女性盆底有限元力學(xué)分析的研究進(jìn)展

楊曉紅，王紀(jì)亮，徐惠成，梁志清 (.解放軍第53 醫(yī)院婦產(chǎn)科，內(nèi)蒙古 呼和浩特0005;.第三軍醫(yī)大學(xué)西南醫(yī)院婦產(chǎn)科，重慶400038)

女性盆底功能障礙性疾病(pelvic floor dysfunction，PFD)是指盆底支持組織因損傷或退化等原因所致松弛而引發(fā)的疾病。主要包括壓力性尿失禁(stress urinary incontinence，SUI)和盆腔器官脫垂(pelvic organ prolapse，POP)。有研究發(fā)現(xiàn)盆腔臟器脫垂是一種緣于盆底支持組織生物力學(xué)性能進(jìn)行性減退的疾?。?］。有實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，盆腔器官脫垂患者盆底組織成纖維細(xì)胞對(duì)應(yīng)力的反應(yīng)性降低，陰道壁組織的生物力學(xué)性能明顯低于非脫垂患者，認(rèn)為盆底支持組織力學(xué)性能的降低或許是導(dǎo)致盆腔器官脫垂的原因［2］。因此，迫切需要對(duì)盆底器官組織之間的力學(xué)關(guān)系進(jìn)行分析和評(píng)估，才能設(shè)計(jì)出完善的治療方案。本文就PFD 發(fā)病機(jī)制有限元力學(xué)研究進(jìn)展綜述如下。

1 女性盆底有限元力學(xué)研究的背景

生物力學(xué)研究主要包括:①實(shí)驗(yàn)生物力學(xué)，即以動(dòng)物及人尸體為模型進(jìn)行力學(xué)測(cè)試，如電測(cè)法、光彈法、表面涂層等。雖然傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)生物力學(xué)測(cè)試方法具有直觀、客觀等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，尚有許多情況無(wú)法用實(shí)驗(yàn)研究的方法加以解決。②理論生物力學(xué)研究，即以數(shù)學(xué)力學(xué)模型來(lái)進(jìn)行數(shù)值應(yīng)力分析。有限元分析即屬于理論生物力學(xué)研究，是將研究對(duì)象先分割成有限個(gè)單元，在研究每個(gè)單元性質(zhì)的基礎(chǔ)上，獲得滿足邊界約束條件的整個(gè)物體(或分析域)的位移和應(yīng)力場(chǎng)。

生物力學(xué)直接測(cè)試法因是一種侵入性實(shí)驗(yàn)而且無(wú)法用于人類活體研究而受限。與實(shí)驗(yàn)研究相比，有限元仿真可以更直觀地給出應(yīng)力應(yīng)變的分布情況，具有效率高、成本低的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合成像和重建技術(shù)，能迅速模擬出組織器官的運(yùn)動(dòng)和變形情況。另外有限元分析法可對(duì)形狀、結(jié)構(gòu)、材料和載荷情況及其復(fù)雜的構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變分析，具有實(shí)驗(yàn)時(shí)間短、費(fèi)用少、力學(xué)性能測(cè)試全面及可重復(fù)實(shí)驗(yàn)等突出優(yōu)點(diǎn)。然而實(shí)體和三維模型是有限元適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)所必需條件，只有獲得完整的數(shù)據(jù)集才能于有限元原理的計(jì)算機(jī)模型上研究盆底肌肉復(fù)雜的生物力學(xué)行為。雖然盆底軟組織的三維有限元模型建立和分析仍處于初級(jí)階段，隨著計(jì)算機(jī)硬件快速發(fā)展被拓廣，有限元應(yīng)用軟件也會(huì)繼續(xù)提升，對(duì)于傳統(tǒng)的試驗(yàn)生物力學(xué)其在互相彌補(bǔ)和驗(yàn)證的方法中承擔(dān)了重要的角色。

2 女性盆底有限元力學(xué)研究的特點(diǎn)

