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颌面部爆炸伤造成颅底继发损伤三维有限元仿真模拟及生物力学分析
周旭华1,2, 朱勋志1, 欧阳荣建1, 曾勇1, 张纲1, 谭颖徽1     
1. 400030 重庆,陆军军医大学(第三军医大学)第二附属医院口腔科;
2. 663600 云南 文山,中国人民解放军31640部队
[摘要] 目的 利用有限元法(finite element method, FEM)构建人颌面部三维有限元模型,仿真模拟颌面部不同部位爆炸伤,对颅底部继发性损伤进行生物力学分析。方法 采集一成年男性头部CT数据,用有限元建模软件建立人颌面骨三维有限元模型;在爆炸当量、距离相同条件下,对颌面部不同部位爆炸伤进行动态仿真模拟;在颅底部选取15个标志点进行生物力学分析。结果 成功模拟出颌面部3个部位受到相同条件冲击波作用时,颌面骨骨折的动态过程、颅底部应力分布及传导情况;爆炸物距鼻尖前方5 cm时,卵圆孔内侧、垂体窝、斜坡等Von Mises应力较大;爆炸物距右眼眶下缘正前方5 cm时,卵圆孔内侧、垂体窝、斜坡等Von Mises应力较大;爆炸物距右侧颧弓正前方5 cm时,右侧蝶骨大翼、右侧卵圆孔内侧、斜坡等Von Mises应力较大。结论 利用FEM可以有效地模拟颌面部爆炸伤的致伤过程,颌面部不同部位受到爆炸冲击波时,应力集中区出现的部位不仅与颅底结构有关,也与应力传导途径有关。
[关键词] 爆炸伤     颌面部     有限元法     颅底损伤     生物力学    
Three-dimensional finite element simulation and biomechanical analysis of maxillofacial blast injuries and secondary injuries to the skull base
ZHOU Xuhua1,2, ZHU Xunzhi1, OUYANG Rongjian1, ZENG Yong1, ZHANG Gang1, TAN Yinghui1     
1. Department of Oral and Maxillofacial Surgery, Second Affiliated Hospital, Army Medical University (Third Military Medical University), Chongqing, 400037;
2. Troop 31640 of Chinese PLA, Wenshan, Yunnan Province, 663600, China
[Abstract] Objective To construct a three-dimensional finite element model of human maxillofacial structures to dynamically simulate blast injuries in different maxillofacial regions and analyze the biomechanical characteristics of skull base injuries caused by maxillofacial blast injuries. Methods The head CT data were acquired from a normal male adult and a three-dimensional finite element model of the maxillofacial bones was constructed using finite element modeling software. Using the same parameters of blast yield and distance, we dynamically simulated blast injuries in different maxillofacial regions on this model and analyzed the biomechanical data at 15 selected landmarks in the skull base. Results We successfully simulated the dynamic process of maxillofacial fractures and stress distribution and conduction in the skull base using the constructed model. In the events of an explosion at precisely 5 cm from the front of the nasal bone tip and one at 5 cm from the front of the edge of the right orbit, the stress values of Von Mises at the medial foramen ovale, hypophyseal fossa, clivus and posterior wall of the foramen magnum were greater than those at the other landmarks; when the explosion occurred at 5 cm from the front of the right zygomatic arch, the right greater wing of the sphenoid bone, right medial foramen ovale, hypophyseal fossa, clivus and posterior wall of the foramen magnum sustained greater stress values of Von Mises. Conclusion Finite element modeling is capable of simulating the process of maxillofacial blast injuries. Blast wave impact in different maxillofacial regions results in stress concentration in different areas in relation not only to the structure of skull base but also to the stress conduction pathway.
[Key words] blast injury     maxillofacial     finite element method     skull base injuries     biomechanics    

无论是战争还是日常生产,炸药的使用日趋广泛,发生爆炸伤的概率也明显增大。因为颌面部位于人体比较暴露的位置,在爆炸中受损伤的概率较大。因颌骨与颅底骨性连接,颌面部遭受爆炸冲击波的冲击时,颅底部常会受到损伤[1-2]。在伊拉克和阿富汗战争中,与爆炸有关的颅脑损伤的患者数量可能高达320 000人以上[3]。采用有限元法(finite element method, FEM)研究颌面部爆炸伤可以解决动物实验伦理学困难[4],而且重复性好。目前国内外相关研究较少,本课题组利用FEM建立人颌面部爆炸伤三维有限元模型,并对致伤过程中颅底部的应力传导及其分布情况进行分析,为研究颌面部爆炸伤造成颅底继发损伤的损伤机制提供理论依据和帮助。

