2015年5月
中华口腔医学杂志,第50卷第5期 第278页-第285页
尹宁北|吴佳君|陈波|王永前|宋涛|麻恒源
摘要
目的:
研究唇鼻部肌肉解剖、生物力学特征及其相互关系,为唇裂的完美修复奠定基础。
方法:
对8例自然流产胎儿的唇鼻标本进行微型CT扫描,图片使用Mimics软件处理,获得了口轮匝肌和鼻肌的三维模型。结合局部解剖、组织切片制作了唇鼻肌肉三维组态模型,并与组织切片进行对比检验。进行唇鼻部相关肌肉生物力学与体表形变的三维有限元分析,并在263例隐性唇裂手术中应用验证。
结果:
唇鼻部肌肉之间存在紧密联系,共同构成唇鼻肌肉复合体。各组张力线彼此交叉作用,构成唇鼻肌肉张力体系。据此设计了新的唇裂修复术式——唇鼻肌肉三维定向重建术,并在隐性唇裂的临床治疗中取得了满意效果。
结论:
唇鼻肌肉在解剖学、组织学和生物力学之间存在紧密联系,构成了唇鼻肌肉复合体及其肌肉张力体系。唇裂修复应在恢复这一体系的基础上取得更加完善的效果。
正 文
关于唇鼻部肌肉结构的研究以往文献多是对肌肉的大体或显微解剖结构的研究,在此基础上唇裂修复方法也局限于唇部肌肉的对位缝合。由于肌纤维在三维方向上的立体观察手段局限,缺乏关于肌纤维走向细节及其生物力学的研究。本研究在八年来对口轮匝肌、相关鼻唇部肌肉的三维结构及生物力学特征的观察研究,发现唇鼻肌肉间存在张力线分布,而这些张力线与体表形态间存在非常密切的关系。这一发现可作为唇裂修复手术的基础理论补充,为新的唇裂生物力学修复技术提供理论支持。
资料和方法:
1、唇鼻肌肉的影像数据采集
收集8例自然流产胎儿的唇鼻部标本,已经中国医学科学院北京协和医学院整形外科医院医学伦理委员会审查并通过[批准号:(2015)注册第(7)号]。标本经适当修剪后,福尔马林固定48 h,浸泡在3.75%碘-碘化钾水溶液(卢戈液)中染色7 d后微型CT扫描,得到连续断层扫描图像保存成DICOM格式文件(图1)
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三维走行的口轮匝肌和提上唇鼻翼肌的二维投影图
A:口轮匝肌;B:提上唇鼻翼肌
2、唇鼻肌肉模型的三维重建及拟合度检验
在获得的二维图像的基础上用Mimics10.01软件(Materialise,比利时)进行三维重建。将微型CT扫描获得的DICOM格式的图片导入软件,拖动图片分割阈值杆,将阈值区间设定为0 HU,由此得到空白的蒙皮。使用该软件的编辑功能,利用稍细于肌纤维的画笔勾勒出肌纤维的轮廓和走行方向,相同起源、方向的肌纤维用同颜色表示,再通过3D操作命令处理。最后,在蒙皮基础上通过软件计算获得唇鼻部肌肉的三维模型。
为验证三维模型的可靠性,将一个扫描后标本包埋于石蜡块,在冠状面以10 µm的间隔连续切片,经马松染色后,用光学显微镜观察并扫描;同时将重建得到的模型在软件内重新切片并与组织学连续切片匹配对比,发现模型断面上每组肌肉的截面均有组织切片上相应肌肉截面与之对应,证明本模型所模拟的唇鼻肌肉纤维组态具有较高的的仿真度,可用于进一步的三维有限元分析。
为直观显示唇鼻肌纤维在三维空间的相互关系,应用计算机辅助设计软件制作鼻唇肌肉纤维组态模型(图2)。
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上唇肌肉纤维组态模型 A:前面观;B:后面观
3、唇鼻肌肉生物力学与体表形态的三维有限元分析
