有限元分析模型在女性盆底功能障礙性疾病研究中的應(yīng)用及意義

陳茜，盧媛，堯良清

盆底功能障礙性疾病（pelvic floor dysfunction，PFD）是中老年婦女常見(jiàn)病之一，以尿失禁、盆腔器官脫垂（pelvic organ prolepses，POP）、大便失禁、慢性盆腔痛等為主要臨床表現(xiàn)，嚴(yán)重影響中老年婦女的身心健康及生活質(zhì)量。近年來(lái)大批學(xué)者投入到對(duì)這類(lèi)疾病的發(fā)病機(jī)制及治療方法等方面的研究中。但女性盆底組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很多婦科醫(yī)生對(duì)其解剖關(guān)系缺乏深入了解，這為進(jìn)一步臨床研究造成困難。

隨著醫(yī)學(xué)影像學(xué)技術(shù)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，有關(guān)人體結(jié)構(gòu)的三維重建及可視化研究成為了醫(yī)學(xué)研究的新方法，尤其是與有限元分析（finite element analysis）相結(jié)合對(duì)盆底組織進(jìn)行生物力學(xué)分析，已經(jīng)成為目前婦科領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)。目前臨床常用的影像檢查技術(shù)包括超聲、電子計(jì)算機(jī)X線(xiàn)斷層掃描（computed tomography，CT）、磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）等。MRI因具有軟組織分辨率高、無(wú)電離輻射等優(yōu)點(diǎn)，成為目前公認(rèn)的評(píng)價(jià)盆底結(jié)構(gòu)的最佳影像學(xué)檢查方法之一，在臨床上得到廣泛應(yīng)用[1-2]。但盆底肌肉位置較深、解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，肌肉密度相近，MRI也不能完整、清晰地顯示盆底各組織結(jié)構(gòu)間的關(guān)系，而有限元模型分析則可以結(jié)合影像學(xué)內(nèi)容建立三維模型，進(jìn)而通過(guò)有限元分析進(jìn)行生物力學(xué)特性研究。對(duì)女性盆底組織的有限元分析研究進(jìn)行綜述，旨在了解目前有限元分析研究在婦產(chǎn)科領(lǐng)域中的進(jìn)展，以求尋找出女性盆底有限元分析模型建立及應(yīng)用的方法，以進(jìn)一步進(jìn)行PFD發(fā)病機(jī)制的研究，幫助婦科醫(yī)生制定手術(shù)計(jì)劃并指導(dǎo)實(shí)施手術(shù)以達(dá)到最佳療效，并進(jìn)行有效的預(yù)后分析。

1 有限元分析的概念

有限元分析的基本概念是用較簡(jiǎn)單的問(wèn)題代替復(fù)雜問(wèn)題后再求解。有限元分析法的基本思想是化整為零，先將研究區(qū)域離散化，使之成為一組通過(guò)一定聯(lián)接方式聯(lián)結(jié)在一起的有限單元組合體，分別模擬成各種求解計(jì)算小單元，然后對(duì)各小單元進(jìn)行力學(xué)計(jì)算及分析，最后再對(duì)各小單元的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整體綜合分析。有限元分析在離散化時(shí)，節(jié)點(diǎn)數(shù)越多，單元?jiǎng)澐值迷郊?xì)，計(jì)算結(jié)果就越接近真實(shí)，同時(shí)也需要更大的計(jì)算量。所以很多客觀實(shí)體實(shí)驗(yàn)法難以得到的研究結(jié)果可以通過(guò)有限元分析法來(lái)解決。自有限元概念提出以來(lái)，有限元理論及其應(yīng)用迅速發(fā)展，隨著計(jì)算機(jī)和軟件技術(shù)水平的快速提高，目前有限元模型已由二維線(xiàn)性發(fā)展到三維非線(xiàn)性，有限元研究也由單個(gè)運(yùn)動(dòng)節(jié)段發(fā)展到整個(gè)人體。目前有限元技術(shù)在骨科、口腔醫(yī)學(xué)、頭頸外科等相關(guān)領(lǐng)域中已得到普遍應(yīng)用[3-4]，但在婦產(chǎn)科相關(guān)領(lǐng)域中的研究仍屬于探索階段，是近年來(lái)婦科新的研究熱點(diǎn)之一。