1 资料与方法 1.1 人颌面部骨三维有限元模型的建立

招募1名汉族、无口腔颌面部畸形、牙列完整的成年男性志愿者,与志愿者签署知情同意书,已通过伦理审查(临审第2017045号)。用64排螺旋CT(Sensation 64,美国,GE公司)扫描志愿者头部,得到头部医学数字成像和通信(digital imaging and communications in medicine,DICOM)格式的影像数据;将头部DICOM格式的影像数据导入Mimics 17.0(瑞士,Materialise公司),转换成三维模型,得到三维面网格的STL文件;将STL格式文件导入Geomagic Studio 2015(美国,Geomagic公司)进行曲面拟合,得到由光滑NURBS曲面组成的三维实体几何模型,文件格式为IGES;将IGES文件导入HyperMesh14.0(美国,Altair公司)对几何模型进行有限单元网格剖分,炸药、空气等单元的装配,建立完整的有限单元模型(图 1)。

图 1 包含空气域、炸药的人颌面部三维有限元模型

1.2 模型相关参数及边界约束条件等设定

根据查找文献[5-7]得到各部分组织的相关参数(表 1);①边界约束条件的设定:指定空气域的所有外表面为不反射边界条件,关键词为*BOUNDARY_NON_REFLECTING;指定枕骨下方孔处为固定边界条件,关键词为*BOUNDARY_SPC_SET;指定空气、炸药等流体单元与四面体固体单元的流固耦合约束,关键词为*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID。②接触设定:指定四面体固定单元的整体接触,关键词为*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE。③设定沙漏能控制:指定沙漏控制条件为黏度型沙漏控制,关键词为*CONTROL_BULK_VISCOSITY。

表 1 各部分模型组织的材料参数
部位 密度/kg·m-3 杨氏模量/MPa 泊松比 屈服强度/MPa
头骨 1.200×103 13700 0.21 90
上颌骨 1.200×103 13700 0.21 89.6
下颌骨 1.700×103 17300 0.4 100
髁突 1.200×103 1220 0.33 100
牙齿 3.300×103 20290 0.3 200
眼球 1.149×103 5.5 0.42 3
眼部软组织 1.149×103 5.5 0.42 3

1.3 颌面部爆炸伤的动态模拟

将最终得到的模型文件k文件导入LS-DYNA 971R8(美国,LSTC公司)进行动态模拟计算。①工况设定:设定爆炸当量为0.542 4 g的爆炸物在距离鼻尖、右侧眶下缘、右侧颧弓正前方5 cm处爆炸分别为工况一、二、三;爆炸当量的设置主要参考前期课题组的研究[7],在设置爆炸当量时,爆炸物的密度是1 695 kg/m3。因为炸药需要与空气域共节点,才能使爆炸产生的力在节点之间传递,所以炸药当量的大小与空气域单元的体积有关。综合模型效果及计算时间等各方面的考虑,设定空气域单元4 mm×4 mm×2.5 mm,爆炸物体积为4 mm×4 mm×2.5 mm×8个。②计算机配置:个人电脑配置:Intel(R)Core(TM)i7-7500U CPU@,2.70~2.90 GHz处理器,RAM 8G内存,1TB+128GB硬盘。③计算分析阶段:通过模拟固定当量下,爆炸冲击波造成的面部及颅底骨折的动态变化情况,并观察在爆炸冲击过程中,颌面部整体应力分布情况及其应力传导方向,导出颅底及传导路径中的各标志点的应力值(图 2)。

A1(a1):蝶骨大翼内侧(140283、159498);A2(a2):蝶骨小翼(237213、473418);A3(a3):蝶骨大翼外侧(289747、321360);B(b):卵圆孔内侧(325350、259065);C(c):三叉神经压迹(165183、235303);D(d):弓状隆起(165526、487588);E:垂体窝(170938);F:斜坡(165844);G:枕骨大孔后侧(393359) 图 2 颅底部各标志点及其单元编号

2 结果 2.1 人颌面部三维有限元模型

成功建立了颌面部骨三维有限元模型。模型几何形态与实体外形一致,包含头颌面部各部位骨组织、颞颌关节等解剖结构,下颌骨髁突与关节窝相连,具有与实体模型一致的力学特征,仿真性高。此模型总共包含:节点510 560个,单元857 848个(其中四面体单元479 404个,六面体单元378 444个)。

