有限元分析在盆底功能障礙性疾病中使用現(xiàn)狀及展望

馬瑛 趙燁

盆腔器官脫垂（pelvic organ prolapse，POP）是指因盆底支持力量的減弱引起的盆腔器官位置的下降，主要有陰道不適感、外陰脫出腫物、尿失禁、排尿困難、排便改變和性功能障礙等癥狀，統(tǒng)稱為PFD。

POP 好發(fā)于中老年女性，其發(fā)病率現(xiàn)已居高血壓、糖尿病等慢性疾病之上，且有逐年上升趨勢［1］。2019 年中國一項(xiàng)針對城市地區(qū)女性POP 患病率的多中心橫斷面調(diào)查，結(jié)果顯示整體患病率為9.67%，并隨年齡的增加而增加，70 歲以上人群患病率上升至26.11%［2］。多個(gè)大樣本流行病學(xué)研究報(bào)道國外女性POP 的患病率為6%～19.7%［3-4］，針對美國女性的發(fā)病預(yù)測指出，到2050 年因POP 而進(jìn)行手術(shù)治療的患者將比2010 年增加48%［5］。由此可見POP 是一個(gè)全球性的健康問題，嚴(yán)重影響了女性的身心健康和生活質(zhì)量。

針對POP 的發(fā)病機(jī)制、診斷、治療及疾病危險(xiǎn)因素等方面，學(xué)者們進(jìn)行了大量的研究，研究的方法主要通過對人體解剖學(xué)研究，應(yīng)用超聲、CT、核磁成像技術(shù)對盆底組織及器官的形態(tài)學(xué)改變提供可視數(shù)據(jù)［6］，隨著生物力學(xué)在女性盆底領(lǐng)域研究的逐漸深化，利用盆底離體組織的機(jī)械拉伸試驗(yàn)獲得生物力學(xué)參數(shù)［7］。但是POP 的發(fā)生、發(fā)展遵循“整體理論”，并且力對在體盆底組織的影響存在時(shí)向性作用，以上的研究數(shù)據(jù)均有一定的局限性，無法準(zhǔn)確的反應(yīng)出真實(shí)的臨床事件。隨著FEA 在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，為婦科盆底功能障礙性疾病的研究提供了更為有利的科學(xué)方法，現(xiàn)就有限元在盆腔功能障礙性疾病中的應(yīng)用進(jìn)行綜述。

一、FEA概述

FEA 源自于工程設(shè)計(jì)和分析，它是以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和彈性力學(xué)為基礎(chǔ)，采用連續(xù)分布的質(zhì)量和能量函數(shù)系統(tǒng)來描述研究對象受力后所產(chǎn)生的力學(xué)變化及位移變化等的仿真模擬技術(shù)。其通過圖像和三維重建技術(shù)，將連續(xù)的整體模型分割為和原始模型有相同性能的有限個(gè)單元組合體，各單元在頂點(diǎn)處以節(jié)點(diǎn)的方式聯(lián)接在一起，形成網(wǎng)格。分別對各單元進(jìn)行形狀、結(jié)構(gòu)、材料和載荷情況等計(jì)算及分析，最終將各單元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行再整合分析得到應(yīng)力、應(yīng)變、位移等模擬結(jié)果［8］。單元劃分得越細(xì)，計(jì)算結(jié)果就越接近真實(shí)，隨著醫(yī)學(xué)影像技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的迅速發(fā)展使得FEA 技術(shù)周期性更短，仿真能力更強(qiáng)，該模型已經(jīng)成為一種定量分析工具，可以對復(fù)雜的、無法在機(jī)體直接實(shí)現(xiàn)觀察的生物力學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行觀察［9］。學(xué)者們嘗試將FEA 方法應(yīng)用到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，通過其無創(chuàng)性、重復(fù)性強(qiáng)的優(yōu)勢，獲得了大量全面的生物力學(xué)數(shù)據(jù)，并利用仿真模擬技術(shù)選擇個(gè)體化治療方案、分析疾病預(yù)后，為生物合成材料的選擇提供依據(jù)。目前有限元技術(shù)在骨科、口腔醫(yī)學(xué)、眼科等相關(guān)領(lǐng)域中已得到普遍應(yīng)用。

二、有限元在盆底功能障礙性疾病的應(yīng)用

對盆底功能障礙性疾病的基礎(chǔ)研究，特別是隨著解剖學(xué)不斷深入探索促進(jìn)了盆底整體理論的建立和發(fā)展，隨著盆底結(jié)構(gòu)的三維重建及可視化的發(fā)展使得研究開始轉(zhuǎn)向在體盆底結(jié)構(gòu)和功能生物力學(xué)方向。FEA 技術(shù)在婦產(chǎn)科相關(guān)領(lǐng)域中的研究目前屬于探索階段，國內(nèi)外暫無完整的女性盆底有限元模型的報(bào)道，只有針對其中一部分或相關(guān)幾部分內(nèi)容進(jìn)行分析研究。