在唇鼻部肌肉系统三维模型的基础上,采用Catia v5R19 SPO软件(Dassault system,法国)常规几何建模方法建立实体模型。实体模型包括鼻唇部皮肤、鼻唇部肌肉系统、鼻翼软骨和纤维结缔组织共4部分。参照唇鼻部肌肉纤维模型的肌纤维和鼻翼软骨在冠状面、矢状面、水平面的起点、止点、走行方向、弧度、尺寸比例,尽量保证所建模型与Mimics所获得模型的几何相似性;模型各部分之间的腔隙由纤维结缔组织填充。
设定模型中的肌肉及软骨为各项同性的线性材料,皮肤、纤维结缔组织为不可压缩的超弹性材料,本构关系来自拉伸实验及Ogden拟合[1,2,3,4,5]。
将实体模型导入Hypermesh 1.0软件(Altair,美国)行单元网格划分。所有软组织除肌肉系统外,均采用增强的线性四面体单元,即4节点线性四面体(C3D4H),肌肉系统则采用梁单元形式,即2节点梁单元(B31H)。网格边长如下:皮肤为1.5 mm、软骨为1.0 mm、纤维结缔组织为2.0 mm、肌肉系统为0.5 mm。
4、三维有限元模型的模拟
(1)唇裂模型的模拟:全层离断模型的上唇左侧,按肌肉纤维的固有方向对裂隙两侧的所有肌纤维加载力,方向均沿肌纤维的切线并背离裂隙的方向,每组肌肉上加力1 N。通过有限元计算模拟左侧完全性唇裂的结果与临床实际情况比较。
(2)正常唇鼻三维有限元模型加力:进行各组肌力加载时,对肌束加载的肌力均保持在1~2 N。
5、临床手术验证
2007年6月至2012年6月中国医学科学院北京协和医学院整形外科医院整形一科共收治单侧隐性唇裂263例,其中男性158例,女性105例,年龄3个月~36岁,平均37.8个月。患者全部为单侧裂,左侧148例、右侧115例;均为初次接受手术。根据所观察到的结构和有限元分析的结果设计唇鼻肌肉三维定向重建术式,对上述研究的结果进行了初步的临床验证。
结果
1、唇鼻肌肉纤维的影像学结构
观察发现在唇鼻区域,鼻肌、口周部口轮匝肌、提上唇鼻翼提肌肌纤维、口周部口轮匝肌缺乏清晰界限,并非孤立存在,而是相互联系成一个整体。各部分肌纤维之间相互交叉,在已知的整块肌肉起止点基础上,可将其归纳成不同的肌肉条束,这些肌肉条束呈条带状结构(图3,图4)。
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图3 口轮匝肌分支A1':口轮匝肌第一支;A2':第二支;A3':第三支
图4 提上唇鼻翼肌分支 B1:第一支;B2:第二支;B3:第三支
口周部口轮匝肌外形呈扁平扇形,位于上唇的深面。起源于一侧蜗轴,表面呈整体斜向上内侧分布,分成三部分走行,具有不同止点,可以理解为三个不同分支(A1、A2、A3)。A1终止于同侧前鼻嵴下方,移行为鼻中隔降肌,与口唇动作功能有关;A2越过中线在对侧鼻底处和对侧来自鼻翼软骨外侧脚深处的鼻肌翼部相互延续,与鼻底鼻翼的形态直接相关;A3在中线与来自对侧同组肌纤维相互交叉,肌肉纤维大部分止于对侧人中嵴区域的皮肤,小部分终止于对侧人中嵴外侧的皮肤,与人中形态直接相关。
提上唇鼻翼肌位于上唇浅面和侧面,起源于面部,从上外侧方向进入上唇,同样分三部分向内下方向走行(B1、B2、B3)。B1止于同侧人中嵴内侧的皮肤,与人中形态相关;B2在红唇唇峰处与口周部口轮匝肌交错连接,并止于唇峰处皮肤,与唇峰形态位置有关;B3较以上两支小很多,止于同侧唇峰外侧的红唇缘皮肤,与临床所见的唇珠突度有关。
