翁劍波 胡輝瑩

有限元法在人體胸部建模研究中的應(yīng)用

翁劍波 胡輝瑩

人體胸部;有限元分析;生物力學(xué)

有限元法也稱有限單元法，它是將實(shí)體對象分割成有限個(gè)小單元，根據(jù)不同領(lǐng)域的需求推導(dǎo)出每一個(gè)小單元的作用方程，組合整個(gè)實(shí)體的單元并構(gòu)成系統(tǒng)方程組，最后將系統(tǒng)方程組求解［1］。自上世紀(jì)60年代，用于工程力學(xué)領(lǐng)域的有限元技術(shù)開始與醫(yī)學(xué)研究相結(jié)合，由此掀開了生物力學(xué)研究的新篇章。有限元的優(yōu)點(diǎn)在于可以模擬復(fù)雜的物理環(huán)境，以便于分析人體器官間的相互影響及綜合運(yùn)動等狀態(tài);另外因其可采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬，具有可重復(fù)性，因而可以成為一些難度較大、價(jià)格昂貴的物理實(shí)驗(yàn)的理想替代方法［2］。

人體胸部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，上鄰頭頸、下接腹部、外覆胸廓，其內(nèi)部有心、肺以及重要的血管神經(jīng)。胸部作為人體呼吸和循環(huán)系統(tǒng)的重要器官所在，醫(yī)學(xué)工作者對其相關(guān)疾病的治療和研究從未間斷。然而，受人體胸部器官和骨性結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、醫(yī)學(xué)倫理學(xué)等諸多因素的限制，傳統(tǒng)的生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)難以對胸部進(jìn)行全面模擬，再者整體胸部標(biāo)本稀少，不適合進(jìn)行破壞性實(shí)驗(yàn)，而有限元技術(shù)在人體胸部研究中的應(yīng)用恰恰解決了這一瓶頸。本文綜述了人體胸部有限元模型的建立和發(fā)展，并指出其自身的局限性與不足，期待其在今后的研究中取得新進(jìn)展。

1 人體胸部有限元模型的建立與發(fā)展

人體胸廓有限元模型首創(chuàng)于1970年，由Roberts［3］建立，該模型對骨骼全部采用線彈性材料，忽略周圍軟組織，僅使用靜力加載。3年后，Roberts和Chen將同一個(gè)模型與動態(tài)加載綜合技術(shù)相結(jié)合，以觀察沖擊下對胸廓結(jié)構(gòu)的影響［4］。1977年，Sundaram等［5］建立了兩個(gè)胸廓模型:一個(gè)包括脊柱、肋骨、胸骨等骨性結(jié)構(gòu)，另一個(gè)在其骨性結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上填充了肌肉和內(nèi)臟，采用了對稱技術(shù)以縮短計(jì)算時(shí)間，所有的材料均考慮為線彈性。1978年，Chen［6］對胸廓模型進(jìn)行了擴(kuò)充，開始考慮胸廓模型內(nèi)臟的因素，模型賦予的材料仍考慮為線彈性。1988年，Stuhmiller等［7］建立了羊的3D有限元模型，其模型以固體元素區(qū)分了胸腹腔內(nèi)的臟器，建模所賦予的材料有了新的突破。1991年，Plank等［8］建立的模型更加接近于真實(shí)胸廓，重建了脊柱、胸骨、肌肉及一些軟骨組織，但是未能重建胸腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所有元素均用粘彈性材料構(gòu)建，模型在胸廓整體結(jié)構(gòu)上有了新進(jìn)展。1995年，Wang等［9］建立的模型包括了完整的骨骼肌、內(nèi)臟系統(tǒng)，粘彈性材料被賦予了骨骼和其他元素。2000年，Jolly等［10］建立的模型將骨骼賦予彈性材料，而肌肉則采用粘彈性材料，此時(shí)建立的胸廓模型更接近真實(shí)的人體，更具準(zhǔn)確性。2007年，胡輝瑩等［11］應(yīng)用mimics軟件對一具尸體標(biāo)本的 CT數(shù)據(jù)進(jìn)行了重建，模型完整重現(xiàn)了脊柱、胸骨、肋骨的骨性解剖結(jié)構(gòu)，并根據(jù)其不同灰度值將模型區(qū)分為皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨及肋軟骨，建立的骨性模型進(jìn)一步被細(xì)化，具體到節(jié)點(diǎn)，單元。Roberts等［12］則對骨骼、器官及縱膈采用線性四面體單元建立，并使用LS－DYNA軟件進(jìn)行裝配，各個(gè)器官被建立為實(shí)體，不含其內(nèi)部空腔結(jié)構(gòu)。模型簡單的以圓柱體進(jìn)行代替，肺臟被賦予為實(shí)體器官。張治綱等［13］在2009年利用CT圖像及第三軍醫(yī)大學(xué)“中國可視化人體”斷層照片建立有限元模型，模型由體單元solid164構(gòu)成，胸骨、肋骨等骨性結(jié)構(gòu)設(shè)為線彈性材料，而內(nèi)臟、肌肉定義為粘彈性物質(zhì)。2010年，El-Jawahri等［14］在原有建模的基礎(chǔ)上，對FHBM(福特人體模型)進(jìn)行了代表年齡的判斷，并且以形態(tài)學(xué)為基礎(chǔ)嘗試建立其他代表年齡模型，并通過尸體實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果證明模型是有效的，也證實(shí)了研究的意義。Li等［15］單獨(dú)對肋骨進(jìn)行了有限元研究，主要從肋骨結(jié)構(gòu)、網(wǎng)格密度、皮質(zhì)厚度、賦值材料角度研究了胸部第2、4、6、10肋。研究表明2 000～3 000個(gè)固體元件建立的肋骨模型可以精確計(jì)算并反映人體肋骨結(jié)構(gòu)。皮質(zhì)元件厚度應(yīng)具有可變性，彈塑性材料更適合肋骨模型。2011年以后，康建毅、李海巖和邵煜等［16－18］基于CT數(shù)據(jù)建立胸部的有限元模型，開始考慮用四面體、六面體實(shí)體單元、殼單元來構(gòu)建胸部各個(gè)組織部位。模型較以往更加細(xì)化，其胸椎包括了橫突棘突、椎弓根、椎間盤纖維環(huán)、髓核，還構(gòu)建了肺和心臟，氣管主動脈和下腔靜脈等。2013年，Roth等［2］建立了胸腹腔聯(lián)合有限元模型，實(shí)驗(yàn)采用動態(tài)和靜態(tài)兩種加載方式并重建了所有的主要器官，與以往不同的是，胸腹腔臟器與臟器空間被賦予了液體元素，最終模型由38 600個(gè)六面體元素及77 800個(gè)四面體元素構(gòu)成。

