人體胸廓三維有限元模型的建立過程和應(yīng)力分布特點(diǎn)

翁劍波，胡輝瑩

(1.南方醫(yī)科大學(xué)，廣東 廣州 510515；2.廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院附屬157醫(yī)院，廣東 廣州 510510)

人體胸廓三維有限元模型的建立過程和應(yīng)力分布特點(diǎn)

翁劍波1,2，胡輝瑩2

(1.南方醫(yī)科大學(xué)，廣東 廣州 510515；2.廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院附屬157醫(yī)院，廣東 廣州 510510)

目的 探討人體胸廓三維有限元模型的建立過程和應(yīng)力分布特點(diǎn)，以證實(shí)三維有限元模型的可靠性，為心肺腦復(fù)蘇急救時(shí)胸外按壓機(jī)制和效果提供生物力學(xué)依據(jù)。方法胸部多層螺旋CT掃描輔助下成功建立人體胸廓三維有限元男女模型各一個(gè)，模擬垂直胸外按壓，分析人體胸廓三維有限元模型的各部位胸廓位移和應(yīng)力特點(diǎn)。結(jié)果成功建立脊柱、鎖骨、肋骨和胸骨等胸廓結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，男/女共741 006/760 816個(gè)節(jié)點(diǎn)，男/女共316 034/326 785個(gè)單位。參照CT影像學(xué)特點(diǎn)將人體胸廓三維有限元模型分為6種材料性質(zhì)。模擬垂直胸外按壓，向下移位最大的胸廓部位為胸骨，應(yīng)力主要分布于肋骨最后部位。靜態(tài)加載時(shí)，胸骨位移恒定情況下，男性所需外力明顯大于女性，兩者比較差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)。胸骨第4、5肋間、第5、6肋間達(dá)到相同位移時(shí)需要較小的外力，與胸骨3、4肋間比較差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)。動(dòng)態(tài)加載達(dá)到相同位移時(shí)所需外力較靜態(tài)加載大，且隨著頻率增大，胸廓實(shí)際所承受的載荷逐漸減小，在80～100次/min時(shí)，相同外力作用下胸骨位移增加，但在110次/min時(shí)胸骨位移下降。結(jié)論建立人體胸廓三維有限元模型需提供精準(zhǔn)的胸廓組織結(jié)構(gòu)信息，為人體胸廓體外按壓提供生物力學(xué)依據(jù)。

胸廓；三維有限元模型；建立；應(yīng)力

胸外按壓是心肺腦復(fù)蘇急救過程中的重要組成部分，其在臨床急救中具有重要作用。國(guó)際心肺腦復(fù)蘇指南指出胸外按壓是急救過程中的關(guān)鍵，胸外按壓效果直接影響心肺腦復(fù)和急重癥患者救治成功率[1]。因此，有效的胸外按壓在改善患者疾病預(yù)后和降低死亡率中具有重要的意義。但如何保證和提高胸外按壓的有效性，目前相關(guān)研究缺乏對(duì)比性，且病例選擇存在一定困難，胸外按壓模型建立過程中受多種臨床因素限制[2]。本研究在影像學(xué)技術(shù)輔助下結(jié)合三維有限元生物力學(xué)分析方法，經(jīng)計(jì)算機(jī)重建，具有精準(zhǔn)反映正常人體胸廓生物力學(xué)特征，對(duì)三維有限元模型實(shí)施仿真試驗(yàn)，旨在研究人體心肺腦復(fù)蘇過程中胸外按壓機(jī)制和生物力學(xué)特征，提高急救成功率。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象 選取新鮮尸體標(biāo)本兩具，經(jīng)過X線及CT掃描排除胸廓畸形及無骨折尸體。①男性：身高 178 cm，體重85 kg，年齡40歲，胸廓橫徑28.5 cm，縱直徑19.7 cm，周徑79 cm；②女性：身高163 cm，體重52 kg，年齡55歲，胸廓橫徑25.6 cm，縱直徑16.8 cm，周徑73.4 cm。

1.2 方法 ①儀器：德國(guó)西門子雙源CT(型號(hào)：SOMATOM Definition，2008G)，分析應(yīng)變機(jī)器(德國(guó)ARAMIS非接觸應(yīng)變分析測(cè)量?jī)x)，加載儀器(美國(guó)博士材料實(shí)驗(yàn)機(jī)，BOSE ElectroForce)；②掃描范圍：完整胸廓：T1～12(包括12肋下緣)，包括軟組織、骨組織(胸骨、肋骨、肋軟骨，椎骨、鎖骨、肩胛骨、肱骨頭)，內(nèi)臟器官(心臟、肺等)；③條件：分辨率≥(512×512×8)bit，層厚≤0.4 mm，選擇骨窗和軟組織窗；④掃描：男，掃描時(shí)間14.79 s，圖像1 137張，女，15.97 s，1 234張；⑤存貯圖像格式：DICOM格式。

