文摘

头皮软组织扩张是一个关键的医疗技术来生成新的皮肤组织纠正各种异常和缺陷的皮肤整形手术。因此,它是非常重要的适当的方法来评估头皮扩张面积的增加和预测的形状,大小,数量,扩张器的位置。提出了一种新方法利用有限元模型来解决大变形的头皮扩张。和过程实现头皮组织扩张与有限元法也详细描述。三维仿真结果表明,该方法是有效的,和仿真实验分析表明,体积和面积的扩张头皮可以准确地计算和数量、位置和规模扩张器也可以成功地预测模型。

1。介绍

3 d成像已广泛应用于当前的整形外科。无创性计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI),三维激光扫描正越来越多地用于生成组织结构视图三维解剖模型(1)评估面部增长(2,3),面部表情(4,5),面部不对称唇腭裂的患者(6],和面部重建[7]。这种技术也将模型准确重建和做整形手术规划为一个真正的互动过程。许多文献也表明,各种三维骨架模型已经在颌面外科。在规划过程中,仿真可以检查截骨术的计算机辅助设计(CAD),在实际的行截骨术可以明确确定在CAD的帮助。

然而,评估软组织的整形手术是更加困难比骨头由于软组织的生物力学特性,如非齐次quasi-incompressible和非线性plastic-viscoelastic材料属性。因此,基于计算机辅助的软组织扩张技术引入三维成像评估软组织的结构。皮肤软组织扩张技术(如图1)也是一个关键的医疗技术在手术规划,用于生成新的皮瓣纠正各种皮肤异常和缺陷。因此,它被广泛应用在许多领域,如整形外科整容手术,修复和重建手术。它也是非常有用的和实际的治疗头和面部软组织缺陷区域。同时,它是至关重要的对于一个成功的手术计划有效地选择形状,大小,数量,和埋扩张器的位置根据实际状态的皮肤缺损。因为扩展皮瓣大小不足可能导致失败的覆盖皮肤缺损没有足够的张力和扩张皮瓣的大小意味着浪费组织,霁et al。7)获得的数据疤痕切除与烧伤儿童伤害和扩大cervicofacial皮瓣通过使用3 d数字扫描仪。拟议中的结果表明,疤痕区域计划在切除匹配区域的前脸和颈部组织扩张。但结果是理论值,软组织的生物力学性质的影响还没有被认为是在整个过程中,如伤口收缩和瓣收缩。

到目前为止,操作的准确性仍主要依赖外科医生从长期实践积累的临床经验。是很主观的,不稳定。来解决问题,模拟其扩张过程中组织的变形可以提供一个额外的形态来改善组织的任务成功率扩张手术,这将在本文中详细讨论。本研究的主要目的是找出合适的方法来获得更准确的数据考虑伤口收缩和瓣收缩在手术移除组织扩张器后,基于图像生成的CT扫描。然后建立基于cad数学模型来模拟手术的过程,包括选择适当的扩展器,消除组织扩张器,扩张皮瓣的软组织缺损。

在图1(一),有一个实际的例子,两个液体扩张器植入病人的头部;如图是什么1 (b)是删除扩展器后的愈合伤口。

本文的其余部分组织如下。部分2提供方法来模拟头皮软组织扩张。部分3着重于实验和讨论的方法和实验结果。部分4提出了结论和未来的工作。

2。与有限元法仿真头皮软组织扩张

几何模型是可变形仿真的基础。和三维模型被广泛用于医学组织变形的模拟。模型的头皮通常有一定的厚度。根据头皮的结构特点,将3.4毫米厚度(8]。此外,四面体网格模型(9)通过免费的除法(10使用软件有限元分析。结果如图2。

头皮扩张是一种变形的大范围和包含几何和材料非线性问题问题[11]。本文介绍了动态有限元模型来解决非线性问题的(12]。基于有限元理论的小变形几何方程和平衡条件不再是合适的几何非线性。一般来说,主要有两种方法来描述大变形问题,物料描述(拉格朗日描述)和空间描述(欧拉描述)13]。在最初的时间坐标的数量点是(),就运动后。点的运动可以表示为如下方程:

上述方程的拉格朗日描述用于本文探讨了运动和变形使用一个特定的点的运动。之前的配置对象变形已经知道,也作为参考模型。变形后的配置对象由有限元法计算。目前,一对二等Piola-kirchhoff应力张量和Lagrant-Green应变张量被广泛用于表达能源项目使用有限元方法解决非线性问题。这两张量以初始配置为参考配置。头皮软组织扩张的解决步骤和有限元方法如下。

2.1。离散等参数单元插值

初始配置,其几何形状的内部单位与单位点的坐标插值。此外,单位位移也得到相同的插值函数如下: 在哪里点的坐标吗在变形的方向,点的位移的方向,是单位点的数量。他们可以被表示成向量,和,,在那里是一个单位矩阵和是一个形状函数矩阵。向量是坐标向量的初始点和单位单位点的位移矢量。他们都是在维度。

2.2。应变矩阵的推导

应变的应变张量矩阵是由绿色。首先,绿色的应变张量是由两个部分,线性部分和非线性部分。所以,有和。之间的转换矩阵吗和;也就是说,。之间的转换矩阵吗和,。详细的求解过程和描述如下: 在哪里是一个位移梯度矩阵,是一个矩阵,0代表一个零矩阵。然后可以在下列方程计算。这是,在那里获得的是

2.3。系统平衡方程

一个三角形组成的三分,二等Piola-kirchhoff应力张量可以被描述为。体力负荷和表面力加载,分别表示为,。系统平衡方程的定义是使用虚功方程 在矩阵结合位移矢量元素的总位移矢量通过方程的有限元系统。整个系统的平衡方程可以被定义为(7),通过增加总单元平衡方程作为(6)

