人体胸廓三维有限元模型的建立过程和应力分布特点

翁剑波，胡辉莹

(1.南方医科大学，广东 广州 510515；2.广州军区广州总医院附属157医院，广东 广州 510510)

人体胸廓三维有限元模型的建立过程和应力分布特点

翁剑波1,2，胡辉莹2

(1.南方医科大学，广东 广州 510515；2.广州军区广州总医院附属157医院，广东 广州 510510)

目的 探讨人体胸廓三维有限元模型的建立过程和应力分布特点，以证实三维有限元模型的可靠性，为心肺脑复苏急救时胸外按压机制和效果提供生物力学依据。方法胸部多层螺旋CT扫描辅助下成功建立人体胸廓三维有限元男女模型各一个，模拟垂直胸外按压，分析人体胸廓三维有限元模型的各部位胸廓位移和应力特点。结果成功建立脊柱、锁骨、肋骨和胸骨等胸廓结构的三维有限元模型，男/女共741 006/760 816个节点，男/女共316 034/326 785个单位。参照CT影像学特点将人体胸廓三维有限元模型分为6种材料性质。模拟垂直胸外按压，向下移位最大的胸廓部位为胸骨，应力主要分布于肋骨最后部位。静态加载时，胸骨位移恒定情况下，男性所需外力明显大于女性，两者比较差异具有统计学意义(P＜0.05)。胸骨第4、5肋间、第5、6肋间达到相同位移时需要较小的外力，与胸骨3、4肋间比较差异具有统计学意义(P＜0.05)。动态加载达到相同位移时所需外力较静态加载大，且随着频率增大，胸廓实际所承受的载荷逐渐减小，在80～100次/min时，相同外力作用下胸骨位移增加，但在110次/min时胸骨位移下降。结论建立人体胸廓三维有限元模型需提供精准的胸廓组织结构信息，为人体胸廓体外按压提供生物力学依据。

胸廓；三维有限元模型；建立；应力

胸外按压是心肺脑复苏急救过程中的重要组成部分，其在临床急救中具有重要作用。国际心肺脑复苏指南指出胸外按压是急救过程中的关键，胸外按压效果直接影响心肺脑复和急重症患者救治成功率[1]。因此，有效的胸外按压在改善患者疾病预后和降低死亡率中具有重要的意义。但如何保证和提高胸外按压的有效性，目前相关研究缺乏对比性，且病例选择存在一定困难，胸外按压模型建立过程中受多种临床因素限制[2]。本研究在影像学技术辅助下结合三维有限元生物力学分析方法，经计算机重建，具有精准反映正常人体胸廓生物力学特征，对三维有限元模型实施仿真试验，旨在研究人体心肺脑复苏过程中胸外按压机制和生物力学特征，提高急救成功率。

1 材料与方法

1.1 实验对象 选取新鲜尸体标本两具，经过X线及CT扫描排除胸廓畸形及无骨折尸体。①男性：身高 178 cm，体重85 kg，年龄40岁，胸廓横径28.5 cm，纵直径19.7 cm，周径79 cm；②女性：身高163 cm，体重52 kg，年龄55岁，胸廓横径25.6 cm，纵直径16.8 cm，周径73.4 cm。

1.2 方法 ①仪器：德国西门子双源CT(型号：SOMATOM Definition，2008G)，分析应变机器(德国ARAMIS非接触应变分析测量仪)，加载仪器(美国博士材料实验机，BOSE ElectroForce)；②扫描范围：完整胸廓：T1～12(包括12肋下缘)，包括软组织、骨组织(胸骨、肋骨、肋软骨，椎骨、锁骨、肩胛骨、肱骨头)，内脏器官(心脏、肺等)；③条件：分辨率≥(512×512×8)bit，层厚≤0.4 mm，选择骨窗和软组织窗；④扫描：男，扫描时间14.79 s，图像1 137张，女，15.97 s，1 234张；⑤存贮图像格式：DICOM格式。

1.2.1 人体胸部CT图像的提取及构建三维模型 采用不同性别新鲜尸体，X线排除胸部疾患及损伤，进行胸部螺旋CT扫描，获得二维断层图像并存储。将断层影像输入三维重建软件Mimics进行三维重建，建立人体胸部三维实体模型。

1.2.2 人体胸部三维有限元模型的建立 在Mimics软件中进行表面网格划分，然后将模型导入ANSYS软件中进行体网格划分，再导入Mimics软件进行材质划分，如此反复多次后，最终建立了具有非常精确的组织结构信息的人体胸部有限元模型。

