有限元分析模型在女性盆底功能障碍性疾病研究中的应用及意义

陈茜，卢媛，尧良清

盆底功能障碍性疾病（pelvic floor dysfunction，PFD）是中老年妇女常见病之一，以尿失禁、盆腔器官脱垂（pelvic organ prolepses，POP）、大便失禁、慢性盆腔痛等为主要临床表现，严重影响中老年妇女的身心健康及生活质量。近年来大批学者投入到对这类疾病的发病机制及治疗方法等方面的研究中。但女性盆底组织结构复杂，很多妇科医生对其解剖关系缺乏深入了解，这为进一步临床研究造成困难。

随着医学影像学技术和计算机科学的发展，有关人体结构的三维重建及可视化研究成为了医学研究的新方法，尤其是与有限元分析（finite element analysis）相结合对盆底组织进行生物力学分析，已经成为目前妇科领域新的研究热点。目前临床常用的影像检查技术包括超声、电子计算机X线断层扫描（computed tomography，CT）、磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）等。MRI因具有软组织分辨率高、无电离辐射等优点，成为目前公认的评价盆底结构的最佳影像学检查方法之一，在临床上得到广泛应用[1-2]。但盆底肌肉位置较深、解剖结构复杂，肌肉密度相近，MRI也不能完整、清晰地显示盆底各组织结构间的关系，而有限元模型分析则可以结合影像学内容建立三维模型，进而通过有限元分析进行生物力学特性研究。对女性盆底组织的有限元分析研究进行综述，旨在了解目前有限元分析研究在妇产科领域中的进展，以求寻找出女性盆底有限元分析模型建立及应用的方法，以进一步进行PFD发病机制的研究，帮助妇科医生制定手术计划并指导实施手术以达到最佳疗效，并进行有效的预后分析。

1 有限元分析的概念

有限元分析的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。有限元分析法的基本思想是化整为零，先将研究区域离散化，使之成为一组通过一定联接方式联结在一起的有限单元组合体，分别模拟成各种求解计算小单元，然后对各小单元进行力学计算及分析，最后再对各小单元的计算结果进行整体综合分析。有限元分析在离散化时，节点数越多，单元划分得越细，计算结果就越接近真实，同时也需要更大的计算量。所以很多客观实体实验法难以得到的研究结果可以通过有限元分析法来解决。自有限元概念提出以来，有限元理论及其应用迅速发展，随着计算机和软件技术水平的快速提高，目前有限元模型已由二维线性发展到三维非线性，有限元研究也由单个运动节段发展到整个人体。目前有限元技术在骨科、口腔医学、头颈外科等相关领域中已得到普遍应用[3-4]，但在妇产科相关领域中的研究仍属于探索阶段，是近年来妇科新的研究热点之一。

2 PFD的诊治现状

以尿失禁、POP和大便失禁等为主要表现的女性PFD是中老年妇女的常见病和多发病，严重影响了她们的健康和生活质量，甚至被称为“社交癌”[5]。有调查显示，在经产妇中POP的发病率高达40%～60%[6]。挪威EPONCONT大样本女性尿失禁调查显示该地区女性尿失禁患病率为25%[7]。一项包含全球多个地区的大样本流行病学调查显示，尿失禁的发病率随年龄的增加而升高，18～20岁女性尿失禁的发病率为 1.6%～22.8%，30～40岁为 7.0%～30.3%[8]。在中国，北京协和医院女性盆底学课题组在对中国北京地区成年女性尿失禁的流行病学调查研究结果显示，成年女性尿失禁患病率是38.5%[9]。甘肃一项尿失禁流行病学调查研究显示，甘肃省成年女性尿失禁的平均患病率为41.3%[10]。

目前PFD的发病机制尚未完全明确，主要认为与盆底支持组织退化、损伤所致的组织松弛有关，其中最主要的因素是妊娠与分娩[11]。北京协和医院对盆底支持结构的形态学研究发现，PFD患者肛提肌肌纤维变细萎缩、排列稀疏，间质被丰富的纤维结缔组织所取代，子宫韧带平滑肌束细碎，排列凌乱[12]。盆底肌肉或神经的病理性改变可导致盆底组织支持力量减弱，可能是该类疾病发生的基础[13]。也有文献列出多个随机对照试验结果证明，盆底肌肉锻炼对尿失禁、POP、性功能障碍等疾病疗效显著[14]。

目前，对于轻度PFD患者以盆底肌肉锻炼等物理治疗为主，对于中重度PFD患者则以手术治疗为主，虽然近年来手术方式不断改进，但无论采取何种手术方式，术后复发率仍持续在较高水平，究其原因，可能与以下几方面因素有关：①术者对盆底组织解剖结构的了解不够全面、深入；②对PFD的发生机制理解不足；③术者手术时根据自身临床经验及解剖知识施行手术、操作技巧参差不齐，导致手术效果的差异等。所以如何选择或优化手术方案就成为目前妇科医生亟待解决的问题，也是临床上值得探索和研究的课题，而有限元研究可将盆底组织进行三维重建，模拟盆底组织在各种疾病及手术中的改变，因此促进了有限元分析法在PFD研究中的进一步发展。

