通过有限元分析定量鼻整形术后鼻尖稳定的最佳球窝支撑尺寸

概要
重要性
小柱撑支架移植物（CSGs）对鼻尖支撑的贡献尚未通过结构力学确定。尚未客观地确定最佳的移植物尺寸。

目标
使用人体鼻子的有限元模型（FEM）来（1）确定CSG对鼻尖支撑的影响，以及（2）确定缝线放置如何有助于尖端支撑。

设计，设置和参与者
由计算机断层扫描渲染由骨，皮肤/软组织和软骨组成的人鼻的多组分FEM。然后，创建不同尺寸的CSG，范围从15×4×1mm到25×8×1mm，并放置在内侧褶皱之间的模型中。针对每个支柱尺寸构建两个FEM：（1）物理附着于鼻柱，内侧骶骨和尾侧隔膜的CSG和（2）不与这些结构直接接触并且在软组织内自由移动的CSG 。还构建了对照模型，其中没有放置移植物。

主要成果和措施
评估每个模型的鼻尖支撑，并计算von Mises应力，反作用力和应变能密度相对于鼻翼软骨的合成分布。

结果
与对照相比，反作用力随着支柱体积的增加而增加，而应变能量密度（通过鼻翼软骨计算）通常随着CSG体积的增加而降低。使用沿着移植物的整个长度具有缝合附件的支柱的模拟比没有任何缝合附件的模型产生更大的反作用力。具有前部缝合线的模型产生类似于完全缝合模型的反作用力，而具有后缝合线的模型显示出与完全断开模型类似的反作用力。

结论和相关性
插入CSG确实会影响鼻尖可以承受鼻整形术后的力量。此外，前部放置的缝线引起类似于完全连接到鼻翼软骨的支柱的反作用力。因此，作者的模拟与临床实践一致，稳定性随着移植物大小和固定而增加，并且缝线应沿着整个CSG或最前部放置以获得最佳支撑。

在鼻整形术中，长期积极结果的最重要和最困难的决定因素之一是维持鼻尖支撑。 Anderson构成了作者今天对三脚架概念的鼻尖动力学理解的基础。1  Tardy和Brown的工作进一步增强了鼻尖动力学理论，他们将鼻尖支撑结构分为主要和次要类别。保持鼻尖支撑的主要组成部分是小柱结构，其在大多数鼻整形手术中不可避免地受到损害。现在，面部整形外科医生在鼻整形手术后重建小柱是常见的.3一种这样的方法包括插入一个通常由自体间隔软骨构建的小柱支撑移植物（CSG），但也可以使用经皮和肋软骨使用。用于移植物的软骨被切割成矩形区段，其尺寸与患者解剖结构互补，然后沿着隔膜的尾部边缘放置在内侧并且邻接鼻脊。

CSG是开放式鼻整形术的关键组成部分，被认为是维持尖端支撑所必需的。在临床实践中，支柱移植物尺寸来源于可用软骨组织的大小和外科医生的直觉和临床经验，而不是客观分析。以前的研究表明，CSG的正确放置可使鼻尖支持在统计学上显著增加，并通过颅内固定进一步增加.4-7然而，最佳移植物尺寸和理想的颅内缝线放置尚未得到客观分析或报告。由于伦理限制，手术技术的广泛差异，患者解剖结构的差异以及为每位患者产生最佳结果的必要性，进行前瞻性随机临床试验以评估鼻整形结果几乎是不可能的。因此，迄今为止，面部整形手术的大多数临床研究都依赖于专家意见和回顾性数据。当然，由于这些限制，计算机建模可以提供对各种常规手术干预的机械后果的洞​​察，并有助于临床实践。

有限元模型（FEM）已被用于研究几个结构器官的力学，包括关节，脊柱，中耳和鼻中隔，以研究负荷分布和操纵过程中遇到的力.9-16 Manuel等人的先前工作17目标构建由3个软组织成分，骨骼，软骨和皮肤组成的解剖学上精确的多组分有限元组织。 Shamouelian等[18]进一步证明该FEM可用于分析鼻尖支撑背后的结构机制。

