沿不同缝合方向皮肤应力的有限元分析资料

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1、沿不同缝合方向皮肤应力的有限元分析研究原著吕 营1，安美文1，侯春胜2(1太原理工大学，应用力学与生物医学工程研究所，山西省太原市 030024 ；2太钢总医院，山西省烧伤救治 中心，山西省太原市 030009)引用本文：吕营，安美文，侯春胜沿不同缝合方向皮肤应力的有限元分析J中国组织工程研究,2017, 21：609-614.DOI:10.3969/j.issn.2095-4344.2017.04.020ORCID: 0000-0002-2818-4361(吕营)文章快速阅读：单纯间断缝合不同缝合方向皮肤伤的应力分布.行猪背皮肤单轴拉伸试验。.利用ABAQUS建立正交各向异性的皮肤伤模型。厂

2、、4种模型：(1) 沿朗格氏线方向伤口；(2) 垂直朗格氏线方向伤口；(3) 偏转朗格氏线方向30。伤口；04)偏转朗格氏线方向45伤口。丿a实验结果：| I指标检测：临床手术切宜沿着朗格氏线方向，除此之外，切口计算单纯间断缝合沿不同缝J扁转朗格氏线一定的角度也可以减小缝合应力。JI合方向皮肤伤的应力分布。丿文题释义： 瘢痕组织：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。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，忽略了外界环境，尤其是伤所处的力学 环境的作用。有资料显示，张力或力学因素在决定伤最终外观的过程中具有重要作用，且实际中临床

3、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。瘢痕疙瘩治疗的有限元模拟：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。但是，这些方法和改进完全依赖于医生的临床经验，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。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。摘要背景：力学因素在皮肤伤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

4、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 伤模型，并计算沿不同缝合方向皮肤伤的应力分布。结果与结论：皮肤的各向异性对皮肤伤缝合应力影响明显，沿朗格氏线(Langerslines方向的弹性模量 大于其垂直方向的弹性模量；伤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、垂直朗格氏线方向伤的顺序依次增大；结果提示，临床手术切宜沿着朗格氏线方向

5、, 除此之外，切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；国家自然科学基金主题词： 瘢痕；瘢痕疙瘩；应力，物理；有限元分析；组织工程 基金资助：国家自然科学基金(11372208)；山西省自然科学基金(2013011002-4)吕营，太原理工大学，应 用力学与生物医学工程研 究所，山西省太原市 030024通讯作者：安美文，博士 生导师，教授，太原理工 大学，应用力学与生物医 学工程研究所，山西省太 原市 030024中图分类号:R318文献标识码:B文章编号：2095-4344(2017)04-00609-06 稿

6、件接受：2016-12-01Lv Ying, Taiyuan University of Technology, Institute of Applied Mechanics and Biomedical Engineering, Taiyuan 030024, ShanxiProvince, ChinaFinite element analysis of skin closure stress in different directionsCorresponding author:Lv Ying1, An Mei-wen1, Hou Chun-sheng 2 (1Taiyuan Univer

7、sity of Technology, Institute of Applied Mechanics Biomedical Engineering, Taiyuan 030024, Shanxi Province, Chi2Gnean;eral Hospital of TISCO, Burn Center of Shanxi Province, Taiyuan 030009, Shanxi Province, China)An Mei-wen, Doctoral nd supervisor, Professor,Taiyuan University ofTechnology, Institut

8、e ofAbstractApplied Mechanics andBiomedical Engineering,BACKGROUND:Mechanical factors play an important role in wound healing and scar formation. Finite eleTmaieynutan 030024, Shanximodel is established to stimulate, analyze and optimize different sutures, which has become a hotspot toPrgouvidncee,

9、Chinasurgies accurately.OBJECTIVE: To analyze the stress distribution of different simple interrupted suturing directions on the skin wound by establishing the skin finite element model, and to provide basic data for the study of scar formation.METHODS:Porcine back skin uniaxial tensile test was per

10、formed to provide reference for the mechanical properties ofhuman skin. Orthotropic skin wound model was established using ABAQUS to calculate the stress distribution on the wound in different suturing directions.RESULTS AND CONCLUSION:The anisotropic mechanical properties of skin wound influenced t

11、he suture stresssignificantly. The elastic modulus along the Langers line was larger than that in the vertical direction. The stress increased orderliyn the Langers line direction, the Langers line deflected 30, bias Langers line 45 and vertical Langers line. These results suggest that the clinical

12、incisbieonmasdheoualdong the Langers line direction.Additionally, the cut at an angle with Langers lineedcuacneatlhseo srtress of suture.Subject headings:Cicatrix; Keloid; Stress, Mechanical; Finite Element Analysis; Tissue EngineeringFunding: the National Natural Science Foundation of China, No. 11