3 有限元分析在女性PFD研究中的应用

女性盆底组织的解剖结构复杂，盆底肌肉位置较深，故很难从影像学技术上得到清晰的展现，临床常用检查技术中仅MRI可相对清晰地显示盆底组织结构图像，目前对于女性盆底的有限元研究多集中在骨盆的骨性结构上，并在骨科的相关研究及临床应用中取得了一定成果[15-16]。Dalstra等[17]构建了骨盆三维有限元模型，开展了有限元模型的建立及验证。苏佳灿等[18-19]构建了骨盆及髋臼三维有限元模型及静载荷作用下的骨盆三维有限元分析等。目前国内外对于盆底有限元分析模型的研究主要集中在盆底软组织上，由于肛提肌在盆底支持结构中占有重要地位，并且肛提肌体积较大，获得影像学数据相对容易，因此目前有限元分析模型的研究多集中于肛提肌。但由于影像学及计算机技术的限制，目前大多文献报道中的有限元分析研究多停留于建立有限元模型，对进一步有效的有限元分析及有效验证并无详细报道。

2001年，Hoyte等[20]运用MRI及三维重建软件建立了PFD女性患者及健康妇女的肛提肌三维模型，并通过对模型中各数据的测量发现患病者肛提肌的体积、厚度及完整性均较健康者小，差异有统计学意义，提示PFD患者存在肛提肌缺损或损伤的可能。2005年，d′Aulignac等[21]建立了女性肛提肌的有限元模型，并利用该模型模拟肛提肌在受压和主动收缩时的生物力学改变。Lee等[22]基于MRI建立了活体青年女性盆底肛提肌的有限元模型，并通过所建立的有限元模型模拟盆底组织在不同生理状态下（静息、收缩或舒张状态）的生物力学特征。2008年，赵惠军等[23]将基于MRI所获得的盆底组织图像进行三维重建，也获得了女性盆底组织（包括肛提肌及闭孔内肌）的三维模型，但并未进一步对盆底组织进行生物力学分析。Venugopala Rao等[24]通过MRI建立了包括膀胱、阴道、子宫、直肠及盆底软肌肉及韧带等的有限元模型。2011年，有学者建立了子宫重度脱垂患者及健康志愿者肛提肌的有限元模型，并模拟对比分析了两者在各种模拟状态下的生物力学特点[25]。也有学者利用有限元分析法模拟计算多种情况下肛提肌的应力改变，认为不同状态下的腹压会对肛提肌产生较大的应力，容易造成肛提肌的组织受损[26]。刘萍等[27]通过采集25例青年健康未育女性志愿者的盆腔MRI数据集，利用三维重建软件构建了骨盆、盆腔器官及盆底肌群的三维模型，并对肛提肌进行相关指标的测量，用以研究女性盆底肌群的解剖，评估盆底功能。

总结目前盆底组织有限元的研究方法，多采用MRI或CT联合MRI获取盆底各组织的影像学图像信息，然后将这些资料导入专业的图像处理软件（如Mimics等），生成三维几何模型，再将其导入有限元前处理软件（如Geomagic、HyperWorks等）进行模型优化，进一步整合成为完整的有限元模型，最后再导入有限元计算软件（如Ansys等），通过材料属性设定、边界约束设置等进行所需的有限元分析，即可对某一特定区域的受力情况及位移情况进行分析等。总之，有限元分析法在盆底软组织的研究已经引起了众多妇科医生的关注，但迄今为止，国内外尚无完整的女性盆底有限元模型的报道，大多数学者只是针对其中一部分或相关几部分内容进行分析研究，有限元模型在妇产科相关疾病的临床应用也并未启动。

4 有限元分析法在女性PFD研究中的优势和缺陷

获得女性盆底有限元模型之后，便可以通过计算分析获得其生物力学的实验资料和数据，解释盆腔脏器脱垂及其他相关疾病的发病机制；通过模拟不同程度的病变以及模拟各种术后状态，对比分析手术前后盆底肌肉的生物力学变化特征，可以为改良手术方式、改进手术材料等提供可靠依据；盆底软组织与骨盆结构的形态、材料属性、性能等方面都比较复杂，通过有限元分析法能够对其进行力学分析，给出模型受力时各部分组织的最大应力和形态学改变的全过程，真正做到用数字化模型代替活体组织来评估盆底组织的生物力学特性。

但是目前文献报道中所建立的女性盆底有限元模型并不完整，只是一个理想化的简化模型。建模过程中，所用图像处理软件（如Mimics等）对于图像的各种处理技术可能导致模型与活体的真实结构产生偏差，另外，尽管MRI可以显示盆底组织的结构图像，但因盆底组织解剖的复杂性，目前还不能通过影像学检查完整清晰地分辨出盆底的各组韧带及不同走行的各组肌肉，故在盆底组织模型建立的过程中多数研究者都根据自己的解剖学知识对各组织进行形态学的模拟，而在各类材料的属性赋值时，因无准确的测定方法，研究者们也往往会忽略各组肌群的不均匀性及肌肉纤维的不同走向，这些因素都势必会造成实验结果与真实情况的偏差。而对于有限元模型建立后的活体验证目前也无公认方法。这些缺陷都限制了盆底有限元模型在临床上的进一步应用，使大部分的研究都止步于模拟及假设阶段。

5 结语与展望

虽然目前国内外对有限元的研究仍处于初级阶段，有限元分析模型还存在许多简化和假设，但是有限元分析法最大的优点就是为临床医生解决了不能直接在活体上进行操作研究的技术难题，可以利用计算机技术为临床的工作找到相应的理论依据。通过女性盆底软组织有限元模型的建立及分析，不仅有助于了解盆底肌肉及韧带的生物学功能，阐明PFD的发生机制，还能为进一步优化治疗方案、研究手术治疗预后等提供帮助。临床医生应进一步加强对盆底组织解剖结构、有限元知识以及计算机技术的了解，多学科的有力结合才能帮助有限元分析在医学领域进一步发展，才能真正为解决临床问题提供帮助。

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