基于动态载荷与MRI验证的盆腔器官生物力学有限元模拟研究及其在盆底功能障碍中的应用

　　本研究针对盆底器官脱垂(POP)病理机制不清的问题，通过构建患者特异性有限元(FE)模型，结合动态磁共振成像(MRI)验证，实现了对膀胱、子宫、直肠等盆腔器官在Valsalva动作下的生物力学响应精准模拟。研究发现包含流体特性的膀胱模型位移误差仅18%-26%，为POP的精准诊疗提供了可靠的生物力学研究平台。

　　

盆底器官脱垂(Pelvic Organ Prolapse, POP)作为一种常见的女性健康问题，特别是50岁以上女性中发病率高达50%，严重影响着患者的社交、心理、职业和生理生活质量。尽管其发病与阴道分娩、年龄增长和体重指数增加密切相关，但医学界对其病因和病理生理机制的认识仍十分有限。近年来，医学工程师和生物力学科学家开始运用有限元分析(Finite Element Analysis, FEA)等工程学方法研究这一女性疾病，但由于盆腔腔结构复杂，包含多种硬组织和软组织（器官、骨骼、肌肉、韧带等），且边界条件难以确定，导致现有模型存在诸多局限性：或未考虑膀胱、阴道、子宫和直肠的超弹性行为，或仅适用于非病理条件，或缺少对韧带、筋膜和肌肉等关键稳定结构的表征。

为了解决这些问题，来自法国Université Marie et Louis Pasteur等机构的研究团队在《Medical Engineering》发表了创新性研究，他们基于患者特异性MRI数据，建立了二维有限元模型，模拟盆腔器官在动态载荷下的生物力学响应，并通过11秒动态MRI数据进行验证，为理解POP生物力学机制提供了重要工具。

研究人员主要采用了几项关键技术：首先利用1.5T Philips Gyroscan系统采集动态矢状位MRI数据，通过专家手动分割获取盆腔器官轮廓；采用非刚性配准和LDDMM(大变形微分同胚度量映射)方法进行点追踪和形变分析；基于Abaqus/CAE软件平台建立包含超弹性器官材料特性的有限元模型；通过Deformetrica软件进行三维重建和几何提取；采用Python脚本控制仿真流程，实现11秒动态模拟。

在盆腔腔解剖建模方面，研究团队尽可能实现了解剖真实性，包含了骨盆、骶骨、尾骨等骨骼结构，盆底肌和腹肌等肌肉组织，以及脐正中韧带(MUL)、膀胱子宫韧带(UVL)和圆韧带(RL)等韧带结构。这些解剖结构的精确建模为后续的生物力学分析奠定了基础。

材料特性研究结果显示，生物软组织具有高度可变形性，适合用超弹性本构模型描述。研究人员通过文献调研和单轴拉伸试验数据，最终选择Yeoh模型拟合子宫行为(W(I₁)=C₁₀(I₁-3)+C₂₀(I₁-3)²+C₃₀(I₁-3)³)，其中C₁₀=0.167, C₂₀=4.095, C₃₀=4.095；膀胱同样采用Yeoh模型但参数不同(C₁₀=0.01054, C₂₀=0.939, C₃₀=-0.239)；直肠采用Marlow实验定律。为了减少计算不稳定性，盆底肌和腹肌采用弹性材料（E=100MPa, ν=0.3），骨骼也采用弹性材料（E=17000MPa, ν=0.3），韧带采用Mooney-Rivlin超弹性模型(C₀=1.03, C₁=8.84)。

边界条件设定方面，研究人员基于MRI轮廓确定骶骨和骨盆等骨骼位置，这些部位变形和位移可忽略，被视为固定约束。肌肉边界施加旋转限制，腹内压(IAP)通过施加位移而非压力载荷来模拟，这种方法能够更准确地拟合MRI观察到的特定解剖变形。此外，模型还包含了填充水的膀胱腔室以模拟尿液，并设置了考虑切向无摩擦和法向硬接触的通用接触。

MRI数据来源于三名健康患者（编号13、26、51），采用超快速T2加权脉冲序列(TR=3.6ms, TE=1.8ms)采集动态矢状位图像，所有患者盆腔器官填充超声凝胶并在用力过程中排出。图像以每秒一帧的速度采集并存储为DICOM格式，由临床专家使用图形平板手动勾画主要盆腔器官，获得每组结构的闭合二维轮廓。

有限元模型建立过程中，研究人员通过处理MRI数据提取盆腔器官轮廓，使用时序点追踪方法，从器官的第一个轮廓开始定义一组规则间隔的点，然后通过配准传播到时间序列中的其他轮廓。采用考虑形态变异性的非刚性配准，基于LDDMM方法提供每个轮廓之间的平滑可逆变换。盆腔模型采用四边形和三角形线性单元进行网格划分，盆腔器官单元尺寸为8-10mm，肌肉和韧带等较小结构单元尺寸为2mm。

研究结果显示，MRI数据与有限元方法(FEM)模型在健康患者中表现出良好的相关性，特别是当包含尿液等流体特性时，膀胱位移的相对误差在18%-26%之间。对于子宫、阴道和直肠，模型也提供了可接受的结果。通过将膀胱分为四个区域（近骨盆区、近宫颈区、顶点区和尿道筋膜接触区）进行点位移分析，发现患者26的平均误差为19%，其中10个点的误差低于15%，但所有模拟中都有少数点误差超过40%。

在讨论部分，研究人员指出模型在模拟开始和结束时与MRI表现非常相似，器官因施加位移而产生的模型运动和器官变形明显可见。与现有文献不同，该模型将子宫和膀胱横向锚定在腹肌上，直肠受盆底边界和其所依靠的骶骨约束，这种方法避免了使用弹簧或与器官接触的肌肉来约束器官下极端。包含水腔室的模型提高了生物真实性，验证了二维有限元模型的几何和设计。宫颈位移最大，约束在16-22mm之间，与文献报道的17mm值一致。模型还准确描述了直肠在脊柱上的滑动及其末端与盆底的接触。

误差分析表明，部分点的较大差异可能是由于模拟中的点与MRI分析中的位置不完全对应所致。研究人员还将模型应用于两名病理患者，结果显示在健康情况下膀胱变形和位移相当相似，而病理病例存在显著差异，表明这些模型需要用病理材料特性重新建模。

研究结论强调，该有限元模型提供了详细且验证的解决方案，解决了盆底解剖学和力学的关键方面。与传统方法不同，该模型结合了固有的解剖约束以提高真实性。虽然结果与现有文献一致，但进一步改进可以提高模型的准确性和适用性，包括更精确的材料特性表征和额外解剖特征的整合。作为第一个有限元模型，它为未来工作提供了多个机会：能够更详细地分析腹压，量化器官位移产生的腹内压及其对模型的影响；进一步研究盆底几何和材料特性；区分阴道和子宫并分配不同材料特性；以及从二维简化模型扩展到更复杂的三维结构。

该研究的重要意义在于为POP的生物力学机制研究提供了可靠的计算机模型平台，有望在未来用于患者手术前分析和康复过程中，为临床诊疗提供科学依据和技术支持。