2.2 对三种工况下的爆炸伤动态模拟结果的生物力学分析

通过对工况一的有限元模型动态模拟结果(图 3)观察发现:眼球因爆炸冲击波作用破裂,上颌骨、鼻骨、额骨、眶下缘、眶底等未见明显骨折线。面部应力传导:鼻骨→眶内侧→蝶骨→颅底传导,鼻骨→额骨→顶骨→枕骨,应力传导方向与爆炸冲击波方向一致。通过对颅底各标志点的Von Mises应力(表 2)对比发现:①蝶骨大翼Von Mises应力比蝶骨小翼大,同时蝶骨大翼内侧A1(a1)比蝶骨大翼外侧大。②在各标志点中,卵圆孔内侧B(b)、垂体窝E、斜坡F、枕骨大孔后壁为应力集中区。三叉神经压迹、弓状隆起Von Mises应力最小,其与应力传导方向及所在部位骨质厚度有关。

图 3 工况一颌面部骨折动态图(A)、颌面部应力分布云图(B)及颅底应力分布云图(C)

表 2 3种工况颅底各个标志点最大Von Mises应力值比较(MPa)
工况 A1 A2 A3 B C D E F G a1 a2 a3 b c d
工况一 19.9 8.4 15.0 17.1 12.3 7.9 16.4 15.5 54.5 25.5 10.0 14.5 17.0 11.4 4.9
工况二 20.1 5.8 17.2 20.1 12.4 7.5 34.3 25.2 56.7 35.0 11.1 14.2 28.3 12.0 5.4
工况三 21.4 11.2 20.1 21.5 12.9 10.9 47.1 40.7 31.8 30.2 16.2 19.1 42.1 10.6 7.0
A1(a1):蝶骨大翼内侧;A2(a2):蝶骨小翼;A3(a3):蝶骨大翼外侧;B(b):卵圆孔内侧;C(c):三叉神经压迹;D(d):弓状隆起;E:垂体窝;F:斜坡;G:枕骨大孔后侧

通过对工况二的有限元模型动态模拟结果(图 4)观察发现:双侧眼球因爆炸冲击波作用破裂,右侧损伤更加严重。从0.34 ms开始右侧颧弓出现垂直于颧弓的骨折线,从0.423 ms开始左侧下颌骨下颌颈出现横行骨折线,此两处骨折后应力传导中断,颧骨、眼眶、鼻骨、上颌骨等处均未出现骨折。面部应力传导途径主要有2条:①眼眶下缘→眶底→蝶骨→颅底;②眶下缘→颧骨→颧弓向枕后、颅底传导;应力传导方向由右前方向左后方传导,符合爆炸实际情况。通过对颅底各标志点的Von Mises应力对比发现(表 2):在各标志点中,卵圆孔内侧、垂体窝、斜坡为Von Mises应力值较大,为应力集中区;枕骨大孔后壁处的von mises应力从逐渐增大,在1.12 ms时达到最大值。

图 4 工况二颌面部骨折动态图(A)、颌面部应力分布云图(B)及颅底应力分布云图(C)

通过对工况三的有限元模型动态模拟结果(图 5)观察发现:右侧眼球因冲击波作用破裂,左侧眼球未发生破裂。从0.06 ms开始右侧颧弓中部1/3发生骨折断裂,从0.40 ms开始左侧下颌骨下颌颈发生横断骨折,此两处骨折位置应力传导中断。工况三的面部应力传导方向主要有:①颧弓→颧骨→眶底→蝶骨→颅底;②颧骨→眶外侧→额骨→对侧;③颧弓→颞骨→颅底、枕骨;④颧骨→鼻骨、上颌骨→左侧面部传导,应力传导方向由右前方向左后方传导。通过对颅底部各标志点的Von Mises应力对比发现(表 2):①在各标志点中,右侧蝶骨大翼、右侧卵圆孔内侧、垂体窝、斜坡、枕骨大孔后壁Von Mises应力较大,为应力集中区;②蝶骨小翼、三叉神经压迹、弓状隆起的Von Mises应力值最小。

图 5 工况三颌面部骨折动态图(A)、颌面部应力分布云图(B)及颅底应力分布云图(C)

3 讨论

FEM已经广泛应用于医学领域,其中包括用于评估人体肌肉骨骼系统[8-9],骨骼重塑和骨化领域[10-11],骨骼生物力学[12-13]及血管等软组织的生物力学[14-15]

本课题组前期分别建立猪与人的下颌骨爆炸伤有限元模型并进行了动态仿真模拟[7, 16],并用动物实验来验证所建立模型的高仿真性。我们针对本实验所建立的颌面部爆炸伤有限元模型进行了多次动态仿真模拟,并将实验结果与颌面部爆炸伤的典型伤情进行比较。比较结果显示它们之间有相同的骨折模式、骨折线走向。因此判定用FEM所建立的模型比较符合实际,可以用于颌面部爆炸伤造成颅底继发性损伤的生物力学研究。