2 人體胸部有限元模型的分析與應(yīng)用

有限元技術(shù)有著深厚的理工科背景，有關(guān)人體胸部有限元模型的分析最早開始于汽車制造業(yè)，探討外力撞擊對胸廓的影響，尤其是汽車碰撞對人體胸部的直接損傷機(jī)理，通過對其研究從而優(yōu)化汽車的設(shè)計(jì)，盡可能地降低車輛碰撞事故中的胸部損傷風(fēng)險(xiǎn)，減輕對人體的傷害，利用建立的仿真模型為復(fù)雜車輛碰撞事故中的胸部損傷生物力學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)，并應(yīng)用到不同碰撞條件下的肋骨骨折損傷預(yù)測和評估中［3－9，19，20］。而醫(yī)學(xué)研究上，康建毅等［16］利用胸部有限元模型數(shù)值模擬爆炸沖擊波載荷下胸部的周圍壓力和肺臟的應(yīng)力分布規(guī)律，其研究讓我們了解了沖擊波作用于機(jī)體的各個(gè)過程，預(yù)測胸部損傷的發(fā)生情況，對沖擊波損傷機(jī)制、損傷評估等研究具有非常重要而深遠(yuǎn)的意義。李海巖等［17］通過有限元模型模擬交通事故中兒童胸部的撞擊實(shí)驗(yàn)，分析其在軸向碰撞載荷下的變形量和撞擊力的關(guān)系曲線，與縮放獲得的成人尸體試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而驗(yàn)證模型的有效性，為開展兒童胸部損傷機(jī)理及安全防護(hù)領(lǐng)域的研究提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。邵煜等［18］通過有限元模型模擬人體右季肋區(qū)遭受鈍物擊打時(shí)胸廓的應(yīng)力、應(yīng)變情況，結(jié)果在6 m/s與8 m/s的擊打速度可造成擊打部位的肋骨發(fā)生骨折。通過對胸廓骨性結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變趨勢分析，闡明胸部損傷的致傷機(jī)制，為法醫(yī)損傷學(xué)研究提供了參考的依據(jù)。Roth等［2］通過胸腹部有限元模型在高速撞擊下觀察到胸腹部在受到撞擊時(shí)內(nèi)臟間的相互作用，并量化觀測到胸腹腔形變的發(fā)生及發(fā)展，這在實(shí)際交通事故中對胸部內(nèi)臟損傷機(jī)理的研究提供一定的幫助。除了用于有創(chuàng)性研究，人體胸部有限元模型的分析對臨床治療也有著重大意義。Kinst［21］和 de Jongh等［22］將胸部有限元模型運(yùn)用到臨床的心電除顫上，通過植入不同位置的電極來測量除顫閾值，進(jìn)而觀察心肌電除顫的效果和驗(yàn)證電極位置的有效性，這為臨床心電除顫的研究發(fā)展提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。胡輝瑩等將［11］有限元模型用于模擬胸外按壓，以此探討心肺復(fù)蘇時(shí)胸外按壓的機(jī)制，為臨床胸外按壓的有效性提供生物力學(xué)研究的基礎(chǔ)資料。Gzik-Zroska等［23］將有限元技術(shù)用于漏斗胸的治療，通過建立胸部有限元模型，比較不同厚度穩(wěn)定板對患者胸廓應(yīng)力、應(yīng)變的改變情況，選擇最佳厚度用于改善患者心肺的工作效率。Hatano等［24］建立不同畸形的胸廓模型，使用計(jì)算機(jī)模擬膈肌及肋間肌的運(yùn)動以觀察吸氣運(yùn)動時(shí)，胸腔容積增加與畸形程度的關(guān)系，這有助于我們了解異常胸廓與損傷機(jī)制的特點(diǎn)。