1.FEA對肛提肌的模擬

PFD 的發(fā)生主要是由盆底肌、筋膜、韌帶等支持結(jié)構(gòu)異常引起的，如薄弱、缺損或斷裂。Dietz HP 等［10］指出，10%～30%的女性陰道分娩導(dǎo)致肛提肌撕裂與之后發(fā)生PFD 有密切相關(guān)性。在中國脫垂女性中肛提肌撕脫占39%，同嚴(yán)重的盆腔脫垂的發(fā)生有關(guān)，較其他因素相比對女性的生活質(zhì)量影響更大［11］，這同國外的數(shù)據(jù)是一致的［12-13］。為探討肌肉損傷嚴(yán)重程度同脫垂的關(guān)系，Berber MB 等［14］將284 例脫垂病例與219 例無脫垂病例的肛提肌損傷數(shù)據(jù)進(jìn)行二次分析，結(jié)果表明只有50%以上肌肉損傷的病例才發(fā)生脫垂。肛提肌大面積裂傷撕脫后導(dǎo)致肛提肌裂孔面積的增大，Wen L 等［15］發(fā)現(xiàn)肛提肌裂孔面積是女性POP的獨(dú)立病因?qū)W因素，裂孔面積的增大是POP 尤其是前腔室和中腔室器官脫垂的高危因素。因此學(xué)者［16］認(rèn)為肛提肌的損傷在PFD 中起著至關(guān)重要的作用，也因此目前FEA 模型的研究多集中于肛提肌。

2003 年，Janda S 等人利用一具無盆底病變的72 歲女性尸體標(biāo)本，建立了世界上首個(gè)以解剖為基礎(chǔ)的肛提肌有限元模型和模型數(shù)據(jù)庫［17］。D'Aulignac 等［18］2005 年在Janda S 的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上應(yīng)用NURB 曲面重建肛提肌的幾何模型，并用該模型模擬了肛提肌在受壓和主動收縮時(shí)的生物力學(xué)特性。同年Lee SL 等［19］首次利用磁共振掃描構(gòu)建了活體青年女性盆底肛提肌的個(gè)體化有限元模型，其模型預(yù)測了盆底組織在不同生理狀態(tài)下（如靜息、收縮或舒張狀態(tài)）的力學(xué)特征，繪出了收縮和舒張狀態(tài)下的Vou Mises 應(yīng)力云圖。2007 年P(guān)arente MP 等人首次構(gòu)建陰道分娩的有限元模型，使用的也是Janda S文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)，除肛提肌外增加了骨盆骨骼和閉孔內(nèi)肌結(jié)構(gòu)［20］。隨后Noakes KF 等［21］對兩具冰凍尸體和一位32 歲健康女性的MRI 數(shù)據(jù)建立了肛提肌及直腸肛管三維有限元模型，通過模擬發(fā)生于盆底的力學(xué)過程，探討盆底及直腸肛管的正常排便機(jī)制。該研究小組繼續(xù)對模型施加了邊界條件，以納入周圍支持結(jié)構(gòu)的作用，觀察模型中肛提肌在受力后的形變，并將結(jié)果與志愿者女性的動態(tài)MRI進(jìn)行比較以證明該模型的準(zhǔn)確率，數(shù)據(jù)表明兩者在垂直方向的均方根誤差為0.7 mm，誤差為2.6%，在水平方向的誤差則為74.5%［22］，誤差較大。2008 年Zhang Y 等［23］使用有限元模型來模擬跳躍引起的壓力性尿失禁，該模型使用接觸約束來描述不同器官之間的相互作用以及流體-結(jié)構(gòu)的相互作用，模擬尿液與組織的相互力學(xué)作用，揭示了彈跳的高度影響了膀胱漏尿量。DeLancey 團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了多個(gè)三維MRI的盆底結(jié)構(gòu)模型，在此基礎(chǔ)上其改進(jìn)了前期的有限元模型，結(jié)果表明當(dāng)胎頭以枕下前囟徑和雙枕徑通過肛提肌裂孔時(shí)，肛提肌應(yīng)力出現(xiàn)峰值［24］。宋紅芳等［25］使用FEA 方法仿真肛提肌在病理狀態(tài)下的應(yīng)力分布，對于盆腔脫垂和不同類型的壓力性尿失禁，肛提肌內(nèi)出現(xiàn)最大應(yīng)力的位置一致，均在肛提肌左右兩側(cè)對稱位置的交界處，Ⅰ型壓力性尿失禁對肛提肌產(chǎn)生的應(yīng)力最大，容易造成肛提肌的損傷。Luo J等［26］2015年再次建立有限元模型來解釋盆腔器官脫垂的發(fā)生，模型包括陰道前后壁，肛提肌，主韌帶、子宮骶韌帶，前、后肌腱筋膜骨盆，肛提肌腱、會陰體、會陰膜和肛門括約肌，結(jié)果表明直腸膨出是由損傷肛提肌和后腔室支撐引起的，膀胱頸支持損傷可能導(dǎo)致膀胱膨出或直腸膨出，并且模擬了修復(fù)后室支持組織以減少直腸膨出，但結(jié)果反而增加了先前存在的膀胱的膨出，這樣的結(jié)果同臨床盆底重建手術(shù)復(fù)發(fā)情況相符。

