沿不同缝合方向皮肤应力的有限元分析

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摘要：

背景:力学因素在皮肤伤口愈合和瘢痕形成的过程中有重要作用。目前利用有限元方法模拟、分析及优化各种缝合方式并精确指导外科手术, 成为一个重要课题。目的:通过建立皮肤有限元模型, 分析单纯间断缝合不同缝合方向的皮肤伤口应力分布, 为研究瘢痕的形成提供基础数据。方法:通过猪背皮肤单轴拉伸试验, 为人体皮肤力学性能提供参考;利用ABAQUS建立正交各向异性的皮肤伤口模型, 并计算沿不同缝合方向皮肤伤口的应力分布。结果与结论: (1) 皮肤的各向异性对皮肤伤口缝合应力影响明显, 沿朗格氏线 (Langer's lines) 方向的弹性模量大于其垂直方向的弹性模量; (2) 伤口缝合应力按照朗格氏线方向伤口、朗格氏线方向偏转30°伤口、朗格氏线方向偏转45°伤口、垂直朗格氏线方向伤口的顺序依次增大; (3) 结果提示, 临床手术切口宜沿着朗格氏线方向, 除此之外, 切口偏转朗格氏线一定的角度也可以减小缝合应力。

关键词：组织构建; 组织工程; 伤口; 瘢痕; 缝合; 有限元分析; 各向异性; 朗格氏线

引言Introduction

皮肤是人体第一道生理防线, 当其受到创伤时, 例如外伤、手术、疾病等, 会形成不同程度的瘢痕组织, 对皮肤的正常功能和美观造成影响。瘢痕组织是人体创伤修复过程中必然产物, 其生长可以促使创伤愈合[1]。目前, 对于瘢痕组织形成机制的研究主要集中在相关细胞或者细胞因子对瘢痕形成的影响[2,3,4,5,6,7], 忽略了外界环境, 尤其是伤口所处的力学环境的作用。有资料显示, 张力或力学因素在决定伤口最终外观的过程中具有重要作用, 且实际中临床上瘢痕组织的多发部位多是人体皮肤表面拉应力较大的区域, 如前胸、下腹、耻骨上区等[8]。Candy等[9]对采用压力疗法治疗增生性瘢痕时的压力值进行了研究, 发现一定数值的压力对预防和治疗增生性瘢痕有积极意义, 而且适当的高压比低压效果明显。Akaishi[10]通过对缝合区域内应力分布的研究, 发现瘢痕瘤在低应力的位置增生减少, 揭示了瘢痕瘤边缘的应力较高, 而瘢痕瘤中心的应力较低。瘢痕瘤在皮肤拉伸的方向扩展, 并且瘢痕瘤周围皮肤硬度的分布与皮肤张力直接相关。因此, 分析皮肤伤口的应力状态, 对于探索瘢痕组织的形成机制具有重要意义。

有限元分析在生物力学研究中的应用越来越广泛[11,12,13], 张昭等[14]建立了局部推进皮瓣的三维有限元模型, 并验证了利用有限元方法及人体皮肤生物力学参数模拟分析推进皮瓣具有可行性, 提出皮瓣伸长比例应控制在40%以内;也有资料显示, 皮肤组织在扩张后, 其生物力学特性会发生明显变化[15], 此结果可以与前文较好地相互印证。华歆[16]利用试验、有限元模拟和算法优化相结合的方法, 反求出碰撞试验假人头部皮肤和膝部皮肤的最优材料参数, 为碰撞试验和有限元模拟提供了合理的契合点。以上实践证明, 有限元法在人体结构以及皮肤缝合的生物力学分析上是可行而且可靠的;有限元模拟分析结果可以与实验结果相互印证, 甚至可以在一定程度上代替难以实现的实验。

对于瘢痕疙瘩的临床治疗, 目前有手术[17,18]、压力疗法[19,20]、封闭、冷冻疗法[21,22]、激光[23,24]、药物疗法[25]、营养阻断、硅凝胶防治法等方法[26], 但是没有单一的某项方法能够一劳永逸, 因此, 预防瘢痕疙瘩的形成、阻止瘢痕组织过度增生, 具有十分重要的意义。目前医生在临床实践中往往根据经验采取相对合理的缝合方式减小瘢痕形成的可能性。比如采用新型的缝合线[27,28]、皮内缝合法和各类改型缝合法[29,30,31], 例如Z改型术[32]、W改型术和局部皮瓣转移术[33,34]。这些方法在减小缝合应力, 减少瘢痕形成方面效果明显。而简单可靠、应用最广泛的单纯间断缝合法在临床实践中也在不断改进。张晓红[35]对单纯间断缝合法进行了如下改进:首先采用较小的缝合边距和针距, 再用短于针距1.0-2.0 mm的输液器细管套在皮肤表面的缝合线上, 由此减小了缝合应力, 改善了应力分布, 取得了较好的效果。但是, 这些方法和改进完全依赖于外科医生的临床经验, 不具备科学的严谨性和稳定性。因此, 利用有限元方法模拟、分析及优化各种缝合方式, 并精确指导外科手术, 成为一个重要课题。孙靖超等[36]运用有限元法分析了采用单纯间断缝合时, 不同形状、尺寸的伤口采用不同缝合密度情况下缝合应力的分布, 得出当缝合时伤口变形较小、缝合密度适当增大时, 缝合应力较小且分布均匀的结论, 对于临床实践具有指导意义, 但是未涉及皮肤材料的各向异性带来的影响。