口缘部口轮匝肌位于上唇唇红区的皮肤深层,其深面紧贴红唇黏膜面,起源于一侧蜗轴,行经红唇边缘,在中线处与对侧相互移行。
2、唇鼻肌肉张力线及张力带构成
基于微型CT扫描的二维图片可见,鼻肌翼部、鼻中隔降肌、口轮匝肌、提上唇鼻翼肌肌纤维之间存在紧密联系,共同构成唇鼻肌肉复合体;唇鼻肌肉内部纤维的排列虽然复杂,但具有一定规律;肌肉纤维虽有不同的方向,但存在力学传递(肌肉纤维的平行递进)或相互交叉(肌肉纤维的垂直牵拉支撑)的关系。当肌肉纤维平行递进时,一块肌肉的力量可以通过另一块肌肉递进,经过加强后传递给较远处的皮肤,造成皮肤的形变,将平行递进的肌纤维连接在一起,可称之为张力线;当两组不同方向上的肌肉纤维相互垂直时其张力线之间相互交叉构成张力带,结果是力学原理上的相互支撑和牵拉,导致维持体表的特定形态。
通过对肌肉纤维三维模型的观察,发现存在三个张力带结构。各组张力带通过彼此交叉作用点相互交织联系,共同构成唇鼻肌肉张力体系,并维持唇鼻的特定形态,形成了上唇及鼻部的外观轮廓及细节。根据对外形的影响程度,上唇口轮匝肌肌张力系统可归纳成三个张力带结构:主张力带、第一副张力带、第二副张力带。同一张力带内两个方向的肌肉纤维相互交叉形成力偶,造成组织的形变,达到新的力量平衡维持形态和位置,这就是张力带在唇鼻肌肉复合体内的重要作用。
第一副张力带:起自一侧蜗轴的口周部口轮匝肌的第一个分支(A1)终止于同侧前鼻嵴下方,与同侧鼻中隔降肌连续,称为张力线L1。同侧鼻肌翼部起自大翼软骨外侧脚的外侧部分,沿着梨状孔边缘由深向浅的方向绕过鼻底,与来自对侧蜗轴的口周部口轮匝肌第二个分支(A2')在鼻底处相互延续,其在力学方向上也形成前后相连的传递关系。称为张力线L2。这两条不同走行方向的张力线通过鼻翼软骨形成的环状结构相互连成一体之前,首先在鼻底区域进行交叉,称之为第一副张力带。其在鼻底处形成的相互交叉被称为第一副张力线交叉作用点。临床上,第一副张力带与鼻翼外展度、鼻小柱位置、鼻坎形态以及鼻底丰满度有关(图5)。在后面描述的有限元分析中,该张力带甚至可以影响鼻翼的丰满度与鼻尖的形态。
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图5:第一副张力带 L1:起自左侧蜗轴的口周部口轮匝肌的第一支(A1)终止于同侧前鼻嵴下方,与同侧鼻中隔降肌连续;L2:左侧
鼻肌翼部和右侧口轮匝肌第二支(A2')在鼻底处相互延续
图6:第二副张力带 A3':口轮匝肌第三支;B1:对侧上唇鼻翼提肌第一支;绿色:A3';红色:B1;棕色:A3'与B1的重叠部分
第二副张力带:口周部口轮匝肌第三个分支(A3')起源于一侧蜗轴,向上内侧走行,跨过中线后终止于对侧人中嵴及其外侧区域的皮肤,称为张力线L3。同时对侧上唇鼻翼提肌的第一个分支(B1)从上外侧进入上唇,向内下方向走行,并终止于该侧人中嵴内侧的皮肤,称为张力线L4。在上唇的轴状面上,张力线L3与L4在方向上相互交叉,构成肌纤维的相互作用,称为第二副张力带。第二副张力带与人中的形态有关。由于肌肉纤维的力量,L3与L4在人中嵴处分别将人中嵴两侧的皮肤相向牵拉,各自形成与肌纤维方向相垂直的小斜面,最终形成人中嵴轮廓。正是由于B1与A3肌纤维走行方向并非水平走向,因此可以解释人中嵴自内上向外下斜向发育,由此形成上窄下宽的人中轮廓。与传统观念中认为人中嵴的形成原因在于肌肉组织的堆积不同,我们认为人中的形态是由肌肉牵拉而成,是由第二副张力带决定的(图6,图7)。