在本研究中，作者使用有限元分析来检查移植物的大小，形状和连接（缝线配置）如何影响鼻内支撑。触诊是用于评估鼻尖支撑的物理检查的常规部分，在模型中使用静态负荷模拟，其中鼻尖被压下5mm。由此产生的模拟提供了有关CSG如何影响鼻部力学的信息，并可能有助于鼻尖支持。

方法
Columellar支撑移植物的构造
该研究得到了加州大学欧文分校的机构审查委员会的批准;患者书面知情同意书被免除。使用一系列软件包对单个患者的高分辨率计算机断层扫描（CT）扫描构建FEM，如先前Manuel等人所述。简言之，使用Mimics（Materialise; Materialize NV）呈现软组织和骨骼。 ）。计算机辅助设计软件（Autodesk 3DS Max; Autodesk Inc）用于生成患者特异性和解剖学上正确的隔膜，上部横向和下部鼻翼软骨，然后将这些数据导入Mimics。这个原始模型作为作者的控制，用于与columellar支柱模型进行比较。使用CT扫描中的正交视图作为指导，在Mimics中渲染柱状支柱，并调整相邻软骨以容纳支柱。网格生成和装配在3-Matic（Materialise NV）中执行，然后导入到COMSOL Multiphysics（COMSOL Inc）中，其中分配了材料属性和边界条件。该模型的一个例子可以在图1中看到。


图1
控制有限元Columellar Strut Graft（CSG）模型
A，在鼻翼软骨（白色）之间放置CSG（红色）的基本视图。 B，正面视图。 C，斜视图。使用Materialise Mimics软件（Materialise NV）绘制所有3个面板中的软骨，皮肤和CSG，并在COMSOL Multiphysics（COMSOL Inc）中绘制图像。

使用不同的支柱接枝尺寸创建了总共10个FEM。将每个CSG插入下鼻翼软骨的内侧颈部之间，并使用Mimics三维编辑功能调整其尺寸。长度和宽度变化，而厚度保持恒定在1毫米（表）;最小的移植物测量为15×4×1 mm，最大的移植物为25×8×1 mm。

近似缝线放置
Columellar支柱移植物通常插入内侧颈部并用至少2根缝线固定，所述缝合线沿着柱状支柱的长度放置。为了研究鼻后坐对缝线放置的依赖性，作者制定了25×8×1-mmstrut移植模型的4种变体：完全连接的支柱，前连接的支柱（即朝向鼻尖），后连接的支柱（即，朝向鼻脊）和完全断开的支柱（即，没有任何缝线的支柱放置）。使用Mimics三维编辑功能通过删除或添加中间内侧和尾侧隔膜之间的体素来实现连接模拟缝线放置（图2）。为了本研究的目的，作者将反作用力定义为抵抗鼻尖压迫的力。先前由骶骨和尾部隔膜之间的软骨间连接限定的机械性质被重新定义为软组织材料特性。


图2
关于Alar软骨的支撑放置示意图（紫色）
A，完全连接的柱状支柱移植物（CSG）直接连接到鼻翼软骨。 B，前面附着的CSG。 C，后部附着CSG。前部和后部附着（红色）通过移植物相对于鼻中隔的中点与鼻翼软骨连接的位置来确定。

尖端压缩模拟
在COMSOL Multiphysics中进行模型的有限元分析。线性弹性和各向同性属性分配给皮肤，皮质骨，软骨和柱状支柱模型组件。皮肤，骨骼和软骨的材料特性来自文献，并由Manuel等人参考（表1）.17为模拟鼻尖位移，鼻尖上约10平方毫米的表面被规定为位移向后5毫米。

表格1
软组织力学特性构造有限元模型

Recoil力，von Mises应力和应变能密度
计算每个模型的Von Mises应力分布以及模型应变，以分析鼻尖压缩下的支柱和周围组织。 Von Mises应力是一个标量值，它结合了复杂的三维载荷条件下的法向和剪切应力。