文章将进一步分析采用单纯间断缝合方式时, 不同的缝合方向对各向异性皮肤材料缝合应力的影响, 并探索更为合理的缝合方式, 为下一步分析瘢痕形成机制和临床应用提供基础数据。

1 材料和方法Materials and methods

1.1 设计

对比观察实验。

1.2 材料

为得到本文模拟分析所需皮肤的材料参数, 进行了猪背部皮肤单轴拉伸实验。实验材料取自4只2月龄的巴马小香猪背部皮肤, 均取自右上部。取下的皮肤标本用生理盐水浸泡保存。将皮肤标本制作成装夹后长宽比为5∶1左右的条形试件, 所有试件均在12 h内进行实验, 实验设备为instron 5544型材料试验机。

1.3 方法

1.3.1 伤口缝合模型

单纯间断缝合由于操作简单, 省时省力, 效果稳定, 而成为临床中应用最广泛的缝合方式[37], 每缝一针单独打结, 多用在皮肤、皮下组织、肌肉、腱膜的缝合, 尤其适用于有感染的创口缝合。缝合方式如图1所示。

本文用二维平面模拟尺寸100 mm×140 mm的皮肤组织, 平面中部留有0.8 mm宽的缺口代表伤口, 缺口两侧沿长度方向均匀排列7对“针孔”, 并用强制位移模拟缝合过程。由于皮肤尺寸远大于伤口尺寸, 可以假设皮肤边缘位移为零。皮肤的力学特性具有明显的各向异性, 本文采用沿朗格氏线方向伤口、垂直朗格氏线方向伤口、偏转朗格氏线方向30°和偏转朗格氏线方向45°伤口进行缝合模拟, 缝合密度相同, 对比4种情况下缝合应力的分布, 探求较为合理的缝合方式。4种模型如图2所示, 图中黑色箭头表示朗格氏线方向。

1.3.2 材料参数

巴马小香猪皮肤试件及实验设备见图3。

由于皮肤为各向异性材料, 其生长方向对其力学性能影响明显, 所以实验分别沿着其生长方向和垂直于生长方向进行拉伸。具体分组为沿朗格氏线方向组 (即纵向) 13个试件和垂直朗格氏线方向组 (即横向) 6个试件。

用Origin软件对实验数据线性拟合, 拟合结果见图4, 得到弹性模量的平均数值为:垂直朗格氏线方向弹性模量 (模型的X轴方向) E1=8.893 3 MPa, 沿朗格氏线方向弹性模量 (模型的Y轴方向为) E2=11.76 MPa。

1.4 主要观察指标

利用ABAQUS建立正交各向异性的皮肤伤口模型, 并计算沿不同缝合方向皮肤伤口的应力分布。

2 结果Results

伤口缝合模拟计算结果:皮肤的各向异性对皮肤伤口缝合应力影响明显, 沿朗格氏线 (Langer’s lines) 方向的弹性模量大于其垂直方向的弹性模量, 伤口缝合应力按照朗格氏线方向伤口、朗格氏线方向偏转30°伤口、朗格氏线方向偏转45°伤口、垂直朗格氏线方向伤口的顺序依次增大, 见图5-12。

3 讨论Discussion

Akaishi[10]的研究证实瘢痕形成与皮肤缝合应力的一般规律:缝合应力低的部位瘢痕形成的可能性小, 而缝合应力高的部位往往是瘢痕的边缘。因此, 在实际操作中, 应尽量采取降低缝合应力的缝合方式及缝合方向, 降低瘢痕形成的可能性。

计算结果显示, 在伤口尺寸和缝合方式相同的情况下, 垂直朗格氏线方向伤口缝合应力在对应点处比沿朗格氏线方向伤口的缝合应力大, 应力均值高出22.4%。而与此相应, 沿朗格氏线方向的弹性模量高出垂直朗格氏线方向弹性模量32.2%, 因此, 弹性模量的差异是应力差异的主要影响因素;此外, 缝合应力还与应力集中情况有关。

相对于垂直朗格氏线方向的伤口, 偏转伤口方向会减小缝合应力, 而且角度偏转越大, 缝合应力越小, 应力最小的情况为沿朗格氏线方向的伤口。

综上所述, 在外科手术中, 应尽量使刀口方向沿着朗格氏线, 在不便采用此种切口的部位, 尽量靠近朗格氏线的斜切口也是很好的选择。在剖宫产手术中, 横向切口比纵向切口的愈合效果好, 瘢痕形成少[38], 此现象与人体腹部朗格氏线横向分布相对应, 印证了本文分析结果的正确性。人体朗格氏线分布如图13所示。

孟繁君等[39]在对瘢痕采取一次性切除缝合时指出, 如果切口方向顺皮纹 (即沿着朗格氏线方向) , 采用直线切口;如果切口与皮纹方向垂直, 采用锯齿状切口。锯齿状切口避开了弹性模量最大的缝合方向, 此方法与本文结论中采取斜切口的情况一致。

此外单从减小缝合应力的角度看, 对于垂直朗格氏线方向的伤口缝合, 可以采用缝合线不垂直于伤口长度的方向进行缝合, 使受力方向避开弹性模量最大的方向。在临床实践中, 单纯连续缝合[40] (图14A) 、8字缝合[41] (图14B) 、Z字缝合法都可以达到这种效果, 至于对缝合应力影响的具体程度, 需要进一步的研究。