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单侧唇裂鼻畸形的生物力学研究

董雷  
【摘要】: 目的:单侧唇裂鼻畸形是口腔颌面部最常见的先天性发育畸形之一,其良好的矫正一直是整形外科的一大难题。单侧唇裂鼻畸形的治疗主要以手术为主。手术治疗的方法多种多样,但由于唇裂鼻畸形本身的复杂性、患者对整复的高要求以及手术方法和和植入材料的限制,往往难以获得最令人满意的整复效果。我们通过CT、MRI等影像学手段对单侧唇裂畸形鼻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患者的鼻部进行三维重建,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,对单侧唇裂鼻畸形患者的畸形鼻进行量化的力学测定,为单侧唇裂鼻畸形患者的整形外科治疗奠定良好的生物力学理论基础。 方法:本研究所采集的对象——单侧唇裂鼻畸形患者,来自上海长海医院整形外科和上海市第九人民医院整复外科2007-2009年中的手术就诊患者。共采集单侧唇裂鼻畸形患者10例,年龄范围在10~18岁,其中男性患者7例,女性患者3例,均为左侧单侧唇裂鼻畸形。所采集患者均为唇裂继发鼻畸形,均在0~3岁阶段进行过一期唇裂修复术,同时本次就诊前均未进行过鼻畸形的整复,就诊主要为进行二期鼻畸形的整复。采集患者的单侧唇裂鼻畸形主要表现为患侧的鼻翼塌陷畸形,同时或伴有鼻小柱的偏斜、鼻尖的分离等畸形。所有采集病例均在术前进行CT和MRI的扫描,采集图象数据以DICOM文件形式存档,并传输至HP图形工作站,用MIMICS软件进行计算机三维重建。将唇裂鼻畸形患者鼻部进行三维重建并调校,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;建立单侧唇裂鼻畸形的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。 结果: 1单侧唇裂鼻翼塌陷畸形患者的鼻部三维重建 1.1单侧唇裂鼻翼塌陷畸形患者的鼻部CT扫描和三维重建 我们通过Light speed 64排CT对单侧唇裂鼻畸形的患者进行0.625mm薄层扫描,因为鼻软骨因为与软组织的密度差异,多排CT薄层扫描能够对其分辨,并获得较好的灰度差显影,并通过后处理软件对图像进行灰度处理,能够较好的得到鼻软骨的显影,能够获得较好的鼻软骨的分割和较高的分辨率,并能够获得较好的三维重建模型。 1.2单侧唇裂鼻翼塌陷畸形患者的鼻部MRI扫描和三维重建 我们采用了荷兰飞利浦公司的Achieva 3.0T的MRI机对单侧唇裂鼻畸形的患者进行了层厚为1mm薄层扫描,分别进行T1和T2加权序列扫描。扫描后的MRI显影显示: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显影结果显示和薄层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,鼻软骨的分割困难,并且三维重建模型粗糙,所以在后期的有限元三维模型建立中,我们舍弃了采用MRI薄层扫描鼻部结构来三维有限元模型建立的方法。 2鼻部软骨的生物力学性质测定 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,统计值为1.142±0.336 MPa;侧鼻软骨具有最大的压缩弹性模量,统计值5.84±1.246 MPa;中隔软骨的压缩弹性模量居中,统计数值为3.85±1.685 MPa。 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,大翼软骨具有最小的拉伸弹性模量,统计值为4.679±1.641 MPa;侧鼻软骨具有最大的拉伸弹性模量,统计值8.601±2.131 MPa;中隔软骨的拉伸弹性模量居中,统计数值为6.907±1.621 MPa。 2.3成人尸体鼻部软骨的弹性模量数据分析 统计分析表明,成人尸体鼻部主要软骨的弹性模量中: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。 3单侧唇裂鼻翼塌陷畸形患者鼻部生物力学分析 3.1单侧唇裂鼻翼塌陷畸形患者的鼻部静力学分析 单侧唇裂鼻畸形患者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部位;应力分布较为薄弱的部位是鼻尖部。提示静态状态下,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。 3.2单侧唇裂鼻翼塌陷畸形患者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。 3.3单侧唇裂鼻翼塌陷畸形患者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,畸形鼻部拥有的应力分布值很小,关键应力点的应力数值分别为鼻中隔部0.00935±0.002 MPa,鼻小柱底部0.0059±0.0021 MPa,鼻翼外侧脚0.00681±0.0013 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数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。 结论:CT和MRI三维影像学重建显示,CT薄层扫描对于外鼻软组织和软骨的重建具有最高的精确度,能够最精确的还原外鼻和鼻软骨的三维形态。MRI由于成像层厚较厚、边界欠清、伪影和噪点等问题,鼻软骨分割困难,三维重建模型粗糙。 鼻部三种主要软骨的生物力学性质测试并经过统计学分析后,发现鼻部主要软骨的拉伸弹性模量普遍大于压缩弹性模量,同时发现侧鼻软骨弹性模量中隔软骨弹性模量大翼软骨弹性模量,另外,鼻部软骨的弹性模量均为个位数的数量级(单位:MPa)。 对于重建后的单侧唇裂鼻畸形鼻部模型进行有限元生物力学研究,发现畸形鼻的力学结构呈现以下特点: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的较大的应力分布值;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。 对单侧鼻畸形患者鼻部的有限元分析表明:1、鼻小柱患侧部是畸形整复的力学关键部位,其次是患侧塌陷鼻翼;2、鼻中隔部应力的集中,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。


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