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局部皮瓣三维有限元模型的建立及其生物力学规律的模拟分析

作　者: 张昭
导　师: 栾杰；李彦生；景作军；穆兰花；范飞
学　校: 北京协和医学院
专　业: 外科学
关键词: 局部皮瓣 皮肤生物力学特性 三维有限元分析 计算机辅助设计
分类号: R622
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


1.目的获取人体皮肤生物力学参数。建立临床常用的四种局部皮瓣的三维有限元简化模型和局部皮瓣的三维有限元仿真模型。模拟局部皮瓣手术区域在手术中、手术后的皮肤变形情况。通过模拟寻找局部皮瓣转移、缝合过程中的力学变化规律,辅助临床进行术前皮瓣设计,提高皮瓣利用率,减少并发症。2.方法利用手术废弃的人体皮肤试件进行皮肤的生物力学参数测定试验。利用三维有限元软件MSC.Marc/Mentat 2005建立局部皮瓣的三维有限元模型,包括四种临床常用的局部皮瓣的三维有限元简化模型,分别为：推进皮瓣模型、旋转皮瓣模型、菱形皮瓣模型、“Z”改形皮瓣模型。对患者手术区域的皮肤进行三维扫描得到三维立体图像,利用三维图像操作软件Geomagic Studio 8.0和三维有限元软件MSC.Marc/Mentat 2005建立真实病例的局部皮瓣三维有限元仿真模型。将皮肤的生物力学参数代入建立的各皮瓣模型,通过对模型上的节点施加精确位移值模拟各皮瓣在手术中的位移、缝合过程,计算手术区域内部位移约束释放后皮肤的变形情况,计算术后区域皮肤应力、手术切口张力,绘制相应的应力、张力分布云图。对于同一类型的局部皮瓣模型,通过改变切口位置、缺损范围、皮肤材料属性等,对比分析这些因素对术后效果的影响。3.结果根据试验数据绘制出了人体皮肤的应力-应变曲线。根据局部皮瓣三维有限元模型模拟计算的结果,以云图的方式绘制出了局部皮瓣手术的术中和术后区域皮肤的位移图、应力大小和分布图、切口张力大小和分布图。根据改变切口位置、缺损范围、皮肽材料属性模拟的局部皮瓣术后结果显示：1)局部推进皮瓣在皮瓣伸长比例达到或超过50%时将超过屈服极限发生塑性形变。2)圆心角为60°的扇形旋转皮瓣在皮瓣旋转角度超过30°时将可能超过屈服极限发生塑性形变。3)夹角为60°的“Z”改型局部皮瓣虽然可以获得更大的延长率,但其术后区域应力值、切口张力值都要明显高于夹角为45°的皮瓣。4)采用人体额部皮肤材料参数的局部皮瓣模型术后的最大区域应力值、最大切口张力值都要明显高于股前区皮肽材料参数的局部皮瓣模型。5)局部皮瓣三维有限元仿真模型可以较准确地模拟预测患者皮肤变形情况、张力分布情况。4.结论人体皮肤的应力-应变曲线呈非线性关系。在不考虑血运的情况下,局部推进皮瓣伸长比例应控制在40%范围内。在不考虑血运的情况下,圆心角为60°的扇形旋转皮瓣的皮瓣旋转角度不应超过30°。对于“Z”改形皮瓣,夹角为60°的皮瓣比夹角为45°的皮瓣能更好地减轻瘢痕线方向的皮肤应力和张力。不同部位的皮肤,即使手术切口的设计完全一致,术后的区域皮肤血供、成活率也可能会有极大的差异。手术区域的表面轮廓和切口的设计方案是决定局部皮瓣术后应力分布方向、切口张力集中区域的因素,而与皮肤的材料参数无关。利用三维有限元方法及人体皮肤生物力学参数模拟分析局部皮瓣是可行的。个性化不规则局部皮瓣模型可以较准确地模拟预测患者皮肤变形情况、张力分布情况等。

全文目录


中文摘要  5-7
英文摘要  7-9
第一章 文献综述  9-15
  一. 局部皮瓣三维有限元模型的研究背景和意义  9-12
  二. 皮肤的生物力学特性  12-13
  三. 三维有限元软件MSC.Marc/Mentat 2005介绍  13-15
第二章 人体皮肤生物力学参数测定试验  15-17
  一. 研究材料和设备  15
  二. 研究方法  15
  三. 试验结果  15-16
  四. 结论  16-17
第三章 局部皮瓣的三维有限元简化模型  17-30
  一. 试验一:局部推进皮瓣模型的建立及其力学变化规律模拟分析  17-21
    1. 研究设备  17
    2. 研究方法  17-19
    3. 试验结果  19-20
    4. 讨论  20-21
  二. 试验二:局部旋转皮瓣模型的建立及其力学变化规律模拟分析  21-23
    1. 研究设备  21
    2. 研究方法  21-22
    3. 试验结果  22-23
    4. 讨论  23
  三. 试验三:局部菱形皮瓣模型的建立及其力学变化规律模拟分析  23-26
    1. 研究设备  23-24
    2. 研究方法  24-25
    3. 试验结果  25
    4. 讨论  25-26
  四. 试验四:局部菱形皮瓣模型的建立及其力学变化规律模拟分析  26-29
    1. 研究设备  26
    2. 研究方法  26-27
    3. 试验结果  27-28
    4. 讨论  28-29
  五. 本章总结  29-30
第四章 局部皮瓣的三维有限元仿真模型  30-39
  一. 研究对象和试验设备  30-31
  二. 研究方法  31-36
    1. 手术区域皮肤轮廓扫描  31
    2. 修整手术区域的三维立体图像  31-32
    3. 在皮肤模型的基础上建立局部皮瓣的三维有限元仿真模型  32-34
    4. 设置模型的几何属性和材料属性  34
    5. 设置边界条件  34-35
    6. 接触设置  35
    7. 定义载荷工况并计算  35-36
    8. 定义局部皮瓣仿真模型的模拟分析  36
  三. 试验结果  36-37
  四. 讨论  37-39
第五章 总结与展望  39-41
参考文献  41-44
附录  44-65
  一. 论文所涉及的图片  44-64
  二. 论文所涉及的表格  64-65
致谢  65-66

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中图分类: > 医药、卫生 > 外科学 > 整形外科学（修复外科学） > 整形手术学
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