MRI 及3D 成像技術(shù)的進(jìn)步提高了對(duì)盆底結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，有限元生物力學(xué)模型已作為一種能在器官水平上量化分析功能的特性而出名。目前軟組織的有限元分析在國(guó)內(nèi)及國(guó)際(例如肛提肌損傷)仍處于探索研究階段，但是其發(fā)展很快。有限元模型提供工具模擬盆底功能和其障礙的結(jié)局，有助于闡明功能紊亂背后主要的機(jī)制;對(duì)于當(dāng)今婦科醫(yī)生來(lái)講，盆底功能障礙疾病治療是最大的挑戰(zhàn)之一，尤其對(duì)于外科手術(shù)后失敗者非常重要。脫垂的復(fù)發(fā)考慮與不恰當(dāng)?shù)耐饪萍夹g(shù)、軟組織的病理學(xué)及生物力學(xué)缺陷有關(guān)，應(yīng)用有限元模型有助于設(shè)計(jì)和開(kāi)展更多可控和可靠的外科手術(shù)。建立女性盆底有限元分析有助于了解女性盆底功能障礙的生物力學(xué)、預(yù)測(cè)外科手術(shù)的效果和洞察盆底肌群的運(yùn)動(dòng)奧妙。

3 有限元模型在陰道分娩對(duì)女性盆底損傷的研究

有限元生物力學(xué)模型作為一種量化分析陰道分娩的模型工具，其生物力學(xué)分析揭示了PFD 的病理解剖因素，其中陰道分娩是主要的危險(xiǎn)因素。在日常生活活動(dòng)中盆底正常負(fù)載和盆底肌肉功能容積，采用有限元方法顯示盆底肌肉伸縮率在分娩第二產(chǎn)程末最大，證實(shí)盆底肌群在產(chǎn)鉗助產(chǎn)時(shí)承受了最大的拉伸，極有可能受傷［1］;理論模型證實(shí)這些損傷可以引起最常見(jiàn)的子宮脫垂和膀胱脫垂。Li 等［2］建立一個(gè)計(jì)算機(jī)模型框架模擬頭位陰道分娩，這個(gè)模型模擬了胎頭下降通過(guò)整個(gè)盆底肌群的過(guò)程，展示了陰道分娩中胎頭的運(yùn)動(dòng)與盆底組織之間的相互生物力學(xué)作用，陰道分娩力的要求從正常逐漸到最大化，顯示盆底肌群最大拉伸的著力點(diǎn)位于右側(cè)肛提肌與恥骨連接處，此與臨床陰道分娩后肛提肌與恥骨相連處易損傷是一致的。有限元模型框架工作提供一個(gè)量化工具來(lái)驗(yàn)證影響陰道分娩的因素:包括盆底肌纖維各向異性，肌肉的活化和胎頭的模型。之后有研究采用有限元模型模擬陰道分娩第二產(chǎn)程，研究代表肛提肌的力學(xué)反應(yīng)的各向異性，觀察肛提肌在陰道分娩中的生物力學(xué)方面重要性，其報(bào)道在肌纖維的各向異質(zhì)升高時(shí)陰道分娩需要的產(chǎn)力的大小有本質(zhì)的下降，在相似的陰道分娩中各向異性比率明顯的影響了肛提肌生物力學(xué)反應(yīng)［3］。只有掌握肛提肌生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)方能更好地量化分析肛提肌生物力學(xué)特性。有限元模型演示了某假定個(gè)體陰道分娩的第二產(chǎn)程，提供模型框架量化分析盆底生物力學(xué)。這個(gè)模型可以用來(lái)輔助臨床醫(yī)師在陰道分娩中的決策處理，有助于研究陰道分娩中盆底生物力學(xué)損傷的機(jī)制。該作者又研究在陰道分娩中盆底生物力學(xué)的肌肉非線性彈性的作用，報(bào)道了在陰道分娩中比預(yù)想要高的產(chǎn)力(56%)，屬于肌群中最大最多伸展力的較多的均勻空間分布［4］。雖然目前模型說(shuō)服臨床醫(yī)師產(chǎn)力可能誘發(fā)盆底肌肉損傷和功能障礙仍存在片面性，然而作為分娩計(jì)劃和醫(yī)學(xué)教育，量化模型的框架研究已取得進(jìn)步［5］。Parente 等［6］報(bào)道應(yīng)用模擬的骨盆、盆底肌肉和胎頭的3D 計(jì)算機(jī)模型，評(píng)價(jià)在陰道分娩中，胎頭代表枕前位和胎位不正的枕后位分別通過(guò)骨盆的過(guò)程中引起的盆底變形及應(yīng)力。幾項(xiàng)研究顯示陰道分娩中放松的好處，盆底肌肉鍛煉可以帶來(lái)強(qiáng)壯的盆底，相反的假設(shè)是盆底肌訓(xùn)練可以提高肌肉的強(qiáng)度。目前對(duì)于陰道分娩中影響盆底肌肉收縮因素的相關(guān)性研究仍然不足。