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图7:肌肉拉力作用于人中的内外侧,形成人中剖面的雁翅形状示意图 A:轴面观;B:前面观
主张力带:起源于两侧蜗轴的口周部口轮匝肌分成了三支(A1'、A2'、A3')向上内侧走行,其中A2'、A3'在中线处与来自对侧的同名肌纤维斜行交叉之后继续走行,A2'与来自于对侧的鼻肌翼部形成线性连接,即张力线L2,而A3'与B1形成投影线上的连接,可理解为张力线L2的补充。由于张力线L1在鼻小柱下方鼻前嵴处与对侧同名张力线同样存在交叉关系,使得三组张力线的交叉共同构成一个强大的张力带合称为主张力带。由于此组肌纤维相对较多,交叉区域因此较广泛,主要分布于鼻小柱下方,上唇的上1/2区域。初步判断主张力带与上唇的松紧度、人中深度、鼻翼宽度等相关(图8)。主张力带及第一、二副张力带在唇鼻部分布的位置见图9。
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图8:来自双侧的口轮匝肌的三支与鼻肌共同在上唇中线处形成强有力的张力带点 A1、A2、A3、A1'、A2'、A3'为主张力线交叉作用点
图9:各张力带在唇鼻部的位置
3.三维有限元模型的模拟结果
(1)唇裂模型的模拟:对单侧上唇离断的模拟结果与临床单侧完全性唇裂的临床表现接近:①左侧鼻尖降低,鼻尖点偏健侧;②左侧鼻翼扁平塌陷,鼻翼外展下垂,鼻穹窿塌陷;③左侧鼻小柱缩短,鼻小柱向右侧偏斜(图10)。该模型仿真度高。结果提示,唇裂体表软组织畸形发生的实质在于唇鼻肌肉张力带的断裂。反之,如恢复了正常的张力带结构,就有可能恢复正常的唇鼻形态。
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图10:左侧上唇离断时唇鼻的形态变化(各种颜色表示该区域与左侧角标尺相对应的形变率)
(2)正常唇鼻三维有限元模型的肌力加载:当鼻肌翼部和对侧口轮匝肌口周部肌纤维的末端连接并加力时,变形结果为双侧鼻翼向中线方向收紧,鼻尖向上抬。侧面观显示鼻尖向头侧旋转,人中窝、人中嵴隆起,人中结构更加立体鲜明;当把一束口周部口轮匝肌肌纤维与同侧的大翼软骨内侧脚末端相连并加力时,变形结果为鼻尖降低,上唇人中窝、人中嵴隆起,人中轮廓更加明显,上唇宽度缩窄;双侧上述张力线同时加载力(1~2 N)时,鼻翼沟明显加深,鼻翼轮廓更加鲜明,双侧鼻翼向中线收紧,左侧鼻翼向中线位移0.287 mm,右侧向中线位移0.261 mm;鼻尖向上抬,侧面观鼻尖向头侧旋转,侧面观鼻尖在Z轴上最大位移0.140 mm;人中窝、人中嵴均隆起;但是隆起幅度不同,人中嵴Y轴负向最大位移为0.328 mm,人中窝Y轴负向最大位移为0.220 mm,两者在Y轴上坐标差距增大,人中窝轮廓更加立体鲜明(图11,图12,图13,图14);当对鼻肌小柱部肌纤维加力时,鼻底上抬,鼻槛更加明显。
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图11:肌力加载时,鼻唇相应的形态变化(各种颜色表示该区域与左侧角标尺相对应的形变率) A:肌力加载方向;B:加力时体表各部位的变形率
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图12:患者男性,5个月,右侧隐性唇裂鼻底、鼻坎及人中嵴术前 A:仰头位像;B:正位像;C:右侧位像