13、372208; the Natural Science Foundation of Shanxi Province, No. 2013011002-4Cite this articlLev: Y, An MW, Hou CS. Finite element analysis of skin closure stress in different directions. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2017;21(4):609-614.0 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

14、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2-7，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

15、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11-13， 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

16、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

17、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29-31例如Z改型术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

18、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 methods1.1 设计 对比观察实验。1.2 材料 为得到本文模拟分

19、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 554型4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。Figure 1 Simple interrupted suture本文用二

20、维平面模拟尺寸100 mmx 140 mm的皮肤组 织，平面中部留有0.8 mm宽的缺代表伤，缺两侧沿 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、垂直朗格氏线方向伤、偏转朗格 氏线方向30和偏转朗格氏线方向45。伤进行缝合模拟， 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。图2四种伤模型Figure 2 Four kinds of Wound models图注：图A为沿朗格氏线方向伤口；

21、 B为垂直朗格氏线方向伤口； C 为偏转朗格氏线方向30。伤口； D为偏转朗格氏线方向45。伤口。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。图3 巴马小香猪皮肤试件及实验设备Figure 3 Bama miniature pig skin samples and experimental equipments 图注：图A为猪背皮肤试件；B为instron5544型材料试验机。用Or

22、igins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 皮肤伤模型，并计算沿不同缝合方向皮肤伤的应力分 布。2 结果 Results伤缝合模拟计算结果：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 lines方向的弹 性模量大于其垂直方向的弹性模量，伤缝合应力按照朗 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、垂直朗格氏线方向伤的顺

23、序依次增大， 见图5-12 。3 讨论 DiscussionAkaishi10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，在伤尺寸和缝合方式相同的情况 下，垂直朗格氏线方向伤缝合应力在对应点处比沿朗 格氏线方向伤的缝合应力大，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

24、对于垂直朗格氏线方向的伤，偏转伤方向会减小 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，应尽量使刀方向沿着朗 格氏线，在不便采用此种切的部位，尽量靠近朗格氏线 的斜切也是很好的选择。在剖宫产手术中，横向切比 纵向切的愈合效果好，瘢痕形成少a】，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。0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40图4 猪背皮肤试件实验数据线 性拟合结果Figure 4 The linear relevant fittin

25、g results of porcine back skin sample data图注：图A为猪背皮肤试件横向 单轴拉伸；B为猪背皮肤试件纵向 单轴拉伸。应变应变-0.05图5 沿朗格氏线方向伤口缝合模拟计算结果Figure 5 Calculated results of the incision sutunrgedthaeloLangers line图注：图A为Mises应力最大值121.8 MPa ； B为最大主应力最大值12 8.6 MPa。Ma +1 47心(10彳.DOB0D&; Job al2-4.odb611-PR3 Wd fn 27 03:20. V jMTDe：aO 201

26、6$, Mises SNEG, (fraction -1.0) 41.3486*02 1.326a 03 1.103e*02 9.60601 a.561*0i 7.3S01 0.129O1 +4.903e.0i 3.676e*01 2.452*01 1.226*01 2 8950-03p: 5tap-lrwnant t stepTm- 1XMX) nary Var: S, Max. PrmapaiMak: *L.471a-O2 Eem SXIN-2 5925Node: 76Min: *2.893*-03SKtN-2 2133Node: 236S, Max. Princval SMEO. (fr

27、acoort - -1,0) CAfl； 75*)I+L.94-02 1.419e02+1X)299402 -*900M-*0+7,717e*0+S.14424-3j85B801 *2J3721.0)Max. -1 4578*0? Elam: SK1N-2.5925 Node: 76图8 偏转朗格氏线方向45伤口缝合模拟计算结果Figure 8 Calculated results of the incision sutured wiatnhgl4e5tothe Langers line 图注：图A为Mises应力最大值140 MPa ； B为最大主应力145.7 MPa。E901153903

28、ODB: Job-sl2-l.odb /Ais/Standard 6.11-PR3 Wed Jan 27 05:04: I Ta 15 1 57V Step: Step-1-v / .Increment1: Step TimK=： r.ODQPrimary V拥日禺 wlsSe+O?1 :Deformed Vmr: U Deformation Scale Fmctur: +3,182e+00512 29fees 641.328621p331QZ0169E 9.301Q.4012 548Max: +1.218e+02 Elem: SKIN-2.5925 Node: 76Sj MisesSNEGj

29、 (fraction = -1,0) (Avg: 75%)I+li218s+02 + 1.117e+02 + 1.015e+02 +9.136e+01 +8.121e+01 +7.106e+01 +6.091e+01 +5.076e+01 +4.061e+01 +3.0 斗 5e+01 +2.030e+01 + 1.015e+01 +2.236e-0312. 9778720. 51739930.485426424. 2074850. 51663760.6920937121. 811780. 34295190. 3764=3810107. 3106110.379858120.4=00709136

