颧骨复合体【咬肌牵动的颧骨复合体三维有限元模型的建立】

　　[摘要]目的：建立颧骨复合体、咬肌牵动可分析应力状态的三维有限元模型。方法：应用MIMCS软件将颧骨复合体高突患者面部cT图像进行三维重建，使用MSC.Marc软件进行网格划分，建立三维有限元模型，并通过解剖学研究和测量，结合图像，确立咬肌的附着部位面积和肌力线方向。结果：建立了咬肌牵动的颧骨复合体生物力学分析模型，该模型共有9093个节点(咬肌1025个节点)，包含39026个单元(咬肌4487个单元)，与CT三位重建影像比较，形态结构一致性好。结论：运用有限元分析技术，结合咬肌牵动的功能测定所建立的生物力学模型几何相似性和力学相似性好，为颧骨复合体缩小手术提供了一种可定量化术前设计的方法。
　　[关键词]颧骨复合体；咬肌；生物力学；有限元分析
　　[中图分类号]R782.05　[文献标识码]A　[文章编号]1008－6455(2007)03－0346－03
　　
　　椭圆形的面部轮廓在东方美学评价中占有较重要的地位，其中中面部颧骨复合体前突和侧突的形态对面部水平宽度、前突度和中面部垂直高度均有着重要的决定性意义。现今，缩小颧骨复合体的手术已广泛地应用于临床，但我们在工作中仍然面临不少问题和难点，主要集中在四个方面：①设计合理的颧骨复合体截骨和骨块移动方式；②选择合理的手术入路；③如何防治术后面中下部软组织下垂；④选择可靠的截骨断端内固定方式。Hee Youn Choi等和Byung Chao Cho亦讨论了该手术的问题，但均未提出较好的研究方法和解决方案。颧骨复合体是有咬肌牵动的骨性架构，手术截骨、移位和内固定方式均与其力学环境密切相关。三维有限元分析法(3D finite elementmethod)在生物力学研究中应用广泛，建立模型是关键所在。以往国内外所建的三维有限元模型，多为下颌骨、牙体和脊椎等，针对颧部缩小手术的颧骨复合体三维有限元模型尚未见报道。我们利用CT影像技术、MIMICS三维重建并优化颧骨复合体的实体模型，通过MSC.Marc软件建立了较为理想的颧骨高突颧骨复合体三维有限元模型。为颧骨复合体的生物力学研究摸索了一条途径，亦为颧部缩小手术设计提供了定量化的依据。
　　
　　1　材料和方法
　　
　　1．1　材料：女性患者，年龄26岁，先天性双侧颧骨复合体肥大，无其他颅颌面病变。三维CT对手术前颧骨复合体进行扫描测量，符合上面部宽/中面部宽＞0.75。
　　
　　1．2　头面部螺旋CT扫描和数据采集：采用新型PHILIP Brilliancetm64型CT扫描机对患者进行螺旋扫描，扫描参数如下：层厚0.67mm，床进速度0.5mm/s，80KVA，50/60Hz。扫描范围为整个头颅，最终获得287幅扫描断层图像，保存为DICOM格式。
　　
　　1．3　颧骨复合体的三维有限元建模
　　1．3．1　颧骨复合体的MIMCS三维建模：传输DICOM数据入MIMICS程序，选择窗宽为2100Hu，窗高为400Hu(将Predefined Gray Scale设置为BoneScale样式，即最小值为－1350，最大值为1650)；将Mask Thresholds设置为206至2963，从每张断层图像中人工勾勒出颧骨复合体相应的皮质骨和松质骨的骨质范围；再将Mask Thresholds设置为50至1038，从每张断层图像中人工单独勾勒出颧骨复合体松质骨的骨质范围。分别将两次勾勒出的范围进行三维重建，得到皮质骨和松质骨的三维模型。
