Medpor修复眶底缺损三维有限元模型的建立与生物力学分析

陈静　归来　牛峰　俞冰　刘剑锋　王梦　陈莹

高密度多孔聚乙烯（Medpor）组织相容性良好，易雕刻塑形，具有一定硬度能支撑眶内容物，已被广泛应用于眶底修复与重建。但是，植入后是否需固定，以及如何固定，尚存在不同的观点[1-5]。多项报道指出，Medpor植入眶底后不固定，可导致术后出现移位[1，6－7]。 本研究对 Medpor修复眶底缺损进行三维有限元的建模，并分析其生物力学性质，研究Medpor材料植入眶底后的位移及应力情况，为临床提供参考依据。

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

患者，男，29岁，左眼眶外伤致爆裂性骨折15 d，眶底缺损 2.3 cm×1.8 cm（图 1）。

图1　左侧眶下壁骨折，可见眶内容物疝入上颌窦Fig.1　The left inferior orbital wall fracture and the orbital content was herniated into the maxillary sinus

1.1.2数据采集及图像处理

采用飞利浦Brilliance 64排螺旋CT行头颅扫描。在CT工作站上进行0.5 mm薄层三维重建，断层重建的矩阵为512×512，然后将其拆分成断层数据，确定图像质量清晰无误后，将断层数据以DICOM格式导入Mimics16.0软件，设置视图方向。分别定义矢状面、冠状面和横截面。在界面中可以得到包括眼眶骨等组织和背景在内的灰度图像。根据不同密度的组织在图像上的灰度值不同，设置灰度阈值区间（-100～150）及（226～3071）分别提取眼眶内容物及眶骨等组织。得到眼眶区域的粗糙模型，保存为.STL文件格式（图2）。

图2　应用“Thresholding”命令，设置灰度阈值区间提取眼眶骨性结构（A）及眼眶内容物（B）Fig.2　To extract the orbital bone structure(A)and contents(B)by using the"Thresholding"command to set up the gray threshold interval

1.1.3曲面拟合及模型建立

将.STL文件导入Geomagics，对其进行曲面拟合和光顺处理，利用Geomagics可以对导出的数据进行三角面片细分、降噪、光顺化处理，并通过精确曲面等过程对其进行曲面化，最终形成左眶骨三维实体模型，以利于后续的处理以及有限元模型建立及分析（图 3）。

图3　曲面拟合及模型建立Fig.3　Curved surface fitting and model establishment

1.1.4框内容物三维模型的建立

在建立左眼眶模型的基础上，进一步来构建眼眶内容物模型。原理同上（图4）。

图4　构建的眼眶内容物三维模型Fig.4　A three-dimensional model of orbital contents

1.1.5模型组装

导出三维模型数据，按照模型中缺损大小虚拟装入修补用的 Medpor（25 mm×20 mm×1.5 mm）及固定所用的螺钉 （金属钛材料，1.5 mm×8 mm）1或2枚，导入PRO/E中进行模型组装，对需要进行处理的部分或者特征进行操作（图5）。

图5　模型组装Fig.5　Model assembly

1.1.6网格划分

利用Mimics有限元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。回复至Mimics界面，利用Ansys专用接口导出所构建的面网格文件，将其导入有限元分析软件Ansys中，转化为solid92类型10节点二阶单元的体网格，最后导出体网格文件，保存为 PREP7、NODES、ELEMENTS 3种格式。

1.1.7材质赋值

将上述保存的3种格式体网格文件载入Mimics，对每一网格单元按照各种材料参数[8]（其中Medpor弹性模量 900 MPa，泊松比 0.38，密度 900 Kg/m3）进行对应赋值。将以上完成赋值的所有有限元体网格以 LIS、NODES、ELEMENTS的格式再次导入 Ansys软件，最终完成Medpor修复眶底缺损的三维有限元模型的构建（图6）。

图6　有限元计算模型Fig.6　Finite element calculation model

1.2　载荷及有限元计算

左眼眶骨上下全自由度约束 （X、Y、Z方向约束），对整体模型施加重力载荷，模拟眼球内容物的重力以及前方眶骨膜包裹的力量。计算并分析Medpor材料植入眶底后在不固定、1枚螺钉固定及2枚螺钉固定3种不同状态下的位移与应力情况。各有限元分析均重复3次。

2　结果

2.1　三维有限元模型的构建

本研究建立了Medpor修复眶底缺损的三维有限元模型，其几何和力学相似性良好，模型单元类型为C3D10三维六面体单元，共有节点数207 847个，单元数119 173个。经有限元网格质量检测，该模型所划分的网格质量高，是合格的有限元模型。

