实现“刮骨疗伤”的疗效

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实现“刮骨疗伤”的疗效 仿真在治疗罹患颅骨畸形的婴幼儿时不仅可缩短手术时长， 同时还能显著降低患者风险。

作者：Marek Gzik，副教授；Wojciech Wolanski，波兰格里维治 西里西亚技术大学机械工程学院应用力学系； Dawid Larysz，医学博士，波兰卡托维兹西里西亚医药大学小儿神经外科系

医疗额骨前囟矢状缝后囟枕骨人字缝顶骨冠状缝额骨缝准备接受校正手术的婴儿

颅缝早闭是一种小儿症状，指患儿颅骨骨板间的接缝在大脑发育完成之前即已闭合，这往往会导致头部畸形，但更严重的是该症状可能会导致发育困难。通过手术分开已闭合的结构可对颅缝早闭进行治疗，但确定在何处下刀以及下刀次数却困难重重。波兰西里西亚技术大学的研究人员采用ANSYS多物理场软件，可减少下刀次数同时实现骨张开。 在进行了20次成功的手术后，西里西亚医药大学的神经外 科医生Dawid larysz报告称，该方案通过缩短手术时间能有助于改善患者的术后效果。

新生儿大脑生长和发育的速度非常快，头九个月大脑的体积就会翻番，三年内长大三倍。颅骨必须迅速扩张才能适应这样的发育生长。正常婴儿的颅骨由多块骨板构成，这些骨板由被称为接缝的纤维性连接分隔开。这些接缝通过延展并长出新骨来配合大脑的发育，从而让颅骨与颅骨内的内在大脑机制同步生长。当接缝闭合时，就会形成坚固的颅骨块。

在患有颅缝早闭的情况下，接缝会过早闭合，从而抑制骨生长和新骨长成，造成大脑沿阻力最小的路径发育。最终，大脑、颅骨和面部形状呈现畸形。严重的颅缝早闭可能导致发育迟缓或智力迟钝。这种概率为每2,000个新生儿中有一例，男性的比率是女性的两倍。在重症情况下，建议采用手术治疗方案。外科医生可让前额骨扁平来提高其柔性，然后再在前额骨中进行被称为截骨术的辐射状切开，使之弱化，目的是让它随着大脑发育而相应变形。在理想的状况下，手术校正应在三到六个月之间进行。

外科医生所面临的挑战是如何开展最少次数的截骨术，在不让颅骨变形或降低其强度的情况下让大脑生长到合适的尺寸。一旦完成截骨术，头骨的各项机械属性应尽量复制正常头骨的机械属性。在术前规划过程中，神经外科医生凭借知识与经验会自然地倾向于采用安全性更高的方案，开展数次截骨术以确保为大脑生长发育预留足够的空间。但是，次数太多的截骨术会拖长手术时间，增大婴儿的手术风险。另一个潜在的后果是可能导致颅骨永久性弱化。

为了确定实现大脑发育所需截骨术的最少次数和手术位置，西里西亚技术大学的研究人员率先使用了有限元分析系统。他们运用mimics®软件，并借助计算机断层扫描(CT)为 婴儿的颅骨生成3D模型。这个由materialise® NV研发的图像 处理套件可通过堆叠医疗图像生成3D模型。随后，研究人 员可将仿真模型导出到ANSYS多物理场软件中进行分析。     通过在MTS Insight 10kN测试台上使用从先前手术中切除的颅骨材料开展物理测试，该团队确定了骨骼的材料属性。

在近期一例患三角头畸形（一种涉及额骨缝融合的特殊类型的颅骨早闭症）的案例中，研究人员为额骨创建了五种方案的3D模型，并将它们导出到ANSYS多物理场软件中。这些设计变量包括原始前额骨、扁平后的前额骨、五次截骨术、六次截骨术和八次截骨术。医生之前确定的是该骨骼需要偏斜20mm才能适应大脑生长发育。通过使用该仿真 软件，分析师确定了每种方案实现20mm偏斜所需的载荷量。

对结构结果进行的分析显示，对于该患者而言，八次截骨术可提供最佳的颅骨校正状况。在不使用仿真的情况下，医生可能会为了确保为大脑生长发育预留足够的空间而开展多次不必要的截骨术。

由于每个颅骨的几何结构不同，因此研究人员对20个患颅骨早闭症的婴儿的颅骨进行了分析。在每一例中，他们都能确定可为大脑发育提供所需空间的最少次数的截骨术。仿真结果不仅帮助外科医生更好地为手术做好准备，而且由于截骨术次数的减少，手术过程本身也显著加快，同时对患儿的手术实施也变得更轻松简便。在每一个患者身上，手术都大获成功，而且这些患儿目前的发育情况都非常好。

手术结果意外地揭示了年龄对校正结果的重要影响。在幼儿三个月大时，颅骨已经变得硬化，会导致需要更多次数的截骨术才能适应大脑的生长。在较早时期开展该手术既可以降低截骨术的次数，同时还能大幅减少手术带来的创伤。本案例示范了如何运用生物力学建模来支持外科手术流程。

除了小儿颅骨外科手术之外，其它领域的外科手术规划也在更广泛地使用生物力学和流体流动建模工具，例如骨种植术、脑动脉瘤手术和软组织修复术等。在每一个类似的仿真案例中，仿真结果都将有助于缩短外科手术的时间，进而实现最佳治疗效果。