4 有限元模型在女性膀胱膨出機(jī)制的研究

Chen 等［7］從一名健康未生育婦女的磁共振幾何圖形，建立陰道前壁及其支持組織3D 模型，它包括簡(jiǎn)化了的陰道前壁、骶主韌帶、盆筋膜腱弓、肛提肌、陰道旁連接組織和后盆腔。驗(yàn)證模型，模型被輸入有限元分析軟件ABAQUS(trademark)，組織材料屬性依據(jù)文獻(xiàn)指定。采用重復(fù)逼近法來(lái)簡(jiǎn)練解剖假設(shè)，直到腹壓增加到168 cmH2O 時(shí)圖形的表現(xiàn)與動(dòng)態(tài)MRI 表現(xiàn)的變形趨同。然后在動(dòng)態(tài)MRI 上用它來(lái)判定肌肉及其結(jié)締組織受傷導(dǎo)致膀胱膨出形成的機(jī)制。結(jié)論是膀胱膨出的進(jìn)展要求肛提肌損傷、腹壓增加、陰道頂端和陰道旁的缺陷。膀胱膨出的大小受腹壓和肌肉結(jié)締組織的損傷影響。與任何二者之一因素相比，大的膀胱膨出是在肌肉及陰道頂端結(jié)締組織損傷同時(shí)存在的條件下形成的。陰道頂端缺損比陰道旁缺陷導(dǎo)致較大的膀胱膨出;肛提肌受損引起較大的肛提肌裂隙，在壓力差下、大的頂端缺損和陰道末端延長(zhǎng)，共同導(dǎo)致了更大的膀胱膨出。

5 盆底有限元模型在盆底肌群筋膜方面的研究

Lee 等［8］應(yīng)用MRI 體檢提取的肛提肌參數(shù)建立有限元模型，在模型上模擬動(dòng)態(tài)，以厚度和張力分組，分析并研究作用于肛提肌表面的力學(xué)特點(diǎn);研究代表肛提肌的力學(xué)反應(yīng)的各向異性。Marino 等［9］模擬骨盆結(jié)構(gòu)的偏差，觀察移位的程度，指出骨盆與尿道宮頸之間韌帶筋膜的連接方式精妙和諧，對(duì)骨盆合力的分散作用非常重要，證實(shí)恥骨與宮頸尿道束之間韌帶的作用如張力連接桿，將總負(fù)荷以前后方向分為幾部分，在骨盆動(dòng)力學(xué)上顯示非一不二的角色，指出盆底最大的應(yīng)力區(qū)域是宮頸尿道束和下面的梯形會(huì)陰區(qū)域;從泌尿外科角度闡述，適宜的解剖重建術(shù)實(shí)為某種意義上解剖恢復(fù)和功能支持。Marino 等［10］報(bào)道了人類膀胱力學(xué)特征，建立骨盆3D 數(shù)字有限元模型和存在及不存在支持骨盆的恥骨尿道韌帶和恥骨膀胱韌帶的模型。膀胱的力學(xué)數(shù)據(jù)顯示逼尿肌纖維和厚度圖形的性質(zhì)在側(cè)壁、膀胱三角、前壁結(jié)構(gòu)均有不同。動(dòng)力學(xué)調(diào)查顯示缺乏宮頸尿道韌帶和盆底筋膜的支持，盆底筋膜解剖的缺陷將修正分配負(fù)載向心力的誤差，較多的應(yīng)力在會(huì)陰區(qū)域和尿道括約肌部分;研究顯示膀胱三角區(qū)與其他部分相比是韌性最強(qiáng)的區(qū)域，負(fù)荷力最大;顯示骨盆筋膜如恥骨尿道韌帶和恥骨膀胱韌帶在動(dòng)態(tài)數(shù)字分析中是不能忽略的主要支持。Martins 等［11］報(bào)道從1 例未生育健康志愿者M(jìn)RI 成像建立3D 有限元模型評(píng)估盆底橫向縱向應(yīng)力，模擬體內(nèi)腹壓增加的情況下盆底的張力和陰道的力學(xué)特性。