2 PFD的診治現(xiàn)狀

以尿失禁、POP和大便失禁等為主要表現(xiàn)的女性PFD是中老年婦女的常見(jiàn)病和多發(fā)病，嚴(yán)重影響了她們的健康和生活質(zhì)量，甚至被稱(chēng)為“社交癌”[5]。有調(diào)查顯示，在經(jīng)產(chǎn)婦中POP的發(fā)病率高達(dá)40%～60%[6]。挪威EPONCONT大樣本女性尿失禁調(diào)查顯示該地區(qū)女性尿失禁患病率為25%[7]。一項(xiàng)包含全球多個(gè)地區(qū)的大樣本流行病學(xué)調(diào)查顯示，尿失禁的發(fā)病率隨年齡的增加而升高，18～20歲女性尿失禁的發(fā)病率為 1.6%～22.8%，30～40歲為 7.0%～30.3%[8]。在中國(guó)，北京協(xié)和醫(yī)院女性盆底學(xué)課題組在對(duì)中國(guó)北京地區(qū)成年女性尿失禁的流行病學(xué)調(diào)查研究結(jié)果顯示，成年女性尿失禁患病率是38.5%[9]。甘肅一項(xiàng)尿失禁流行病學(xué)調(diào)查研究顯示，甘肅省成年女性尿失禁的平均患病率為41.3%[10]。

目前PFD的發(fā)病機(jī)制尚未完全明確，主要認(rèn)為與盆底支持組織退化、損傷所致的組織松弛有關(guān)，其中最主要的因素是妊娠與分娩[11]。北京協(xié)和醫(yī)院對(duì)盆底支持結(jié)構(gòu)的形態(tài)學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，PFD患者肛提肌肌纖維變細(xì)萎縮、排列稀疏，間質(zhì)被豐富的纖維結(jié)締組織所取代，子宮韌帶平滑肌束細(xì)碎，排列凌亂[12]。盆底肌肉或神經(jīng)的病理性改變可導(dǎo)致盆底組織支持力量減弱，可能是該類(lèi)疾病發(fā)生的基礎(chǔ)[13]。也有文獻(xiàn)列出多個(gè)隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)結(jié)果證明，盆底肌肉鍛煉對(duì)尿失禁、POP、性功能障礙等疾病療效顯著[14]。

目前，對(duì)于輕度PFD患者以盆底肌肉鍛煉等物理治療為主，對(duì)于中重度PFD患者則以手術(shù)治療為主，雖然近年來(lái)手術(shù)方式不斷改進(jìn)，但無(wú)論采取何種手術(shù)方式，術(shù)后復(fù)發(fā)率仍持續(xù)在較高水平，究其原因，可能與以下幾方面因素有關(guān)：①術(shù)者對(duì)盆底組織解剖結(jié)構(gòu)的了解不夠全面、深入；②對(duì)PFD的發(fā)生機(jī)制理解不足；③術(shù)者手術(shù)時(shí)根據(jù)自身臨床經(jīng)驗(yàn)及解剖知識(shí)施行手術(shù)、操作技巧參差不齊，導(dǎo)致手術(shù)效果的差異等。所以如何選擇或優(yōu)化手術(shù)方案就成為目前婦科醫(yī)生亟待解決的問(wèn)題，也是臨床上值得探索和研究的課題，而有限元研究可將盆底組織進(jìn)行三維重建，模擬盆底組織在各種疾病及手術(shù)中的改變，因此促進(jìn)了有限元分析法在PFD研究中的進(jìn)一步發(fā)展。