30、5. 3525114：0.349399150. 455221695. 10165170.320736180.3649861968. 30708200.569756210. 515862222.15209230.4=7736824：0.660068253.020308图9 沿朗格氏线方向伤口缝合应力输出路径Figure 9 Output pathway of stress in the wound sutured along Langers line图注：从伤下端点开始，每隔两个node选取一个缝合“针孔”终 点为伤上端点。共选取25个node，其中代表针孔的为第4, 7, 10, 13, 16

31、, 19, 22 个node。图10 Mises应力沿图9所示路径的分布Figure 10 Mises stress distribution in the Wound sutured along the theLangers line图注：峰值对应的Number 值为 1, 4, 7, 10, 13, 16, 19, 22,25。应力值分别为3.0, 24.2, 121.8, 107, 65.4, 95.1, 68.3, 22.2,3.0 MPa,平均值为 56.7 MPa。S, MisesSNEG, (fraction = -1,0) (Avg: 75%)+ 1.471e+02 + 1.3

32、48e+02 + 1.226e+02 + 1.103e+02 +9.8066+01 +Bi581g+01 +7.3556+01 +6.129e+01 +4.g03e+01 +3.6708+01 +2.452e+01 + 1.226e+01 +2.8g5e-03MaxMax: +1.471e+02Elem: SKIN-2.5925Node: 76ODB: Job-sl2-4.odb Abaqus/Standmrd 5.11-PR3 Wed Jan 27 02:26:57 GMT+08:00 2D1 &13.17778220. 48304130. 4568294：29. 7638850. 5734

33、0460. 7084667147. 09680. 40141290. 40709510134.1896110. 412839120. 4321371380. 76614140. 374672150. 500316119. 8053170. 358505180. 4314841979. 21494200. 60144：5210. 5872172227.1042230. 448542240. 585308253. 225937=4*-1rtmXYData-2123 45678 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25NumberXYData

34、-27 Step： Step-l图11垂直朗格氏线方向伤缝合应力输出路径Figure 11 Output pathWay of stress in the Wound sutured perpendicular ttohe Langers line图注：从伤左端点开始，每隔两个node选取一个缝合“针孔”终 点为伤右端点。共选取25个node，其中代表针孔的为第4, 7, 10, 13, 16, 19, 22 个node。图12 Mises应力沿图11所述路径的分布Figure 12 Mises stress distribution in the Wound sutured perpendi

35、cular to the Langers line图注：峰值对应的 Number 值为 1, 4, 7, 10, 13, 16, 19, 22, 25。应力值分别为3.2,29.8,147.1,134.2,80.8,119.8,79.2 27.1, 3.2 MPa，平均值为 69.4 MPa。图13 人体朗格氏线分 布图Figure 13 Distribution of Langers lines in human body图14单纯连续缝合及八字缝合示 意图Figure 14 Schematic diagram of simple continuous suture and“8”haped

36、suture图注：图A为单纯连续缝合法；B 为外“8”字与内“8”字缝合法。孟繁君等39在对瘢痕采取一次性切除缝合时指出,如 果切方向顺皮纹即沿着朗格氏线方向），采用直线切口 ； 如果切与皮纹方向垂直，采用锯齿状切。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 方向的伤缝合，可以采用缝合线不垂直于伤长度的方 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14人）、8字缝合图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。作者贡献：所有作

37、者均参与实验的设计、实施及评估,均经过正 规培训。利益冲突：所有作者共同认可文章无相关利益冲突。伦理问题：实验方案中有关动物伦理问题已经太原理工大学实验 动物伦理委员会讨论批准。文章查重：文章出版前已经过CNKI反剽窃文献检测系统进行3 次查重。文章外审：文章经国内小同行外审专家双盲外审,符合本刊发稿宗旨。 19作者声明：文章第一作者对研究和撰写的论文中出现的不端行为 承担责任。论文中涉及的原始图片、数据(包括计算机数据库)记录及 样本已按照有关规定保存、分享和销毁，可接受核查。文章版权：文章出版前杂志已与全体作者授权人签署了版权相关20协议。开放获取声明：这是一篇开放获取文章，文章出版前杂志

38、已与全21体作者授权人签署了版权相关协议。根据知识共享许可协议“署名 -非商业性使用-相同方式共享3.0”条款，在合理引用的情况下，允许 22 他人以非商业性目的基于原文内容编辑、调整和扩展，同时允许任何 用户阅读、下载、拷贝、传递、打印、检索、超级链接该文献，并为 23 之建立索引，用作软件的输入数据或其它任何合法用途。244 参考文献 References1 戴跃瘢痕组织的生物力学特性研究D吉林大学，2013.2 Ketchum LD, Colhen IK, Maters FW. Hypertrophic scars and3Keloid:A collective review.Plast

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