鼻中隔偏曲矫正手术前后鼻中隔生物力学三维有限元分析
吴东燃 齐向东
本文来源:《中华整形外科杂志》2023年8月 第39卷 第8期
DOI:10. 3760 / cma.j.cn114453-20220701-00203
作者单位:南方医科大学珠江医院整形美容科, 广州510280
通信作者:齐向东,Email:create_beauty@hotmail.com
【摘要】
目的 建立鼻中隔偏曲矫正手术前后鼻中隔三维有限元模型,探究鼻中隔偏曲矫正手术对鼻中隔软骨应力的减张效果。
方法 该研究选取1例于2022年1月在南方医科大学珠江医院治疗的40岁男性鼻中隔偏曲患者,进行鼻内镜下二线减张鼻中隔矫正术,在术前和术后6个月行鼻中隔软骨CT三维重建及有限元分析,采集三维CT的DICOM格式数据,运用Mimics 21.0、Geomagic Studio 2014、ANSYS Workbench 17.0软件建立鼻中隔三维有限元模型。在鼻中隔软骨的顶端与底端设置固定约束,在软骨前端平面设置加载一个压强为106 Pa的沿X轴方向的接触应力,然后进行鼻中隔总形变位移和von Mises应力(VMS)分布的有限元分析。
结果 (1)鼻中隔偏曲软骨的总形变位移值最高点位于软骨前端,术前总形变位移最大值为0.022 296 m,术后为0.108 810 m。(2)鼻中隔偏曲软骨的应力分布主要集中于软骨前中段,VMS在鼻中隔前端有一峰值,术前VMS峰值为725 000 Pa,术后为2 426 000 Pa。(3)术后鼻中隔软骨总形变位移和VMS分布曲线从鼻中隔前端至后端有"瀑布样"落差。(4)术前鼻中隔VMS最大分布范围约为0.003 252 4 m2,术后约为0.000 418 6 m2,术后鼻中隔应力分布范围较术前明显减少。
结论 通过CT三维重建结合有限元分析技术,成功建立了鼻中隔三维有限元模型;通过对比手术前后的总形变位移和VMS曲线,证明鼻中隔偏曲矫正手术对鼻中隔软骨应力有减张效果。
【关键词】有限元分析;鼻中隔偏曲;CT三维重建;生物力学
Three-dimensional finite element analysis of septum biomechanics before and after septum deviation correction surgery
Wu Dongran, Qi Xiangdong
Department of Plastic Surgery and Cosmetology, Zhujiang Hospital of Southern Medical University, Guangzhou 510280, China
Corresponding author: Qi Xiangdong, Email: create_beauty@hotmail.com
【Abstract】
Objective To establish a nasal septum evaluation model before and after nasal septum deviation correction surgery with finite element analysis, to explore the effect of nasal septum cartilage stress reduction after nasal septum deviation correction surgery.
Methods In this study, a male adult patient treated in Zhujiang Hospital of Southern Medical University in January 2022 was selected for second-line nasal endoscopic tension-reduction septum correction. Three-dimensional reconstruction and finite element analysis of nasal septum cartilage were performed before surgery and 6 months after surgery, and DICOM format data of three-dimensional CT were collected. Mimics 21.0, Geomagic Studio 2014, and ANSYS Workbench 17.0 software were used to establish a three-dimensional finite element model of the nasal septum, and fixed constraints were set on the top and bottom of the nasal septum cartilage. A contact stress with a pressure of 106 Pa along the X axis was applied in the front plane of the cartilage, and then the finite element analysis of the total deformation displacement and von Mises stress (VMS) distribution of the nasal septum was performed.
Results (1) The maximum value of the total deformation displacement of the deviated nasal septum cartilage was located in the front of the cartilage, and the maximum value was 0.022 296 m before surgery and 0.108 810 m after surgery. (2) The stress distribution of deviated nasal septum cartilage was mainly concentrated in the anterior cartilage, in which VMS had a peak at the anterior end of the nasal septum, and the VMS peak was 725 000 Pa before surgery and 2 426 000 Pa after surgery. (3) The total deformation displacement and VMS value curves of the nasal septum showed a "waterfall" drop from the anterior end of the nasal septum to the posterior end. (4) The maximum distribution range of VMS in the nasal septum was 0.003 252 4 m2 before surgery and 0.000 418 6 m2 after surgery, indicating that the stress distribution range of the nasal septum after surgery was significantly reduced compared with that before surgery.