FEA 有三個(gè)主要步驟：模型創(chuàng)建、模型求解和模型驗(yàn)證。以上的FEA 是將來源于體外正?；虿±順?biāo)本的材料常數(shù)賦予模型中，使用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行組織應(yīng)力、位移的求解、驗(yàn)證。逆向有限元分析是一種優(yōu)化算法，在建立以上有限元模型后繼續(xù)利用迭代分析反向計(jì)算得到不同本構(gòu)模型的材料常數(shù)，比較不同常數(shù)下模型和動態(tài)MR 圖像的位移變化，確定最佳材料常數(shù)［27］。Silva ME 等開始使用逆向有限元分析盆底肌肉的生物力學(xué)行為的材料常數(shù)，并建立30 歲未育健康女性肛提肌模型，模擬Valsalva 動作時(shí)肛提肌的位移情況，使用動態(tài)MRI中獲得的肌肉位移進(jìn)行驗(yàn)證，兩者位移差在水平方向?yàn)?.15 mm，垂直方向?yàn)?.69 mm，誤差率分別為7.0%和16.9%，較前期模型的仿真性更優(yōu)。對尿失禁女性使用相同的方法進(jìn)行建模，同正常女性相比，在Valsalva 動作時(shí)失禁女性肛提肌位移變化前后方向更明顯，肛提肌裂孔也較正常女性大，這些差異在動態(tài)MRI得到了同樣的證實(shí)［28］。

2.FEA對陰道的模擬

陰道壁的肌肉纖維延續(xù)附著于肛提肌腱復(fù)合體上，在維持盆底支持作用中發(fā)揮著作用。2009 年Chen L 等［29］建立了陰道前壁支持結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，結(jié)果顯示，肛提肌損傷、腹壓增加、陰道頂端和陰道旁缺陷均可導(dǎo)致陰道前壁和膀胱膨出，膀胱膨出的大小與腹部最大壓力有關(guān)。構(gòu)建最大Valsalva 時(shí)陰道壁和盆腔骨骼的應(yīng)力模型，數(shù)據(jù)顯示子宮和陰道側(cè)緣位置的差異、陰道寬度和長度的差異反映了陰道壁及其相關(guān)筋膜的變化［30］。

3.FEA對韌帶的模擬

主韌帶-宮骶韌帶復(fù)合體被稱為維持盆底器官的“第一水平”，但由于影像學(xué)對盆腔筋膜、韌帶重建存在困難，所以針對子宮附屬韌帶的FEA 是有限的。Luo J 等［31］應(yīng)用3D 應(yīng)力磁共振成像技術(shù)分析Valsalva 運(yùn)動期間脫垂女性的主韌帶長度較骶韌帶明顯延長，但位置角度基本不變，而子宮骶韌帶角度變化有顯著性差異。

三、FEA應(yīng)用的局限性及優(yōu)化方向

1.FEA三維模型建立依靠影像學(xué)數(shù)據(jù)的優(yōu)化

目前盆底結(jié)構(gòu)有限元模型的建立主要依靠MRI數(shù)據(jù)，精確的影像學(xué)數(shù)據(jù)是優(yōu)化模型的基礎(chǔ)。2014年劉萍等［32］通過采集25 例青年健康未育女性志愿者數(shù)據(jù)構(gòu)建骨盆、盆腔器官及盆底肌群的三維模型，并對肛提肌進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的測量，為有限元的建模提供了正常值參考依據(jù)，填補(bǔ)國內(nèi)此方面的空白。以此為基礎(chǔ)其繼續(xù)構(gòu)建靜動態(tài)肛提肌三維模型，結(jié)合生物力學(xué)為建模提供更為優(yōu)化的數(shù)據(jù)［33］。