图13:同一患者术后0.5年 A:仰头位像;B:正位像;C:右侧位像图14 同一患者术后两年 A:仰头位像;B:正位像;C:右侧位像
4、临床设计并实施唇鼻肌肉三维定向重建术式
263例患者术后伤口均为一期愈合。所有患者患侧鼻底丰满,患侧鼻面角改善明显,鼻小柱偏曲减轻,鼻槛形态接近健侧。人中窝、人中嵴明显,未见明显的人中扭曲。术后18个月共获得随访212例。所有病例手术瘢痕均不明显。37例患侧红唇黏膜增厚,其中33例行二次手术修薄;27例术后0.5年人中嵴外侧白唇膨隆,25例术后18个月时明显改善,其余2例术后两年时有改善,但仍稍显膨隆,患者拒绝进一步治疗,术后18个月时16例患者人中变浅。大多数患者对手术效果满意(图12,图13,图14,图15)
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图15:患者女性,4个月,左侧隐性唇裂重建人中嵴并修复红唇轮廓 A:术前;B:术后0.5年
切口设计:应尽量减少皮肤切口,仅在唇峰处珠缘弓行Z成形术,恢复珠缘弓连续性,降低患侧唇峰;沿红唇黏膜切迹设计切口,一直延伸至上唇口腔内侧显露口轮匝肌。白唇皮肤不做切口。
(1)第一副张力带重建:
沿切口于口轮匝肌深浅侧潜行分离,于患侧人中嵴处纵向剪断口轮匝肌,将口轮匝肌"脱套",深面于骨膜浅面将异位附着于梨状孔下、外侧,上颌前部牙槽突的鼻肌翼部和口轮匝肌离断。根据肌肉纤维走形方向形成鼻肌翼部肌瓣和口轮匝肌肌瓣;于裂隙内侧鼻小柱根部形成一小口轮匝肌肌瓣,与裂隙外侧的鼻肌翼部肌肉瓣缝合;将裂隙外侧的口轮匝肌肌瓣覆盖上述结构并缝合固定于前鼻嵴(图16),由此模拟第一副张力带的力学关系,重建鼻底、鼻坎,复位鼻小柱,内收鼻翼外侧脚,同时使鼻翼塌陷得到矫正。
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图16:第一副张力带重建示意图 A:肌肉瓣分离与缝合;B:一侧张力线建立;C:对侧肌肉瓣分离与缝合;D:双侧张力线交叉形成第一副张力带
(2)第二副张力带重建:
将裂隙内侧的全层口轮匝肌与裂隙外侧的深层口轮匝肌缝合;同时将裂隙外侧的深层口轮匝肌与口腔侧黏膜下层缝合固定;将裂隙外侧的浅层口轮匝肌与裂隙内侧白唇皮肤的真皮深层相缝合,由此模拟第二副张力带的力学关系,形成人中窝、人中嵴(图17)。
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第二副张力带重建示意图 A:肌肉的空间搭建方式;B:各肌肉作用于皮肤的力线;C:第二副张力带形成
(3)肌肉张力带的多种应用:
肌肉张力带的改建可修复唇隐裂,也可用于各型唇裂一、二期整形及唇鼻部美容外科等领域(图18,图19)
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图18:主张力带重建修复双侧唇裂二期鼻畸形(未应用植入材料) A:患者术前正位像,鼻翼宽大;B:术前侧位像,鼻尖低平;C:术后1年,鼻翼缩窄;D:术后1年,鼻尖成形效果
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图19:口腔正畸后患者应用主张力带及第二副张力带重建治疗上唇过短,并调整唇部轮廓 A:术前正位像,唇形圆钝,开唇露齿;B:术前侧位像,上唇过短;C:术后1年,唇部轮廓清晰;D:术后1年,上唇延长