Conclusion The three-dimensional finite element model of nasal septum is established successfully through CT three-dimensional reconstruction and finite element analysis. By comparing the total deformation displacement and VMS curve before and after the operation, this model evidenced that the correction of nasal deviation has the effect of reducing the stress of nasal septum cartilage.
【Key words】Finite element analysis; Deviation of nasal septum; CT three-dimensional reconstruction; Biomechanics
Disclosure of Conflicts of Interest: The authors have no financial interest to declare in relation to the content of this article.
Ethical Approval: Ethical approval was given by the Medical Ethics Committee of Zhujiang Hospital of Southern Medical University (2021-KY-102).
在临床上,鼻中隔偏曲合并歪鼻畸形是整形外科的常见病。鼻中隔偏曲是指鼻中隔向一侧或两侧偏曲或局部突起,并引起鼻腔功能障碍或产生症状者,包括鼻塞、鼻出血、反射性头痛,严重者可引起邻近结构受损,诱发鼻窦炎并出现相应的症状[ 1 ]。在我国鼻中隔偏曲的发病率高达49.1%~67.6%[ 2 ]。王佩华等[ 3 ]应用鼻-鼻中隔整形术来治疗部分外伤性歪鼻,取得了满意效果。韩德民等[ 4 ]按照鼻中隔偏曲产生的生物力学规律,设计了一种新的改良鼻中隔矫正术,即三线减张鼻中隔矫正手术。余洪猛等[ 5 ]在三线减张的基础上简化了手术流程,提出了二线减张鼻中隔矫正术。目前,鼻内镜下二线减张鼻中隔矫正术是治疗鼻中隔偏曲的常用术式。有限元分析技术最初应用于工程领域,通过将整体结构分割为有限个单元之后,赋予其基本材料属性,通过计算机辅助分析整体结构应力的基本情况[ 6 ]。目前在整形外科领域,有不少学者对有限元分析进行了相关探索,主要集中在颅颌面外科领域[ 7 ]。本研究选取1例符合鼻中隔偏曲矫正手术适应证的成年男性患者为研究对象,建立手术前后鼻中隔三维实体模型进行有限元分析,探究鼻内镜下二线减张鼻中隔矫正术治疗前后鼻中隔生物力学的改变情况。
对象与方法
一、对象选择
选择1例1年余前因鼻外伤导致鼻中隔偏曲于2022年1月在南方医科大学珠江医院治疗的男性成年患者为研究对象,年龄40岁。纳入标准:(1)患者年龄介于18~60岁;(2)通过询问病史及术前检查明确既往无鼻部手术史,为首次行鼻内镜手术;(3)无药物过敏史,无影像学检查相关禁忌证;(4)无精神疾病,认知能力正常;(5)符合鼻中隔偏曲矫正手术指征。排除标准:(1)存在严重的肝肾功能障碍;(2)存在手术相关禁忌证;(3)肿瘤患者,预期生命<6个月;(4)拟妊娠、妊娠及哺乳期的女性;(5)怀疑或确有吸毒史或严重酗酒者;(6)临床资料有缺失或术后半年内未在本院进行复查;(7)近3个月内参加其他临床试验者。
本研究经南方医科大学珠江医院伦理委员会批准(2021-KY-102),患者签署知情同意书,并同意将其资料用于本研究。
二、方法
(一)手术相关检查