1.2.3 验证人体胸部有限元模型的有效性 标本做胸外按压的生物力学测试(人体胸部在不同作用力、不同按压位置胸廓位移)所得到的有效数据与胸部有限元模型进行对照，比较相同作用力下两组的位移关系，通过两组数据的趋势曲线来进一步修正模型，验证其有效性和仿真程度。

1.2.4 胸部有限元模型分析 在计算机模型上模拟胸外按压，分析不同按压频率和深度胸廓的应变情况。①静态加载：加载位置选择：第3、4肋间、第4、5肋间和第5、6肋间，依次以已知力量0～400 N大小，在不同加载位置以每50 N为一个级别进行逐级加载，BOSE机配置配置电脑同步记录载荷、位移数据；②动态测试，采用80次/min、100次/min、120次/min、140次/min的加载频率，以相同的外力在三个不同位置进行测试。

1.3 统计学方法 本研究数据采用SPSS18.0统计软件进行分析，计量资料以均数±标准差(±s)表示，组间比较采用t检验，以P＜0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 人体胸廓三维有限元模型特点 成功建立脊柱、锁骨、肋骨和胸骨等胸廓结构的三维有限元模型，男/女共741 006/760 816个节点，男/女共316 034/ 326 785个单位，参照CT影像学特点将人体胸廓三维有限元模型分为6种材质，见表1。

表1 人体胸廓三维有限元模型的六种材质划分（男/女）

2.2 人体胸廓三维有限元模型应力分布特点 Ansys10.0有限元分析软件中“求解”结果显示，人体胸廓三维有限元模型中的胸廓应力和应变集中位置不同，应力主要位于静态约束模型中的运动自由度(胸背部的最后部位肋骨位置)，应变主要位于肋骨和胸骨相交处；模拟垂直胸外按压，向下移位最大的胸廓部位为胸骨，应力主要分布于肋骨最后部位，致使受力集中位置于胸背部；而应变主要位于肋骨和胸骨相交处，致使变形程度最明显的是肋骨和胸骨相交处。

2.3 人体胸廓三维有限元模型生物力学分析 ①静态加载时，胸骨位移恒定情况下男性所需外力明显大于女性，两者比较差异具有统计学意义(t=3.21，P＜0.05)。胸骨第4、5肋间、第5、6肋间达到相同位移时需要较小的外力，与胸骨3、4肋间比较差异具有统计学意义(t=2.89，P＜0.05)。②动态加载达到相同位移时所需外力较静态加载大，在动态加载下，随着频率增大，胸廓实际所承受的载荷逐渐减小，在80～100次/min时，相同外力作用下胸骨位移增加，但在110次/min时胸骨位移下降。

3 讨论

胸外按压是心肺脑复苏急救领域中的重点，胸外按压在急救治疗中的重要性逐渐受重视，其按压次数从早期心肺复苏时的60～80次/min到目前的100次/min[3]。国际心肺脑复苏对胸外按压操作部位和力量中的要求更为严格，此外，胸外按压的作用机制从早期的心泵理论逐渐向胸泵理论转变。有研究认为，节律性胸骨按压通过按压位于心脏处的胸外部位置，促进心房室瓣关闭，增加心室内压，促进血液循环[4]。胸外按压解除后心室舒张，血液充盈，导致血液回流，反复胸外按压有助于促进人工血液循环，增加心脏的血液供应，被称为心泵理论。而胸泵理论认为胸外按压增加导致胸部血管压力明显增加，形成胸外静脉低压，故形成动静脉血管压力梯度，促进血液从动脉流出，解除胸外按压后胸内压明显下降，形成胸内外静脉压梯度，静脉壁不受压，血管腔开放，导致血液向心肺回流，但胸内动脉床容量小，关闭动脉瓣，回流血液受限，心脏血流供应仅暂时泵作用[5]。近年来，研究证实胸外按压符合振动力学规律，胸腔共振机制在胸外按压中具有重要的作用[6]。研究普遍认为胸外按压促进心脏复跳的机制主要是通过胸廓形状、胸内外压改变促进血液循环，胸泵理论对心肺脑复苏治疗具有重要的作用[7]。本研究通过人体胸廓三维有限元模型的建立及应力分析外力作用下胸廓应力分布特点，采用生物力学分析胸外按压频率、力度对心肺脑复苏的作用。