解决(7),头皮本构模型需要介绍和定义如下14]: 在哪里代表了应变能密度,代表第一个应变不变量,,,拉伸变量,分别在方向,,,,表示参数扩展器。因为头皮本构模型是一个模型和超弹性材料,头皮被定义为超弹性材料。考虑到外力无关与材料的变形路径,,,。对于不可压缩材料,。率形式的本构方程的推导可以得到变形变量

在哪里时间的推导是二等Piola-kirchhoff应力张量,由格林应变张量的推导,然后呢切线模量张量。对于一个三维模型,对象区域和边界。等效节点荷载可以得到有限元系统的结合与平衡方程描述以下方程:

2.4。系统切线刚度矩阵

一般来说,很难获得准确的刚度矩阵为非线性材料,所以刚度矩阵可以取代了切线刚度矩阵是应力-应变曲线切线的定义如下: 在哪里和。是一个切线刚度矩阵与本构矩阵,是一个通用的小位移刚度矩阵,只包括一个线性或二次项是由一个大位移,和是一个切线刚度矩阵由压力吗 在公式(12)接触单元应力张量和应变张量,代表。可以计算(13) 在哪里是位移梯度向量的变换矩阵和单元节点位移向量。

2.5。用牛顿法求解方程

步骤1。解决线性弹性问题首先,近似解是获得。是系统的总位移矢量有限元法。

步骤2。计算矩阵从基于(4)。位移梯度向量。计算通过基于的定义和。然后,计算和基于头皮本构模型和

步骤3。得到不平衡力通过左边的部分(9)-正确的部分(9 b)。得到通过和。

步骤4。解决切线刚度矩阵(11)(13)。

第5步。通过计算修正位移。得到第二次近似解。

步骤6。在迭代从步骤2步5直到是足够小。

2.6。加载和边界条件

扩张器通常设置在缺陷附近区域的病人。包装头皮扩张器的压力是由液体膨胀机和方向的压力是正常扩张器的表面。因此,头皮接触部分的压力是一样的膨胀机的压力,这是设置为30 N /厘米²在这篇文章中。此外,扩张器是设置为常数一般椭球的三轴比例是1.53:1:1。假设虚拟椭球的体积为零,虚拟椭球的中心点是特定区域的中心。在头皮变形,椭球膨胀和它的体积增加。中心点之间的距离和头皮表面计算来决定虚拟椭球和头皮表面是否虚拟椭球和头皮表面是否联系了。

3所示。实验结果和分析

3.1。实验结果

仿真是基于大变形的头皮扩张和加载和边界条件。八个步骤是设置在软件有限元分析和每一步的时间是0.04秒。初始状态和主要流程如图8步骤的结果3。

3.2。应力应变分析

颜色在图3代表了平均应力分布:红色表示最大和蓝色表示最低。很明显,压力相对较大的范围和应力降低从顶部头皮头皮的底部。选择五个四面体和每个四面体的四个点的平均strain-time关系图所示4。

如图4四面体的压力1 3或4面积比边上的四面体5从0到0.016。当扩张器植入头部,头皮的下行压力大,紧张的四面体5是限制,和四面体1,2,3,4周围向外扩张。然后,当膨胀应变的边缘区域增长和扩张器的体积增加,扩张的头皮变得明显。因此,应变的四面体5四面体的增加速度超过了1,2,3,4。限制的固定头皮,四面体1和2的压力很小。四面体3的压力相对较大的角落位置。四面体4的应变是无论是大还是小中产层的位置。

3.3。区域分析

在扩张之前,头皮的坐标曲面模型是随机获得的。然后,这些点连接在三角洲实时使用德劳内三角测量方法(15),计算每个三角形的面积。积累后,缺陷的面积是4266.04毫米²最后。这个过程如图5和6。

由软件计算结果的过程有限元分析,变形后头皮的面积如表所示1。

将扩张器后,皮肤会发生收缩现象。收缩将基于30%的医疗经验,所以需要新的皮肤约1.43倍。实验结束后,面积增加到6789.54毫米²缺陷面积的1.59倍(4266.04毫米吗²)。考虑到可利用的新皮肤的效率,可以满足手术。

3.4。容量分析

为了估计头皮组织的操作所需的体积扩张,每一步的变形处理软件和体积表所示2。

如表2显示,头部的体积增加442012.12毫米³(442.01212毫升)。它几乎是等于扩张器的体积。所以,450毫升椭球膨胀机是需要植入。结果表明,大变形方法在本文中是有效的。

4所示。结论

组织扩张覆盖软组织缺损是一个很好的选择。成功的重建是取决于提供的精确判断组织的数量扩张来弥补缺陷。三维解剖结构改变情况的弹性和收缩扩张皮瓣使它很难准确预测大小适当的植入物和皮瓣的大小来弥补缺陷。

基于小变形有限元法和线性弹性问题,一个新颖的解决方案提出了大变形的头皮扩张。然后,具体步骤来实现头皮组织扩张过程有限元方法详细给出。头皮组织模拟作为一个壳有一定的厚度和分为四面体网格。大变形的变形结果证明解决方案是有效的。然后,在变形过程中应力分析,和体积和头皮的面积是准确计算。与该方法、数量、放置位置、数量、大小和预计成功。

然而,该模型用于近似瓣收缩是粗糙的,而且它并不考虑其他变量如皮瓣厚度和扩张的时间这将使收缩的速度不同。进一步的研究需要使模型更加准确。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(61173096,61173096,61173096,61103140)和浙江省科学技术厅(2010 c33095和2014 c33110)。