除了识别鼻尖支撑结构上的承重区域外，作者还确定了所有模型的整个模型的反作用力。在体格检查期间主观估计的鼻尖反冲力通过将单轴反作用力（与鼻尖压缩相反的力）整合在抵靠骨的软骨组件上来计算。

应变能量密度，即将材料恢复到其原始形状所需的能量，计算在鼻翼软骨组件和隔膜减去整个支柱体积上。它是一个标量值，反映了变形后结构中的能量存储。通过将组织机械性质从软组织重新分配到软骨的组织来完成支柱的插入。例如，在大支柱与内侧褶皱重叠的情况下，内侧褶皱按比例变小。一般来说，预计较大的CSG会从鼻尖凹陷中吸收更多的能量，并且鼻软骨会吸收更少的能量。相反，人们会期望控制显示出更高的应变能密度，因为鼻软骨会吸收大部分能量。

分析数据以确定2个要点：（1）确定支柱的添加是否不同于对照（无支柱）和（2）以确定支柱的缝线附接是否沿整个内侧皱褶附件变化支柱的长度，仅前部附件，仅后部附件，以及完全脱离 - 使整个鼻尖反作用力产生差异。

结果
支撑尺寸对反冲力和应变能密度的影响
就鼻尖压迫而言，与没有支柱移植物的对照相比，支柱的放置增加了鼻尖反冲力（表2）。如Manuel等人先前报道的那样，对照的承重区域集中在鼻翼，上鼻翼和鼻中隔软骨上。类似地，具有支柱的模型在相同区域中显示承载区域，包括支柱的前部。反作用力随着支柱体积的增加而增加，而应变能密度似乎通常随着支柱体积的增加而减小（表2）。

表2
Columellar Strut Graft特征

a.完全连接的支柱由支柱体积组成。通常，随着支柱的总体积增加，以牛顿为单位测量的反作用力也增加。
支撑附件对后坐力的影响
沿着移植物的整个长度具有附接件的25×8×1-mm支柱产生比完全断开的模型（0.2N的差异）相对更大的反冲力。有趣的是，具有前连接的模型产生的反作用力类似于完全连接模型的模型，而具有后连接的模型仅显示出与完全断开模型类似的反作用力（表2）。

支撑附件的影响：von Mises应力
von Mises应力的表面图表明，鼻软骨的承重区域集中在医疗胸骨，前鼻支柱和下上侧软骨中。软骨的斜视图和基本视图如图3所示，骨骼，皮肤和软组织部分完全透明。红色区域表示大量压力，而蓝色区域表示压力较小。在视野中，最高的压力集中在患者的右侧内侧小腿上。对照的峰值应力为270kPa，25×8×1-mm连接的CSG模型的峰值应力为261kPa。


图3
鼻型斜视图和基底视图中软骨的von Mises应力表面图
A，控制（无支柱）斜视图。 B，完全连接25×8×1-mm柱状支柱移植物（CSG）斜视图。 C，控制基本视图。 D，完全连接25×8×1-mm CSG基本视图。红色区域表示大量压力，而蓝色区域表示压力较小;其他颜色描绘了应力水平的干预谱。值以千帕为单位表示。

与无支撑相比，完全连接的支撑模型在鼻尖处产生更大量的应力（更多的红色区域），特别是鼻翼，上鼻翼和鼻中隔软骨的大部分前部（图3）。在所有模型中，鼻中隔的后部完全不受抑郁症（蓝色区域）的影响。关于von Mises应力分布，前连接的支柱比后连接和断开的支柱产生更大的应力区域（图4）。此外，与后连接模型相比，前连接的支柱模型预测了朝向鼻尖的应力（红色）（图4C）的浓度，后者显示出更加弥散的应力（红色）模式（图4D）。这些结果与反冲力值一致，因为后连接和断开的支柱可以产生比前连接和完全连接的支柱更小的反冲力，因此不能承受那么多的应力。