本研究结果显示，成功建立脊柱、锁骨、肋骨和胸骨等胸廓结构的三维有限元模型，参照CT影像学特点将人体胸廓三维有限元模型分为6种材质。模拟垂直胸外按压，向下移位最大的胸廓部位为胸骨，应力主要分布于肋骨最后部位。通过CT影像学信息成功建立有限元三维胸廓模型。三维有限元分析是计算机力学分析的主要方法之一，与光电测方法比较，有限元分析方法在人体胸廓三维模型的建立中具有重要的优势，具有精准表达任何复杂性几何图形和力学材质，成功构建反复性应用的人体胸廓三维模型。本研究结果还显示，静态加载时，胸骨位移恒定情况下男性所需外力明显大于女性。不同加载位置所需外力差显著，其中胸骨第4、5肋间、第5、6肋间达到相同位移时需要较小的外力，但临床实践已证实胸骨第5、6肋间更可能发生骨折，因此，胸骨第4、5肋间可作为临床胸外按压位置。动态加载期间随着频率的增大胸廓实际所承受的载荷逐渐减小，在80～100次/min时，相同外力作用下胸骨位移增加，但在110次/min时胸骨位移下降。因此，临床采用100次/min加载频率在减少承受载荷的同时获取较为合适的胸骨位移。因此，电子计算机技术辅助下成功建立人体胸廓模型有助于为临床急救治疗中的胸外按压提供有力的依据。人体胸廓三维有限元模型虽然具有假设性或简化性操作，但其为临床医生解决了不能在人体操作上的重要的问题。

综上所述，建立人体胸廓三维有限元模型需提供精准的胸廓组织结构信息，为人体胸廓体外按压提供生物力学依据。

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[5]胡辉莹,钟世镇,聂晨阳.人体骨骼生物力学中有限元分析的研究进展[J].广东医学,2007,28(9):1532-1534.

[6]赵永为,王 鹤,王霄英,等.基于模型的迭代重建在胸廓出口处超低剂量CT扫描中的可行性[J].放射学实践,2013,28(3): 88-290.

[7]谢新武,孙秋明,倪爱娟,等.人体胸廓心肺复苏胸外按压力学模型及其模拟研究进展[J].生物医学工程学杂志,2009,26(3): 681-684.

Establishment process and stress distribution characteristics of three-dimensional finite element model of human thorax.

WENG Jian-bo1,2,HU Hui-ying2.1.Southern Medical University,Guangzhou 510515,Guangdong, CHINA;2.157 Hospital Affiliated to General Hospital of Guangzhou Military Command,Guangzhou 510510,Guangdong, CHINA

ObjectiveTo investigate the establishment process and stress distribution characteristics of three-dimensional finite element model of the human thorax,to verify the reliability of 3D finite element model,and to provide biomechanical basis for cardiopulmonary cerebral resuscitation of chest compressions mechanism and effect.MethodsWith multi-slice spiral CT scanning,three-dimensional finite element model of the human thorax (men and women)were successfully established.Simulating vertical chest compressions,the thoracic displacement and stress characteristics of each part of three-dimensional finite element model of the human thorax were analyzed.ResultsThe three-dimensional finite element models of the spine,clavicle,rib and sternum and other thoracic structures were successfully established,with 741 006/760 816(male/female)nodes and 316 034/326 785(male/female) units.According to the CT imaging characteristics,the models were divided into six kinds of material properties.During simulation of vertical chest compressions,thoracic part with the maximum downward shift was the sternum,and stress was mainly distributed in the last part of the ribs.Under static loading,in case of constant sternal displacement, the force required for male was significantly bigger than that for women(P＜0.05).The sternums in 4,5 intercostal,5, 6 intercostal needed a smaller force to achieve the same displacement,compared with the sternum in 3,4 intercostal (P＜0.05).Under dynamic loading,bigger force was required than static loading to achieve the same displacement,and as frequency increases,the thoracic actual bearing load decreased gradually.Under the same external force,the displacement of sternum increased at 80～100 times/min and decreased at 110 times/min.ConclusionAccurate information of thoracic tissue structure is needed for the establishment of three-dimensional finite element model of the human thorax,to provide biomechanical basis for chest compression of the human thorax.

Thorax;Three-dimensional finite element model;Establishment;Stress

R336

A

1003—6350（2015）05—0632—03

10.3969/j.issn.1003-6350.2015.05.0228

2014-09-18)

广东省自然科学基金(编号：S2011040001103)

胡辉莹。E-mial:huhuiying11@126.com