3 有限元分析在女性PFD研究中的應(yīng)用

女性盆底組織的解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，盆底肌肉位置較深，故很難從影像學(xué)技術(shù)上得到清晰的展現(xiàn)，臨床常用檢查技術(shù)中僅MRI可相對(duì)清晰地顯示盆底組織結(jié)構(gòu)圖像，目前對(duì)于女性盆底的有限元研究多集中在骨盆的骨性結(jié)構(gòu)上，并在骨科的相關(guān)研究及臨床應(yīng)用中取得了一定成果[15-16]。Dalstra等[17]構(gòu)建了骨盆三維有限元模型，開(kāi)展了有限元模型的建立及驗(yàn)證。蘇佳燦等[18-19]構(gòu)建了骨盆及髖臼三維有限元模型及靜載荷作用下的骨盆三維有限元分析等。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于盆底有限元分析模型的研究主要集中在盆底軟組織上，由于肛提肌在盆底支持結(jié)構(gòu)中占有重要地位，并且肛提肌體積較大，獲得影像學(xué)數(shù)據(jù)相對(duì)容易，因此目前有限元分析模型的研究多集中于肛提肌。但由于影像學(xué)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的限制，目前大多文獻(xiàn)報(bào)道中的有限元分析研究多停留于建立有限元模型，對(duì)進(jìn)一步有效的有限元分析及有效驗(yàn)證并無(wú)詳細(xì)報(bào)道。

2001年，Hoyte等[20]運(yùn)用MRI及三維重建軟件建立了PFD女性患者及健康婦女的肛提肌三維模型，并通過(guò)對(duì)模型中各數(shù)據(jù)的測(cè)量發(fā)現(xiàn)患病者肛提肌的體積、厚度及完整性均較健康者小，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，提示PFD患者存在肛提肌缺損或損傷的可能。2005年，d′Aulignac等[21]建立了女性肛提肌的有限元模型，并利用該模型模擬肛提肌在受壓和主動(dòng)收縮時(shí)的生物力學(xué)改變。Lee等[22]基于MRI建立了活體青年女性盆底肛提肌的有限元模型，并通過(guò)所建立的有限元模型模擬盆底組織在不同生理狀態(tài)下（靜息、收縮或舒張狀態(tài)）的生物力學(xué)特征。2008年，趙惠軍等[23]將基于MRI所獲得的盆底組織圖像進(jìn)行三維重建，也獲得了女性盆底組織（包括肛提肌及閉孔內(nèi)?。┑娜S模型，但并未進(jìn)一步對(duì)盆底組織進(jìn)行生物力學(xué)分析。Venugopala Rao等[24]通過(guò)MRI建立了包括膀胱、陰道、子宮、直腸及盆底軟肌肉及韌帶等的有限元模型。2011年，有學(xué)者建立了子宮重度脫垂患者及健康志愿者肛提肌的有限元模型，并模擬對(duì)比分析了兩者在各種模擬狀態(tài)下的生物力學(xué)特點(diǎn)[25]。也有學(xué)者利用有限元分析法模擬計(jì)算多種情況下肛提肌的應(yīng)力改變，認(rèn)為不同狀態(tài)下的腹壓會(huì)對(duì)肛提肌產(chǎn)生較大的應(yīng)力，容易造成肛提肌的組織受損[26]。劉萍等[27]通過(guò)采集25例青年健康未育女性志愿者的盆腔MRI數(shù)據(jù)集，利用三維重建軟件構(gòu)建了骨盆、盆腔器官及盆底肌群的三維模型，并對(duì)肛提肌進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的測(cè)量，用以研究女性盆底肌群的解剖，評(píng)估盆底功能。

總結(jié)目前盆底組織有限元的研究方法，多采用MRI或CT聯(lián)合MRI獲取盆底各組織的影像學(xué)圖像信息，然后將這些資料導(dǎo)入專(zhuān)業(yè)的圖像處理軟件（如Mimics等），生成三維幾何模型，再將其導(dǎo)入有限元前處理軟件（如Geomagic、HyperWorks等）進(jìn)行模型優(yōu)化，進(jìn)一步整合成為完整的有限元模型，最后再導(dǎo)入有限元計(jì)算軟件（如Ansys等），通過(guò)材料屬性設(shè)定、邊界約束設(shè)置等進(jìn)行所需的有限元分析，即可對(duì)某一特定區(qū)域的受力情況及位移情況進(jìn)行分析等?？傊邢拊治龇ㄔ谂璧总浗M織的研究已經(jīng)引起了眾多婦科醫(yī)生的關(guān)注，但迄今為止，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)完整的女性盆底有限元模型的報(bào)道，大多數(shù)學(xué)者只是針對(duì)其中一部分或相關(guān)幾部分內(nèi)容進(jìn)行分析研究，有限元模型在婦產(chǎn)科相關(guān)疾病的臨床應(yīng)用也并未啟動(dòng)。