图4
25×8×1-mm Columellar支柱接枝的von Mises应力表面图
红色区域表示大量压力，而蓝色区域表示压力较小;其他颜色描绘了应力水平的干预谱。值以千磅为单位表示，每个图像下方为牛顿。

最后，在评估支柱本身产生的应力时，作者发现鼻后尖端凹陷显示von Mises应力分布与从斜视和基底软骨视图获得的结果一致。适当地，支柱的最前部分承受了最大的应力（图4）。此外，具有前连接支柱的模型产生比完全断开和后连接模型更高的反冲力（差值0.16N）。

讨论
虽然小柱支柱的功效已在临床上确立多年，但CSG放置对鼻尖稳定性的实际机械影响几乎没有受到详细检查，并且既未使用实际患者几何形状建模也未模拟。在2001年，Beaty等人使用张力计测量尖端反冲的CSG插入相关的鼻尖支撑强度的变化，并证明CSG使沿着小柱的矢量中的鼻尖支撑增加了40％。通过颅内缝线进一步加强。此外，在2010年，Dobratz等人5量化了尸体中各种小柱重建方法的强度，并证明了内侧脚趾与尾部隔膜的连接对于保持鼻尖的最佳支撑至关重要。模拟这种机动的计算模型，或者任何结构性鼻整形移植物都缺乏计算模型。作者小组已经模拟了鼻整形手术中的其他常见动作，但作者专注于模拟软骨切除的效果，这种模拟在计算机模拟中更加简单.15-18计算模型允许参数分析，提供对变化如何通知因子和几何的深入了解可能会改变机械稳定性在本研究中使用FEM，作者估计各种CSG设计响应尖端凹陷的反作用力（尖端反冲力）和应变能密度，目的是了解CSG几何形状的变化和内侧拐点的附着如何影响支撑。

计算反应力并观察到随着支柱体积（立方毫米）增加，这是直观的，因为FEM是线性弹性模型。当比较最小的CSG和最大的CSG时，作者发现反作用力通常随着移植体积而增加，然后达到平台。关于应变能密度，观察到一般模式：随着支柱体积增加，应变能密度降低。应变能量密度是应力应变曲线下的能量的三维类似物。在3个维度中，这在定义上更复杂，但仍然是反映变形后结构中的能量存储的标量值。作者在本研究中受限于小柱几何形状没有变化，并且对于每个评估的病例，该区域中软组织和软骨的总体积是恒定的。通过将组织机械性质从软组织重新分配到软骨的组织来完成支柱的插入。如果大支柱与内侧褶皱重叠，则内侧褶皱按比例缩小。这与实际手术条件形成对比，其中小柱体积随着软骨总含量的增加而增加。这是本模型的内在局限性;替代方案需要对整个鼻小柱复合体进行具有挑战性的重新渲染，这超出了本研究的范围。

关于反作用力，表2中总结的数据表明最佳支柱尺寸和体积并且指向潜在饱和阈值，在该阈值处，由于患者的解剖结构和鼻子尺寸的限制，较大的支柱实际上可能不太有效。在这项研究中，25×8×1-mmstrut占最大的反作用力。该FEM中较大的移植物将超过现实世界的临床移植物尺寸，因此未进行研究，尽管较大的移植物可能在反冲力中产生适度的增量（如果有的话）。显然，这些结果仅对该FEM有特异性，并且不同的患者模型可能导致容纳更大的移植物尺寸。在患者和FEM中，整体鼻尖尺寸也限制了移植物的大小。

作者还发现，缝合线的放置与支柱尺寸同样重要 - 这一概念在作者所知的情况下尚未经过检验。用缝合线将支柱固定到内侧颈部是支柱移植物插入过程中最重要的部分。为了模拟缝合技术的差异，作者创建了4个简单的模型，其中包含了不同类型的内侧褶皱附件。完全连接的模型（CSG与内侧直接接触）产生的反作用力大于完全断开的支柱（CSG与内侧完全脱离）产生的反作用力;这是预期的。部分连接模型的分析表明，最重要的是将CSG的近端/前部缝合到内侧颈部（表2）。然而，沿着支柱的整个区段将另外的缝合线放置到鼻翼软骨上将进一步增强稳定性。在固定于软骨移植物的聚二恶烷酮板的机械研究中也观察到了这一点。19