6 盆底有限元模型在SUI 方面的研究

SUI 的發(fā)生歸因于解剖或神經(jīng)因素包括結(jié)締組織、神經(jīng)和肌肉。雖然SUI 在絕經(jīng)后和經(jīng)產(chǎn)婦非常普遍。研究顯示在年輕婦女、身體健康的女性運(yùn)動(dòng)員中有很高的患病率。Zhang 等［12］報(bào)道應(yīng)用有限元計(jì)算機(jī)模型分析跳躍引起SUI 可行性。依據(jù)在體力活動(dòng)中解剖結(jié)構(gòu)之間相互作用的特殊的動(dòng)態(tài)的力學(xué)特征，首次利用液體結(jié)構(gòu)相互作用有限元分析方法闡述女性SUI 發(fā)生機(jī)制。證實(shí)應(yīng)用女性盆底有限元計(jì)算機(jī)模型，展示引起正常尿道開(kāi)放和尿失禁時(shí)尿道開(kāi)放的女性盆底前后部分變形的差異性，量化比較健康婦女和壓力性尿失禁婦女之間的差異性。通過(guò)計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)模擬彈跳高度和測(cè)得的沖擊力對(duì)不同膀胱容積的效果，揭示跳躍的高度明顯影響膀胱溢尿的量，也揭示了對(duì)于健康婦女，正常行走不是尿失禁首要的原因。

7 女性盆底有限元目前建模的方法

Janda 等［13］在防腐的女性尸體上測(cè)得盆底肌肉的幾何參數(shù)，建立盆底三維幾何數(shù)據(jù)集。Haridas 等［14］報(bào)告采用計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)的原型PelvicSim 來(lái)模仿女性盆底器官體內(nèi)生物力學(xué)系統(tǒng)，提供一個(gè)虛擬的環(huán)境了解盆底的生物力學(xué)病理改變。Li等［2］通過(guò)健康未生育婦女MRI 數(shù)據(jù)構(gòu)建包括十三個(gè)部分(骨性骨盆、肌肉和器官)的盆底模型，用以分析第二產(chǎn)程胎兒與盆底肌群之間應(yīng)力。Lee 等［15］通過(guò)MRI 掃描開(kāi)展肛提肌的有限元分析，通過(guò)塑造不同病例組肛提肌變化的3D 模型，在自然生理負(fù)荷情況下開(kāi)展動(dòng)態(tài)研究。

8 有限元模型分析研究前景

有限元分析目前是在矯形外科學(xué)被廣泛應(yīng)用的生物力學(xué)方法，包括生物工程師和臨床醫(yī)師的跨學(xué)科綜合領(lǐng)域協(xié)作研究。對(duì)于評(píng)價(jià)骨盆特殊狀態(tài)，研發(fā)新的盆底重建手術(shù)或者設(shè)計(jì)非手術(shù)器械治療尿失禁和PFD，模擬盆底行為的有限元模型是一個(gè)重要工具。骨盆筋膜如恥骨尿道韌帶和恥骨膀胱韌帶在動(dòng)態(tài)數(shù)字分析中是主要的支持結(jié)構(gòu)。其模型動(dòng)態(tài)仿真確定了在基礎(chǔ)手術(shù)中依據(jù)其位置進(jìn)行外科重建的角色，對(duì)于改善醫(yī)療器械的設(shè)計(jì)和優(yōu)化外科手術(shù)方案，提高PFD 患者結(jié)局是重要的，這項(xiàng)研究對(duì)于PFD 手術(shù)中補(bǔ)片合成材料的發(fā)展也很重要。

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