3 胸部有限元模型研究的不足與展望

就目前的研究進(jìn)展而言，將有限元技術(shù)應(yīng)用于人體胸部的研究并不多見，整體研究進(jìn)展相對落后于其他領(lǐng)域，如脊柱、口腔等。筆者認(rèn)為造成這一原因主要有三個(gè)方面:①盡管該領(lǐng)域開展較早，但有限元技術(shù)本身要求有一定的理工科背景，故長期由汽車制造業(yè)、軍隊(duì)工程師所把持，由于其缺乏相應(yīng)的醫(yī)學(xué)解剖知識，所建立的模型真實(shí)可靠性有待檢驗(yàn)，臨床針對性也有所欠缺;②人體胸部結(jié)構(gòu)復(fù)雜(軟組織和硬組織)，其生物力學(xué)性質(zhì)不能僅用骨性結(jié)構(gòu)評價(jià)，同時(shí)胸部骨性關(guān)節(jié)復(fù)雜，各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動性質(zhì)不盡相同;③胸部數(shù)據(jù)處理量龐大，往往需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力。因此，建立胸部的有限元模型難度較大。

在有限元技術(shù)層面，為了方便計(jì)算分析，有限元模型在建立過程中常常將模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，客觀上影響了結(jié)果的真實(shí)性。①在建模材料屬性的賦值上缺乏一定的合理性，F(xiàn)orman等［25］將有限元模型與尸體實(shí)驗(yàn)對比時(shí)發(fā)現(xiàn)，將肋軟骨描繪成勻質(zhì)、各向同性的線彈性材料時(shí)，胸廓活動度偏大，得出該賦值材料并不能完全模擬肋軟骨。生物組織的材料屬性，例如骨骼是標(biāo)準(zhǔn)的非勻質(zhì)各向異性材料，現(xiàn)階段研究已開始考慮，但胸廓骨骼未見如此處理，同時(shí)肌肉、內(nèi)臟的建模中也存在類似情況，而現(xiàn)今已有學(xué)者對軟組織建模進(jìn)行了論證［26］，這可能是今后需要引入的技術(shù)手段。②邊界條件的添加往往需要研究者個(gè)人的物理學(xué)知識和醫(yī)學(xué)素養(yǎng)，否則會出現(xiàn)遺漏或錯(cuò)誤，這也進(jìn)一步提示醫(yī)學(xué)工程界與臨床醫(yī)生合作的重要性。

在過去的40多年中，有限元技術(shù)用于人體胸部領(lǐng)域的研究已取得了重要的進(jìn)展，胸部有限元模型日趨接近人體真實(shí)解剖結(jié)構(gòu)，所賦材料日益多樣化，與臨床結(jié)合更加緊密。隨著未來計(jì)算機(jī)技術(shù)及相關(guān)軟件的不斷發(fā)展，該技術(shù)必將在有關(guān)胸部研究中大放光彩，但在開展相關(guān)研究的同時(shí)，亦需了解其局限性，因地制宜合理的建立模型，對其合理的材料賦值并添加邊界條件。

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10.3969/j.issn.1000 －0399.2015.05.037

510510 廣東廣州 南方醫(yī)科大學(xué)(翁劍波)

510510 廣東 廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院附屬157醫(yī)院(胡輝瑩)

胡輝瑩，huhuiying11@126.com

(2014－11－20收稿 2015－02－18修回)