體鼻部軟骨的彈性模量數(shù)據(jù)分析 統(tǒng)計(jì)分析表明，成人尸體鼻部主要軟骨的彈性模量中：拉伸彈性模量普遍

10、大于壓縮彈性模量；側(cè)鼻軟骨彈性模量＞中隔軟骨彈性模量＞大翼軟骨彈性模量。 3.單側(cè)唇裂鼻翼塌陷畸形患者鼻部生物力學(xué)分析 3.1單側(cè)唇裂鼻翼塌陷畸形患者的鼻部靜力學(xué)分析 單側(cè)唇裂鼻畸形患者的靜力學(xué)三維有限元分析表明，畸形鼻部應(yīng)力分白最為集中的區(qū)域?yàn)楸侵懈糗浌桥で辈课?，其次為鼻小柱底部和兩?cè)鼻翼外側(cè)腳部位；應(yīng)力分布較為薄弱的部位是鼻尖部。提示靜態(tài)狀態(tài)下，鼻中隔、鼻小柱和兩側(cè)鼻翼外側(cè)角是應(yīng)力分布最集中部位，也是畸形

11、鼻部的關(guān)鍵力學(xué)部位。 3.2單側(cè)唇裂鼻翼塌陷畸形患者的鼻部位移載荷形變后力學(xué)分析 單側(cè)唇裂鼻畸形患者的位移載荷三維有限元分析表明，畸形鼻部的患側(cè)要獲得和健側(cè)近似的幾何形態(tài)，其患側(cè)鼻孔近鼻小柱周圍應(yīng)力分布最為集中，其次為鼻中隔和患側(cè)鼻翼外方。提示位移載荷狀態(tài)下，要獲得和健側(cè)鼻部近似的形態(tài)，患側(cè)鼻小柱、鼻中隔和鼻翼外側(cè)是應(yīng)力分布最集中部位，也是單側(cè)唇裂鼻畸形鼻部整復(fù)的關(guān)鍵力學(xué)部位。 3.3單側(cè)唇裂鼻翼塌陷畸形患者的鼻

12、部生物力學(xué)規(guī)律分析和總結(jié) 10例單側(cè)鼻畸形患者鼻部的靜力學(xué)分析，位移載荷分析的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D和統(tǒng)計(jì)學(xué)數(shù)據(jù)表明：在靜態(tài)狀態(tài)下，畸形鼻部擁有的應(yīng)力分布值很小，關(guān)鍵應(yīng)力點(diǎn)的應(yīng)力數(shù)值分別為鼻中隔部0.00935±0.002 MPa，鼻小柱底部0.0059±0.0021 MPa，鼻翼外側(cè)腳0.00681±0.0013 MPa；在位移載荷狀態(tài)下，形變后的畸形鼻部擁有的較大的應(yīng)力分布值，分布的關(guān)鍵應(yīng)力點(diǎn)的應(yīng)力數(shù)值分別為鼻小柱患側(cè)25.51±3.

13、98 MPa，鼻中隔部7.882±1.35 MPa，患側(cè)鼻翼8.184±1.58 MPa。 結(jié)論：CT和MRI三維影像學(xué)重建顯示，CT薄層掃描對(duì)于外鼻軟組織和軟骨的重建具有最高的精確度，能夠最精確的還原外鼻和鼻軟骨的三維形態(tài)。MRI由于成像層厚較厚、邊界欠清、偽影和噪點(diǎn)等問題，鼻軟骨分割困難，三維重建模型粗糙。 鼻部三種主要軟骨的生物力學(xué)性質(zhì)測(cè)試并經(jīng)過統(tǒng)計(jì)學(xué)分析后，發(fā)現(xiàn)鼻部主要軟骨的拉伸彈性模量普遍大于壓縮彈性模量，同時(shí)

14、發(fā)現(xiàn)側(cè)鼻軟骨彈性模量＞中隔軟骨彈性模量＞大翼軟骨彈性模量，另外，鼻部軟骨的彈性模量均為個(gè)位數(shù)的數(shù)量級(jí)(單位：MPa)。 對(duì)于重建后的單側(cè)唇裂鼻畸形鼻部模型進(jìn)行有限元生物力學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)畸形鼻的力學(xué)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：1、鼻中隔、鼻小柱、鼻翼外側(cè)腳、鼻背外側(cè)是單側(cè)唇裂鼻畸形應(yīng)力分布的集中部位，也就是畸形鼻部的力學(xué)關(guān)鍵部位；2、在靜態(tài)狀態(tài)下，畸形鼻部擁有的應(yīng)力分布值很小，在位移載荷狀態(tài)下，形變后的畸形鼻部擁有的較大的應(yīng)力分布值；3、單側(cè)