1.2.1 人體胸部CT圖像的提取及構(gòu)建三維模型 采用不同性別新鮮尸體，X線排除胸部疾患及損傷，進(jìn)行胸部螺旋CT掃描，獲得二維斷層圖像并存儲(chǔ)。將斷層影像輸入三維重建軟件Mimics進(jìn)行三維重建，建立人體胸部三維實(shí)體模型。

1.2.2 人體胸部三維有限元模型的建立 在Mimics軟件中進(jìn)行表面網(wǎng)格劃分，然后將模型導(dǎo)入ANSYS軟件中進(jìn)行體網(wǎng)格劃分，再導(dǎo)入Mimics軟件進(jìn)行材質(zhì)劃分，如此反復(fù)多次后，最終建立了具有非常精確的組織結(jié)構(gòu)信息的人體胸部有限元模型。

1.2.3 驗(yàn)證人體胸部有限元模型的有效性 標(biāo)本做胸外按壓的生物力學(xué)測(cè)試(人體胸部在不同作用力、不同按壓位置胸廓位移)所得到的有效數(shù)據(jù)與胸部有限元模型進(jìn)行對(duì)照，比較相同作用力下兩組的位移關(guān)系，通過兩組數(shù)據(jù)的趨勢(shì)曲線來進(jìn)一步修正模型，驗(yàn)證其有效性和仿真程度。

1.2.4 胸部有限元模型分析 在計(jì)算機(jī)模型上模擬胸外按壓，分析不同按壓頻率和深度胸廓的應(yīng)變情況。①靜態(tài)加載：加載位置選擇：第3、4肋間、第4、5肋間和第5、6肋間，依次以已知力量0～400 N大小，在不同加載位置以每50 N為一個(gè)級(jí)別進(jìn)行逐級(jí)加載，BOSE機(jī)配置配置電腦同步記錄載荷、位移數(shù)據(jù)；②動(dòng)態(tài)測(cè)試，采用80次/min、100次/min、120次/min、140次/min的加載頻率，以相同的外力在三個(gè)不同位置進(jìn)行測(cè)試。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 本研究數(shù)據(jù)采用SPSS18.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析，計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(±s)表示，組間比較采用t檢驗(yàn)，以P＜0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 人體胸廓三維有限元模型特點(diǎn) 成功建立脊柱、鎖骨、肋骨和胸骨等胸廓結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，男/女共741 006/760 816個(gè)節(jié)點(diǎn)，男/女共316 034/ 326 785個(gè)單位，參照CT影像學(xué)特點(diǎn)將人體胸廓三維有限元模型分為6種材質(zhì)，見表1。

表1 人體胸廓三維有限元模型的六種材質(zhì)劃分（男/女）

2.2 人體胸廓三維有限元模型應(yīng)力分布特點(diǎn) Ansys10.0有限元分析軟件中“求解”結(jié)果顯示，人體胸廓三維有限元模型中的胸廓應(yīng)力和應(yīng)變集中位置不同，應(yīng)力主要位于靜態(tài)約束模型中的運(yùn)動(dòng)自由度(胸背部的最后部位肋骨位置)，應(yīng)變主要位于肋骨和胸骨相交處；模擬垂直胸外按壓，向下移位最大的胸廓部位為胸骨，應(yīng)力主要分布于肋骨最后部位，致使受力集中位置于胸背部；而應(yīng)變主要位于肋骨和胸骨相交處，致使變形程度最明顯的是肋骨和胸骨相交處。

2.3 人體胸廓三維有限元模型生物力學(xué)分析 ①靜態(tài)加載時(shí)，胸骨位移恒定情況下男性所需外力明顯大于女性，兩者比較差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=3.21，P＜0.05)。胸骨第4、5肋間、第5、6肋間達(dá)到相同位移時(shí)需要較小的外力，與胸骨3、4肋間比較差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=2.89，P＜0.05)。②動(dòng)態(tài)加載達(dá)到相同位移時(shí)所需外力較靜態(tài)加載大，在動(dòng)態(tài)加載下，隨著頻率增大，胸廓實(shí)際所承受的載荷逐漸減小，在80～100次/min時(shí)，相同外力作用下胸骨位移增加，但在110次/min時(shí)胸骨位移下降。