无论如何，本研究中使用的FEM尚未通过实验验证，并且必须谨慎解释模拟中产生的定量值。使用鼻子的物理模型进行验证目前是作者研究小组的一个活跃焦点。尽管如此，这种现象学模型和方法有可能教导和了解鼻整形术期间的结构行为，并且当用于检查应力和应变分布不易预测的结构框架变化时可能具有重要价值。在过去的几十年中，开放式结构鼻整形术的新技术已经发展并得到更广泛的应用.20,21然而，这些新动作在许多情况下的影响尚不清楚，临床经验可能有限。使用FEM可以帮助指导外科医生如何最好地选择和潜在地优化他们的手术方法。

本研究是未来研究可以建立和改进的基础。该研究的一些局限性包括FEM假定软组织和软骨的线性弹性性质。真正的组织是粘弹性的，关于鼻和面部组织的机械性质的信息有限。此外，使用计算机软件程序从头创建模型的各个组件，例如皮肤，骨骼，软骨，软组织和CSG。因此，手动错误可以解释变化并降低准确性。此外，该模型假设所有软组织成分相同。例如，皮下，脂肪，韧带结构和筋膜不是FEM中的单独实体。这可能会降低模型完全复制实际人类患者所发生情况的能力。此外，该模型基于具有尾部中隔偏差的单个患者的CT扫描。因此，这些结果，例如应力，应变和反作用力的特定值是针对该特定患者而定制的，并且必须谨慎地进行对leptorrhine或platyrrhine鼻的任何推广。尽管如此，总的趋势应该保持真实，不受解剖学差异的影响。

最后，较大和较小支柱之间的相对变化，以及缝合线放置的差异，虽然存在于该模型中，但在人体模型的临床实践中可能或可能不是显著的。一般而言，是否放置支柱的决定是临床的，并且基于多年的临床实践。因此，需要进一步的研究来确定支撑尺寸和缝合线在人类鼻子中的位置的重要性。这可能难以临床研究，因此本模型允许潜在的外推和转化为临床实践。最终，这项研究的模型是一个起点，可以在未来建立一个更精确，包罗万象的模型。

作者的长期目标是最终使用这种方法来增强和进一步个性化鼻整形术。这是作者计划使用有限元分析检查嫁接和结构隆鼻的许多研究中的第一项。正如在肿瘤学中，针对每个人定制和改进患者特异性分子疗法，在鼻整形术中，FEM扫描用于完成许多美学程序的任务。目前在鼻整形术中，外科医生可以使用变形软件在术前模拟结果，并且这种能力增强并改善了传统摄影，墨水和描图纸无法实现的结果。将FEM整合到当前的术前模拟中不仅可以提供更好的整体结果可预测性，还可以使外科医生更好地了解伴随手术操作的结构结果。外科医生将能够分析不同类型的负荷情况下不同移植物，缝合技术和其他手术元素对每个患者的影响，预测应力分布以响应位移，负荷，重力或瘢痕形成的力，然后计算鼻部几何形状的潜在稳态变化。

结论
使用FEM，作者发现CSGs的插入通过增加鼻整形术后触诊时的反作用力来增强鼻子。此外，前部放置的缝线引起类似于完全连接到鼻翼软骨的支柱的反作用力。因此，作者的模拟与临床实践一致，稳定性随着移植物尺寸和固定而增加，并且缝线应沿着整个CSG或最前部分放置到鼻翼软骨以获得最佳尖端支撑。

参考：
Quantifying Optimal Columellar Strut Dimensions for Nasal Tip Stabilization After Rhinoplasty via Finite Element Analysis
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