4 有限元分析法在女性PFD研究中的優(yōu)勢(shì)和缺陷

獲得女性盆底有限元模型之后，便可以通過(guò)計(jì)算分析獲得其生物力學(xué)的實(shí)驗(yàn)資料和數(shù)據(jù)，解釋盆腔臟器脫垂及其他相關(guān)疾病的發(fā)病機(jī)制；通過(guò)模擬不同程度的病變以及模擬各種術(shù)后狀態(tài)，對(duì)比分析手術(shù)前后盆底肌肉的生物力學(xué)變化特征，可以為改良手術(shù)方式、改進(jìn)手術(shù)材料等提供可靠依據(jù)；盆底軟組織與骨盆結(jié)構(gòu)的形態(tài)、材料屬性、性能等方面都比較復(fù)雜，通過(guò)有限元分析法能夠?qū)ζ溥M(jìn)行力學(xué)分析，給出模型受力時(shí)各部分組織的最大應(yīng)力和形態(tài)學(xué)改變的全過(guò)程，真正做到用數(shù)字化模型代替活體組織來(lái)評(píng)估盆底組織的生物力學(xué)特性。

但是目前文獻(xiàn)報(bào)道中所建立的女性盆底有限元模型并不完整，只是一個(gè)理想化的簡(jiǎn)化模型。建模過(guò)程中，所用圖像處理軟件（如Mimics等）對(duì)于圖像的各種處理技術(shù)可能導(dǎo)致模型與活體的真實(shí)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生偏差，另外，盡管MRI可以顯示盆底組織的結(jié)構(gòu)圖像，但因盆底組織解剖的復(fù)雜性，目前還不能通過(guò)影像學(xué)檢查完整清晰地分辨出盆底的各組韌帶及不同走行的各組肌肉，故在盆底組織模型建立的過(guò)程中多數(shù)研究者都根據(jù)自己的解剖學(xué)知識(shí)對(duì)各組織進(jìn)行形態(tài)學(xué)的模擬，而在各類(lèi)材料的屬性賦值時(shí)，因無(wú)準(zhǔn)確的測(cè)定方法，研究者們也往往會(huì)忽略各組肌群的不均勻性及肌肉纖維的不同走向，這些因素都勢(shì)必會(huì)造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果與真實(shí)情況的偏差。而對(duì)于有限元模型建立后的活體驗(yàn)證目前也無(wú)公認(rèn)方法。這些缺陷都限制了盆底有限元模型在臨床上的進(jìn)一步應(yīng)用，使大部分的研究都止步于模擬及假設(shè)階段。

5 結(jié)語(yǔ)與展望

雖然目前國(guó)內(nèi)外對(duì)有限元的研究仍處于初級(jí)階段，有限元分析模型還存在許多簡(jiǎn)化和假設(shè)，但是有限元分析法最大的優(yōu)點(diǎn)就是為臨床醫(yī)生解決了不能直接在活體上進(jìn)行操作研究的技術(shù)難題，可以利用計(jì)算機(jī)技術(shù)為臨床的工作找到相應(yīng)的理論依據(jù)。通過(guò)女性盆底軟組織有限元模型的建立及分析，不僅有助于了解盆底肌肉及韌帶的生物學(xué)功能，闡明PFD的發(fā)生機(jī)制，還能為進(jìn)一步優(yōu)化治療方案、研究手術(shù)治療預(yù)后等提供幫助。臨床醫(yī)生應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)盆底組織解剖結(jié)構(gòu)、有限元知識(shí)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的了解，多學(xué)科的有力結(jié)合才能幫助有限元分析在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展，才能真正為解決臨床問(wèn)題提供幫助。

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