2.2　位移及应力分析

结果表明，无螺钉固定下Medpor位移1.049 mm，应力为0.020 MPa；1枚螺钉固定时边缘部位位移0.145 mm，螺钉处应力为1.06 MPa；2枚螺钉固定时边缘部位位移0.144 mm，螺钉处应力为0.693 MPa。无螺钉固定时，在眼眶内容物等重力作用及各部分相互牵拉条件下，容易产生浮动偏移，位移较大，受到约束较小，几乎无应力。在固定钉作用下，Medpor仅仅边缘部位产生位移，且变形明显较小，在固定钉附近位移近乎为零，应力集中，说明固定螺钉具有良好的固定作用。此外，1枚固定螺钉的位移及应力值与2枚固定螺钉的位移及应力值非常接近。由于相比于眼眶内容物等软组织，固定螺钉属于高强度实体，1枚螺钉即可充分固定Medpor材料（图7、8）。

图7　不同条件下Medpor材料的位移结果Fig.7　The results of the Medpor displacement under different conditions

图8　不同条件下Medpor材料的应力结果Fig.8　The results of the Medpor stress state under differen t conditions

3　讨论

本研究应用CT扫描得到的DICOM数据，直接构建有限元模型，避免了原始数据转换过程中的数据丢失，建立的眶底缺损修复三维有限元模型较真实地代表了原物的结构形态，几何相似性明显提高。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眶底缺损修复无关的结构，是一个仅保留了最精简结构的有限元模型，其单元、节点的密度是目前同类研究中最高的。因此，本研究构建的模型是简洁、高效、高精度的Medpor修复眶底缺损的三维有限元模型。

该模型模拟了Medpor植入眶内修复眶底缺损时，固定或不固定状态下，其形变、位移及应力情况。结果显示，当Medpor无螺钉固定时，处于滑动状态，受到约束较小，几乎无应力，易产生浮动偏移，位移较大。这个结果也与部分临床报道一致[6，9－10]。此外，本研究表明，1枚或2枚螺钉固定后，Medpor的位移及应力值非常接近。基于螺钉属于异体植入材料，在保证材料稳定性的基础上应减少植入数量，避免可能的异物反应。因此，我们建议临床使用1枚螺钉进行固定。

在三维有限元模型建模过程中，本研究设计之所以虚拟了螺钉固定Medpor材料的方式，这是因为Haug等[11]曾对Medpor修复眶底时的螺钉固定方法与缝线方法进行了比较性研究，结果显示小螺钉固定在手术操作时间及固定稳定性方面都胜过缝线固定。另外，在数据采集过程中，本研究选择了1例左侧眶底爆裂性骨折患者的CT数据，从而提高了所构建的三维有限元模型的经典性，以及计算结果的准确性。

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，不可能完全精确。眼眶是一个由上颌骨、腭骨、额骨、蝶骨、颧骨、筛骨及泪骨等7块骨组成的四棱锥形骨腔。其内容纳眼球及附属视觉器官。另外，施加载荷参数时，重点突出了眶底Medpor受到的重力载荷、模拟眼球内容物的重力以及前方眶骨膜包裹的力量。实际眶底的载荷情况不只是如此，可能有更多的因素，比如眼外肌的牵拉、眶内容物的弹性形变等。如此复杂的解剖结构及力学性质，利用三维有限元模型真实模拟尚存在诸多困难。因此，本研究可能存在具体数值上的偏差。

根据有限元模型计算结果，结合我们以往的临床经验，我们对于Medpor植入修复眶底建议①对于眶底缺损小于2 cm2，但有手术指征的患者，Medpor单片塑形植入后，根据材料与眶缘的贴合度，固定或不固定均可；②眼球内陷较严重（≥3 mm），使用三维数字化技术辅助设计个性化Medpor（多片叠加）修复眶底缺损矫正眼球内陷的患者，为保证术前设计中植入物的位置准确性，在Medpor尚未血管化之前，建议稳妥固定[12]；③眶骨膜破裂严重，缝合困难，Medpor植入眶底后，前方较难受到眶骨膜的约束时，建议固定。

本研究结果需要多中心，以及更多病例的进一步验证。今后，我们亦将在这方面进行更为深入的研究，例如修复材料在固定与不固定状态下，术后患者的眼位、眼球突度及视力恢复方面是否存在差异；或许可设计并借助相关的动物实验，以更为全面地分析相关力学因素对这一问题的影响。

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