术前完善血常规、生化、肝肾功能、凝血功能、心电图、胸部X线片、传染病检查,以及血糖、血压检测等,排除手术禁忌证。术前3 d完善患者的副鼻窦CT检查,除了明确鼻中隔偏曲程度以外,还需明确各个鼻窦(包括额窦、蝶窦、上颌窦及筛窦)窦腔的情况,双侧鼻腔下鼻甲、中鼻甲骨性肥大情况,以及是否有其他异常鼻结构,全面评估患者的手术适应证以及围手术期治疗方案。该入选患者有外伤性鼻中隔偏曲,双侧鼻窦结构正常,无双侧下鼻甲骨性肥大。根据术前评估结果确定手术方式为鼻内镜下二线减张鼻中隔偏曲矫正术。
(二)鼻内镜下二线减张鼻中隔矫正术
患者采用仰卧位,气管内插管全身麻醉。应用1%利多卡因加0.1%肾上腺素行鼻中隔双侧黏膜浸润麻醉,在0°鼻内镜下于鼻中隔偏曲侧鼻前庭皮肤、黏膜交界处行"("形切口,纵向切开黏膜、软骨膜,并分离切口侧鼻中隔黏软骨膜,向上、向后至筛骨垂直板及犁骨上后部,向下、向后至鼻中隔软骨下端与犁骨、上颌骨鼻嵴连接处。用咬骨钳于软骨和骨结合处咬除宽度为1~2 cm的条形骨板,减张第2、第3条张力曲线,保留大部分的鼻中隔软骨,并使减张后的方形软骨复位至正中位置。
(三)CT三维重建
将患者术前和术后6个月的副鼻窦CT数据以DICOM格式下载保存,再将此数据通过Mimics软件(Medical 21.0版本)和Geomagic软件(Studio 2014版本)实现鼻中隔软骨的CT三维模型重建。首先,对CT图像进行灰度调节,获得鼻软骨与其他组织的灰度差,然后通过Mimics软件进行阈值分割和区域增长分割,接下来进行手工编辑,获得鼻中隔软骨相对精确的蒙罩(mask)。通过Mimics软件的三维重建(calculate 3D)功能,重建患者的鼻中隔三维实体模型(STL文件格式),我们可以采用旋转、透视等多种方式进行显示和观察( 图1 )。将STL文件导入Geomagic软件中进行进一步修整模型以及曲面生成,重建鼻中隔软骨几何模型(x_t文件格式)。
(四)有限元分析
将Geomagic软件生成的x_t文件导入ANSYS Workbench 17.0软件中,为每块鼻中隔软骨几何模型创建一个三角形(有限元)的表面网格,每个表面网格包含20 000~30 000个有限元单元( 图2 );基于CT三维重建模型建立鼻中隔软骨的有限元模型,分析鼻中隔软骨在术前、术后的总形变位移以及von Mises应力(von Mises stress,VMS)分布情况。
通过查阅国内外的相关文献,发现关于鼻中隔软骨生物力学数据,各个实验测试结果略有差别。董雷等[ 8 ]对尸体来源的鼻中隔软骨进行生物力学测试,发现鼻中隔软骨的压缩弹性模量为(3.850±1.685) MPa,拉伸弹性模量为(6.907±1.621) MPa。Richmon等[ 9 ]对新鲜鼻中隔软骨进行生物力学测试,发现鼻中隔软骨的弹性模量为(3.01±0.39) MPa,并且不同部位、不同年龄样本的鼻中隔软骨生物力学数据无显著性差异。综合各方数据,本研究将鼻中隔软骨视为各向同性线弹性材料,并设定其材料属性:杨氏模量=3 MPa,泊松比=0.4。
通过查阅国内鼻骨骨折患者的临床流行病学调查相关文献可知,鼻骨骨折病因中交通事故伤发生率最高(33.84%),其次是暴力打击伤(24.12%)[ 10 ]。相对车祸伤而言,暴力打击伤发生鼻骨骨折合并鼻中隔偏曲的情况较多,因而本研究模拟鼻中隔受到正面方向暴力打击时的受力情况。根据相关文献数据,成年运动员的拳击快速力量指数为273~806 N/ms[ 11 ]。本研究模拟每毫秒屈服点(S)受到的外力(Fs)采用其中位数500 N,模拟鼻中隔模型受力横截面积(So)为500 mm2(50 mm×10 mm)。其中,Fs表示试样压迫过程中屈服力(恒定),单位为N;So表示试样原始横截面积,单位为mm2。由屈服强度公式σs=Fs/So(MPa)可计算出有限元分析的正向外力压强为1 MPa(106 Pa)。
使用ANSYS Workbench 17.0软件设置本研究中该结构的边界条件以及载荷,在鼻中隔软骨的顶端与底端设置固定约束,在鼻中隔软骨前端的平面设置加载一个沿X轴方向的接触应力,接触应力在前端平面的压强为106 Pa。
结 果
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