3 討論

胸外按壓是心肺腦復(fù)蘇急救領(lǐng)域中的重點(diǎn)，胸外按壓在急救治療中的重要性逐漸受重視，其按壓次數(shù)從早期心肺復(fù)蘇時(shí)的60～80次/min到目前的100次/min[3]。國(guó)際心肺腦復(fù)蘇對(duì)胸外按壓操作部位和力量中的要求更為嚴(yán)格，此外，胸外按壓的作用機(jī)制從早期的心泵理論逐漸向胸泵理論轉(zhuǎn)變。有研究認(rèn)為，節(jié)律性胸骨按壓通過按壓位于心臟處的胸外部位置，促進(jìn)心房室瓣關(guān)閉，增加心室內(nèi)壓，促進(jìn)血液循環(huán)[4]。胸外按壓解除后心室舒張，血液充盈，導(dǎo)致血液回流，反復(fù)胸外按壓有助于促進(jìn)人工血液循環(huán)，增加心臟的血液供應(yīng)，被稱為心泵理論。而胸泵理論認(rèn)為胸外按壓增加導(dǎo)致胸部血管壓力明顯增加，形成胸外靜脈低壓，故形成動(dòng)靜脈血管壓力梯度，促進(jìn)血液從動(dòng)脈流出，解除胸外按壓后胸內(nèi)壓明顯下降，形成胸內(nèi)外靜脈壓梯度，靜脈壁不受壓，血管腔開放，導(dǎo)致血液向心肺回流，但胸內(nèi)動(dòng)脈床容量小，關(guān)閉動(dòng)脈瓣，回流血液受限，心臟血流供應(yīng)僅暫時(shí)泵作用[5]。近年來，研究證實(shí)胸外按壓符合振動(dòng)力學(xué)規(guī)律，胸腔共振機(jī)制在胸外按壓中具有重要的作用[6]。研究普遍認(rèn)為胸外按壓促進(jìn)心臟復(fù)跳的機(jī)制主要是通過胸廓形狀、胸內(nèi)外壓改變促進(jìn)血液循環(huán)，胸泵理論對(duì)心肺腦復(fù)蘇治療具有重要的作用[7]。本研究通過人體胸廓三維有限元模型的建立及應(yīng)力分析外力作用下胸廓應(yīng)力分布特點(diǎn)，采用生物力學(xué)分析胸外按壓頻率、力度對(duì)心肺腦復(fù)蘇的作用。

本研究結(jié)果顯示，成功建立脊柱、鎖骨、肋骨和胸骨等胸廓結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，參照CT影像學(xué)特點(diǎn)將人體胸廓三維有限元模型分為6種材質(zhì)。模擬垂直胸外按壓，向下移位最大的胸廓部位為胸骨，應(yīng)力主要分布于肋骨最后部位。通過CT影像學(xué)信息成功建立有限元三維胸廓模型。三維有限元分析是計(jì)算機(jī)力學(xué)分析的主要方法之一，與光電測(cè)方法比較，有限元分析方法在人體胸廓三維模型的建立中具有重要的優(yōu)勢(shì)，具有精準(zhǔn)表達(dá)任何復(fù)雜性幾何圖形和力學(xué)材質(zhì)，成功構(gòu)建反復(fù)性應(yīng)用的人體胸廓三維模型。本研究結(jié)果還顯示，靜態(tài)加載時(shí)，胸骨位移恒定情況下男性所需外力明顯大于女性。不同加載位置所需外力差顯著，其中胸骨第4、5肋間、第5、6肋間達(dá)到相同位移時(shí)需要較小的外力，但臨床實(shí)踐已證實(shí)胸骨第5、6肋間更可能發(fā)生骨折，因此，胸骨第4、5肋間可作為臨床胸外按壓位置。動(dòng)態(tài)加載期間隨著頻率的增大胸廓實(shí)際所承受的載荷逐漸減小，在80～100次/min時(shí)，相同外力作用下胸骨位移增加，但在110次/min時(shí)胸骨位移下降。因此，臨床采用100次/min加載頻率在減少承受載荷的同時(shí)獲取較為合適的胸骨位移。因此，電子計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助下成功建立人體胸廓模型有助于為臨床急救治療中的胸外按壓提供有力的依據(jù)。人體胸廓三維有限元模型雖然具有假設(shè)性或簡(jiǎn)化性操作，但其為臨床醫(yī)生解決了不能在人體操作上的重要的問題。

綜上所述，建立人體胸廓三維有限元模型需提供精準(zhǔn)的胸廓組織結(jié)構(gòu)信息，為人體胸廓體外按壓提供生物力學(xué)依據(jù)。

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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)

廣東省自然科學(xué)基金(編號(hào)：S2011040001103)

胡輝瑩。E-mial:huhuiying11@126.com