颅底位于颅腔底部,其间分布有大量孔洞结构,如卵圆孔、圆孔、破裂孔等,是脑部神经、血管出入的重要部位,且骨质比较薄。当颌面部受到爆炸冲击波作用应力将通过颌面部与颅底间的骨连接传导到颅底部,易出现骨折。因此颌面部爆炸伤常伴随着颅脑损伤。颅脑损伤严重程度也不尽相同,轻者导致轻微的脑震荡[17-18],重者甚至导致患者死亡。通过建立颌面部爆炸伤有限元模型的方法,可以更直观地研究颌面部不同部位爆炸伤造成的颅底损伤的生物力学机制,对颌面部爆炸伤的临床诊治也具有重要意义。

当颌面部的3个不同部位受到爆炸冲击波作用后,颅底部的卵圆孔内侧、垂体窝、斜坡、枕骨大孔后壁都为应力集中区,这是由颅底部的解剖结构所决定的[19],而三叉神经压迹、弓状隆起两处的应力值最小,这与应力传导路径及两处的骨质厚度有关。蝶骨大翼内侧与外侧的Von Mises应力都比蝶骨小翼大,因为在应力从蝶骨向颅底传导过程中,大部分应力是由蝶骨大翼向颅底传导至颅中窝、颅后窝,小部分传导至蝶骨小翼[20]。枕骨大孔后壁的应力值在前两种工况都为最大,但在工况三小于垂体窝。在前两种工况下,枕骨大孔后壁位于应力传导轴上,爆炸冲击波产生的力最终汇于此处,所以为颅底Von Mises应力最大处。但在工况三中枕骨大孔未在应力传导轴上,垂体窝为Von Mises应力最大点。

在这3种工况中,对比颅底各标志点最大Von Mises应力值,发现有多组应力值比较接近,由于工况一、二的部位比较接近,除枕骨大孔后壁等3个标志点的应力值外,其他应力值都比工况三小。工况一、二的应力在传导过程中,都经过颅前窝。颅前窝结构复杂,中央腔室由鼻腔、筛窦和蝶窦组成,形成一褶皱区[21],能缓冲大量能量,有效减少应力传至颅底部,保护颅内容物。而颅前窝外侧骨质明显增厚,并不能缓冲爆炸冲击波能量。因此,当颌面不同部位遭受爆炸冲击波作用时,因为应力传导路线的不同,导致不同工况下各部位应力大小不同。

本研究发现:由于颌面部骨骼本身解剖结构复杂,形状极不规则,比如上颌骨、筛骨、蝶骨、鼻窦、牙槽骨等结构,在划分网格过程中,需要对不能用软件划分的复杂部位花费大量时间进行手动修复,如果后期在仿真运算时出现错误,还需要进行再修复。本实验所建立的几何模型与实体模型一致,具有相同的力学属性,仿真性能比以往模型好[6, 19]。本模型可任意调整炸药的当量、距离、方向,可以模拟更多伤情,比动物模型[22]的建立更加简单方便、重复性更高。在后期的分析阶段,可以运用后期处理软件对实验结果进行各种方式的输出,观察任意单元应力变化时间曲线,为力学分析提供数据支持,处理方式与动物实验相比也更简单。

综上所述,本实验利用FEM建立了人颌面部骨三维有限元爆炸伤模型,能比较直观地展现颌面部受到爆炸冲击波作用时的颅底应力传导、分布情况。但本研究模型未加入皮肤、肌肉等软组织。研究中只关注爆炸冲击波的压力作用,并未考虑到爆炸产生的热能等作用。这些因素导致仿真模拟的结果与真实情况有差距。在今后的研究工作中,要进一步完善这些不足,使仿真模拟结果更加接近真实。

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http://dx.doi.org/10.16016/j.1000-5404.201810154
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周旭华, 朱勋志, 欧阳荣建, 曾勇, 张纲, 谭颖徽.
ZHOU Xuhua, ZHU Xunzhi, OUYANG Rongjian, ZENG Yong, ZHANG Gang, TAN Yinghui.
颌面部爆炸伤造成颅底继发损伤三维有限元仿真模拟及生物力学分析
Three-dimensional finite element simulation and biomechanical analysis of maxillofacial blast injuries and secondary injuries to the skull base
第三军医大学学报, 2019, 41(4): 308-314
Journal of Third Military Medical University, 2019, 41(4): 308-314
http://dx.doi.org/10.16016/j.1000-5404.201810154

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收稿: 2018-10-25
修回: 2018-11-14

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