　　1．3．2　颧骨复合体模型的三维有限元网格划分：将颧骨复合体的皮质骨和松质骨三维模型数据导入MSC.Marc程序，使用MSC.Marc最具特色的有限元三维实体网格划分，考虑到颧骨复合体的三维不规则性，我们采用了四面体划分方式，得到颧骨复合体的皮质骨和松质骨三维实体有限元模型，将皮质骨和松质骨划分到不同的单元集合中，融合之后，可以通过选择单元集合来选定皮质骨或松质骨，便于后续有限元分析中的几何特性、材料特性、边界条件的设定。模型中皮质骨和松质骨的材料常数见表1，设定模型中的各组织为连续、均质、各向同性的线弹性材料。

　　1．3．3　咬肌肌力大小、方向以及施力点的确定：由临床解剖结合本研究已建立的咬肌实体模型，可知咬肌的附着部位、肌力线方向、肌生理横断面面积等，参考已有研究成果，确定咬肌生物力学数据。肌力大小参考了Faulkner等的研究，由下列公式计算：
　　Fmax.i=P・Ai
　　其中，P为肌内在强度强数，P=0.37×106N/m2；Ai为第i块咬肌的生理横断面积。计算得到正常生理活动咬肌肌力约为120N。
　　
　　2　结果
　　
　　2．1　建立的颧骨复合体三维有限元模型包括咬肌，具有良好的生物形态，与CT重建的实体影像比较，几何相似性良好。有限元模型由颧骨体、颧弓、眶外侧壁、上颌骨前外侧壁和咬肌组成。
　　
　　2．2　整个模型共有9093个节点，其中咬肌1025个节点，包含39026个单元，其中咬肌4487个单元，所有单元形态较为规则，没有特别不规则的单元出现，对研究的颧骨体和上颌骨前外侧壁网格划分较为细致，模型可以任意旋转和缩放，可根据不同研究情况任意选区和添加材料、组织。
　　
　　3　讨论
　　
　　3．1　颧骨复合体为不规则的骨性架构，受力后情况较为复杂，尤其是颧骨复合体缩小手术截骨后，内固定方式多种多样，但术后颧弓移位不可预测，内固定设计和评估无法实现。该手术临床开展广泛，但仍存在问题。张彤等曾建立了上颌骨复合体有限元模型，包括上颌骨、颧骨和鼻骨、泪骨等，范围广，结构分割不够细致，图层厚度较宽。我们选择典型的颧骨复合体高突患者作为研究对象，运用64排螺旋CT机进行断层扫描，层面厚度仅为0.67mm，将其实体通过细致的三维图像重建和有限元分析，较好地建立了一个方便、实用、有效的颧骨复合体三维有限元模型。为了使肌力方向、施力点更符合生理情况，Koolstra等运用MR影像三维重建后确定咀嚼肌施力点和方向，发现不同个体的角度差异在5。以内，而国内文献对咬肌的解剖结构分析很明确，肌力大小与生理横断面积成比例，因而我们根据患者咬肌形态设置的边界条件，即牵动效果，不但较为准确，且适用性较强。
　　
　　3．2　该模型的特点：①模型可以任意切割、移位和删减单位、层面及特定部位，方便观察及研究局部的内部应力分布状态。②模型可按照颧部缩小术所设定的手术条件，进行手术模拟，并分析手术后的生物力学状态。例如：设计不同的截骨形式及内固定方式，分析其对颧弓稳定性的影响。③模型可添加不同的载荷单元，完成新力学模型构建和分析。例如：新内固定材料对手术后骨折愈合的影响。④模型还提供了形态学研究的基础，可供磨削术后面部软组织形态改变提供骨性架构变化的数据，便于分析其相关性。
　　综上所述，我们所建立的颧骨复合体模型，结合咬肌牵动模式，不仅为今后颧骨复合体缩小手术术前设计创造了计算机研究的数据条件，而且为探索颧骨复合体在各种打击力作用下和各类骨折固定方式下的生物力学行为提供了可靠及定量化的研究方法。