讨论
有文献提出了唇裂的功能性修复术,强调术中口轮匝肌连续性的恢复[6,7]。这一研究被认为是唇裂修复划时代的进步。目前唇裂及其相关鼻畸形的修复主要依靠皮瓣转移和软骨塑形,有关研究也主要集中在对原有皮瓣设计与软骨塑形方法的改良。尚未见到对鼻唇肌肉纤维细节和唇鼻体表形态关系的生物力学研究,因此也难以构建在生物力学基础上新的修复技术手段。
以往对于口鼻肌肉口轮匝肌的解剖结构已有较多研究[8,9,10,11],但是对于肌肉与双侧对称隆起的人中嵴结构、对称的唇峰、唇珠的饱满外观、鼻底、鼻孔外形之间的相互关系未见详细描述及报道。Bardach和Cutting[12]认为单侧唇裂的肌肉力量不平衡是其唇裂鼻畸形形成的主要原因。但是他们并未具体分析这种不平衡的肌肉力量与畸形形成的关系。尽管近年来出现少量文献表明人们在唇裂手术中开始重视对肌肉不同位置的固定或瓦合缝合,但其观念仍然停留在通过肌肉组织堆积成形的层面,未从生物力学的角度形成理论体系[13]。
肌肉张力是松弛状态下存在于肌肉的机械应力,它协助保持躯干的姿势,并为肌肉运动提供必须的背景张力。同理当嘴唇在静止时,口轮匝肌以肌张力线的形式维持着嘴唇的外观,并使唇弓、人中、鼻翼成为一个相互作用并制约的整体。肌张力对称使得面部对称发育,人体器官的形态并非由组织堆积而构成,浅表肌肉筋膜系统本身存在固有的生物力学平衡体系,而体表器官形态的实质即是这一平衡在体表的表达形式。唇鼻外形不完全决定于软组织本身的容积,事实上,它更是相关肌肉肌张力平衡的结果。一旦张力线破坏,则产生畸形。
本研究根据解剖学、影像学分析的结果,构建了唇鼻肌肉复合体三维模型,在上述研究的基础上提出了唇鼻肌肉张力带的概念。并以张力带为突破口构建生物力学模型,对该模型进行了三维有限元分析,初步明确了各组张力带与唇鼻体表形态的关系。同时选择隐性唇裂作为临床疾病模型,对这一研究结果进行了临床检验,取得了良好的治疗效果。
本研究结论不仅强调唇部肌肉连续性的重建,更进一步主张复杂的唇鼻肌肉张力系统重建的重要性,并且强调唇鼻肌肉之间的生物力学联动关系在形态塑造中的意义。唇鼻各组肌肉之间关系虽然复杂,但其本质可以归纳为三组张力线共同作用,换言之唇鼻的形态轮廓是由三个张力带相互作用形成并维持的。本研究有限元分析结果可见,肌肉的张力带变化确会影响唇鼻的体表形态,并有规律,可以控制。因此行唇裂修复时可通过肌肉张力带的调整达到恢复正常唇鼻形态的目的。一旦张力带在一定程度上被构成或者改建,相当于重建唇鼻外观。众所周知,通过手术把肌肉纤维的解剖结构恢复到和发育形成的健康人完全一样几乎是不可能的,但是把肌肉张力线组合结构恢复到健康人水平,达到修复畸形的目的,在临床上是完全可以做到的。
本研究选取唇隐裂作为肌肉张力带重建技术修复唇裂的临床验证,是因为隐裂是研究唇裂肌肉组态畸形与体表形态畸形之间关系的天然疾病模型。一方面是它具有唇裂的所有形态特征,另一方面由于皮肤和骨骼没有明显裂隙,其畸形主要是由于肌肉的异常导致,影响因素较为单纯。事实上,这一技术并不局限于可以修复唇隐裂,在其他各型唇裂以及面裂的修复乃至继发畸形治疗中同样具有重要意义,甚至在口腔正畸后患者的美容外科实践中,亦可以通过肌肉张力带的改建达到美化唇鼻形态的目的。
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