但因技術(shù)的局限性，目前的檢查方法仍不能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，解剖學(xué)上恥骨直腸肌、恥骨尾骨肌及髂骨尾骨肌之間無明顯分界，研究者將肛提肌視為一個(gè)整體研究，忽視了各組肌群的不均勻性及肌纖維走向，并賦于相同的材料屬性，這些因素的簡化都勢必會造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果與真實(shí)情況之間出現(xiàn)偏差。核磁擴(kuò)散張量成像可用于無創(chuàng)評估整個(gè)視野中肌纖維方向，近期被用于盆底肌肉研究，結(jié)果還是令人滿意的，但臨床操作中要控制偽影的產(chǎn)生［34］。受激回波位移編碼使用可以量化每個(gè)心動周期心肌的張力［35］，未來可嘗試將無創(chuàng)成像和逆FEA 聯(lián)合使用，優(yōu)化模型建立。

2.生物學(xué)材料特性的確定仍是FEA的關(guān)鍵

變形模型必須同時(shí)具有軟組織的解剖結(jié)構(gòu)和其物理行為特征，特別是對于軟組織復(fù)雜的非線性變形行為的模擬。軟組織的彈性特性取決于微觀和宏觀的結(jié)構(gòu)組織［36］，其生物力學(xué)特性會由于肌肉或韌帶的損傷、膠原纖維的變化、懷孕或更年期期間激素水平的變化而發(fā)生變化?，F(xiàn)有的FEA 中材料特性多來自于已有的模型，或文獻(xiàn)報(bào)道的測量數(shù)據(jù)，但尸體組織的彈性特性與活體組織存在較大的差別［18］，通過對活體離體組織實(shí)施單軸或雙軸拉伸試驗(yàn)可獲得相關(guān)的力學(xué)特征［32-34］，如最大應(yīng)力、剛度、粘彈性特性等，但已有的技術(shù)對軟組織的材料特性仍難以得到精確地表達(dá)。并且缺乏肌肉與他組織（盆腔器官、筋膜和韌帶）連接和滑動等相互作用的數(shù)據(jù)，使得模型邊界和加載條件的應(yīng)用成為困難。這些都需要研究者們繼續(xù)開展大量的基礎(chǔ)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究為之提供更為真實(shí)有利的數(shù)據(jù)。

考慮到以上的限制，逆向FEA 可作為一種具有優(yōu)化算法的手段，在整個(gè)過程中構(gòu)建不同的材料常數(shù)模型，結(jié)果應(yīng)用動態(tài)MRI進(jìn)行驗(yàn)證，估算最準(zhǔn)確和最具體的生物力學(xué)特性。Silva 等人使用逆向FEA獲得的材料常數(shù)的值為C10=11.8kPa 和C20=5.53E-02kPa，這與Lee 等人發(fā)表的材料常數(shù)不同，（C10=2.5kPa 和C20=6.25E-01kPa）［26］，這種差異不僅與特定的盆底肌肉厚度和形態(tài)有關(guān)，而且可能與施加的壓力有關(guān)，逆向有限元還更加貼近的模擬了尿失禁女性的材料特性，其材料特性常數(shù)比正常女性較低，這意味著肌肉更軟，這在臨床上合理的。這項(xiàng)分析需要額外的硬件和軟件支持，因此在所有研究機(jī)構(gòu)中仍然沒有廣泛的使用，仍是一個(gè)探索的過程。

3.盆底FEA的未來

有限元模型反應(yīng)的是某一點(diǎn)、某一時(shí)刻的力學(xué)特性和位移，對生物體本身存在局限性，可自我調(diào)節(jié)和代償?shù)摹討B(tài)的FEA 模型是未來發(fā)展的方向。由于盆底結(jié)構(gòu)是一個(gè)極其復(fù)雜的整體，涉及到多組肌肉、筋膜、韌帶的相互牽拉作用及神經(jīng)牽拉的耐受能力以及強(qiáng)大的代償能力等問題，使得盆底組織的改變一直處于平衡、失平衡、自我修復(fù)代償、再次形成新的平衡的循環(huán)中，而這些在現(xiàn)有的技術(shù)上是難以模擬的，需要今后的研究中不斷地增加基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、優(yōu)化算法、多學(xué)科有力的結(jié)合尋求更真實(shí)的臨床場景數(shù)據(jù)模擬。

FEA 的使用可以提供盆底肌肉的力學(xué)性能數(shù)據(jù)，為闡明PFD 發(fā)病機(jī)制提供依據(jù)，應(yīng)用該方法在臨床上可以用于制定個(gè)性化的失禁或脫垂的手術(shù)方案，優(yōu)化植入網(wǎng)片的生物學(xué)特性，如它的剛度等，并調(diào)整其放置位置以降低手術(shù)失敗率。但由于種種因素的限制，F(xiàn)EA 的領(lǐng)域仍有廣闊的空間需要研究者們?nèi)ジ倪M(jìn)、發(fā)展。