有限元法在人體胸部建模研究中的應用

翁劍波 胡輝瑩

有限元法在人體胸部建模研究中的應用

翁劍波 胡輝瑩

人體胸部;有限元分析;生物力學

有限元法也稱有限單元法，它是將實體對象分割成有限個小單元，根據不同領域的需求推導出每一個小單元的作用方程，組合整個實體的單元并構成系統方程組，最后將系統方程組求解［1］。自上世紀60年代，用于工程力學領域的有限元技術開始與醫學研究相結合，由此掀開了生物力學研究的新篇章。有限元的優點在于可以模擬復雜的物理環境，以便于分析人體器官間的相互影響及綜合運動等狀態;另外因其可采用計算機進行模擬，具有可重復性，因而可以成為一些難度較大、價格昂貴的物理實驗的理想替代方法［2］。

人體胸部結構復雜，上鄰頭頸、下接腹部、外覆胸廓，其內部有心、肺以及重要的血管神經。胸部作為人體呼吸和循環系統的重要器官所在，醫學工作者對其相關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構的復雜性、醫學倫理學等諸多因素的限制，傳統的生物力學實驗難以對胸部進行全面模擬，再者整體胸部標本稀少，不適合進行破壞性實驗，而有限元技術在人體胸部研究中的應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展。

1 人體胸部有限元模型的建立與發展

人體胸廓有限元模型首創于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將同一個模型與動態加載綜合技術相結合，以觀察沖擊下對胸廓結構的影響［4］。1977年，Sundaram等［5］建立了兩個胸廓模型:一個包括脊柱、肋骨、胸骨等骨性結構，另一個在其骨性結構基礎上填充了肌肉和內臟，采用了對稱技術以縮短計算時間，所有的材料均考慮為線彈性。1978年，Chen［6］對胸廓模型進行了擴充，開始考慮胸廓模型內臟的因素，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分了胸腹腔內的臟器，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部結構，所有元素均用粘彈性材料構建，模型在胸廓整體結構上有了新進展。1995年，Wang等［9］建立的模型包括了完整的骨骼肌、內臟系統，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，此時建立的胸廓模型更接近真實的人體，更具準確性。2007年，胡輝瑩等［11］應用mimics軟件對一具尸體標本的 CT數據進行了重建，模型完整重現了脊柱、胸骨、肋骨的骨性解剖結構，并根據其不同灰度值將模型區分為皮質骨、松質骨及肋軟骨，建立的骨性模型進一步被細化，具體到節點，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軟件進行裝配，各個器官被建立為實體，不含其內部空腔結構。模型簡單的以圓柱體進行代替，肺臟被賦予為實體器官。張治綱等［13］在2009年利用CT圖像及第三軍醫大學“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構成，胸骨、肋骨等骨性結構設為線彈性材料，而內臟、肌肉定義為粘彈性物質。2010年，El-Jawahri等［14］在原有建模的基礎上，對FHBM(福特人體模型)進行了代表年齡的判斷，并且以形態學為基礎嘗試建立其他代表年齡模型，并通過尸體實驗進行了驗證，結果證明模型是有效的，也證實了研究的意義。Li等［15］單獨對肋骨進行了有限元研究，主要從肋骨結構、網格密度、皮質厚度、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個固體元件建立的肋骨模型可以精確計算并反映人體肋骨結構。皮質元件厚度應具有可變性，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數據建立胸部的有限元模型，開始考慮用四面體、六面體實體單元、殼單元來構建胸部各個組織部位。模型較以往更加細化，其胸椎包括了橫突棘突、椎弓根、椎間盤纖維環、髓核，還構建了肺和心臟，氣管主動脈和下腔靜脈等。2013年，Roth等［2］建立了胸腹腔聯合有限元模型，實驗采用動態和靜態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個六面體元素及77 800個四面體元素構成。

2 人體胸部有限元模型的分析與應用

有限元技術有著深厚的理工科背景，有關人體胸部有限元模型的分析最早開始于汽車制造業，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理，通過對其研究從而優化汽車的設計，盡可能地降低車輛碰撞事故中的胸部損傷風險，減輕對人體的傷害，利用建立的仿真模型為復雜車輛碰撞事故中的胸部損傷生物力學研究奠定了基礎，并應用到不同碰撞條件下的肋骨骨折損傷預測和評估中［3－9，19，20］。而醫學研究上，康建毅等［16］利用胸部有限元模型數值模擬爆炸沖擊波載荷下胸部的周圍壓力和肺臟的應力分布規律，其研究讓我們了解了沖擊波作用于機體的各個過程，預測胸部損傷的發生情況，對沖擊波損傷機制、損傷評估等研究具有非常重要而深遠的意義。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驗，分析其在軸向碰撞載荷下的變形量和撞擊力的關系曲線，與縮放獲得的成人尸體試驗數據進行比較，從而驗證模型的有效性，為開展兒童胸部損傷機理及安全防護領域的研究提供可靠的基礎數據。邵煜等［18］通過有限元模型模擬人體右季肋區遭受鈍物擊打時胸廓的應力、應變情況，結果在6 m/s與8 m/s的擊打速度可造成擊打部位的肋骨發生骨折。通過對胸廓骨性結構的應力、應變趨勢分析，闡明胸部損傷的致傷機制，為法醫損傷學研究提供了參考的依據。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內臟間的相互作用，并量化觀測到胸腹腔形變的發生及發展，這在實際交通事故中對胸部內臟損傷機理的研究提供一定的幫助。除了用于有創性研究，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，進而觀察心肌電除顫的效果和驗證電極位置的有效性，這為臨床心電除顫的研究發展提供了可靠的數據支持。胡輝瑩等將［11］有限元模型用于模擬胸外按壓，以此探討心肺復蘇時胸外按壓的機制，為臨床胸外按壓的有效性提供生物力學研究的基礎資料。Gzik-Zroska等［23］將有限元技術用于漏斗胸的治療，通過建立胸部有限元模型，比較不同厚度穩定板對患者胸廓應力、應變的改變情況，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，使用計算機模擬膈肌及肋間肌的運動以觀察吸氣運動時，胸腔容積增加與畸形程度的關系，這有助于我們了解異常胸廓與損傷機制的特點。

3 胸部有限元模型研究的不足與展望

就目前的研究進展而言，將有限元技術應用于人體胸部的研究并不多見，整體研究進展相對落后于其他領域，如脊柱、口腔等。筆者認為造成這一原因主要有三個方面:①盡管該領域開展較早，但有限元技術本身要求有一定的理工科背景，故長期由汽車制造業、軍隊工程師所把持，由于其缺乏相應的醫學解剖知識，所建立的模型真實可靠性有待檢驗，臨床針對性也有所欠缺;②人體胸部結構復雜(軟組織和硬組織)，其生物力學性質不能僅用骨性結構評價，同時胸部骨性關節復雜，各個關節運動性質不盡相同;③胸部數據處理量龐大，往往需要耗費大量的時間和精力。因此，建立胸部的有限元模型難度較大。

在有限元技術層面，為了方便計算分析，有限元模型在建立過程中常常將模型結構進行簡化，客觀上影響了結果的真實性。①在建模材料屬性的賦值上缺乏一定的合理性，Forman等［25］將有限元模型與尸體實驗對比時發現，將肋軟骨描繪成勻質、各向同性的線彈性材料時，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，例如骨骼是標準的非勻質各向異性材料，現階段研究已開始考慮，但胸廓骨骼未見如此處理，同時肌肉、內臟的建模中也存在類似情況，而現今已有學者對軟組織建模進行了論證［26］，這可能是今后需要引入的技術手段。②邊界條件的添加往往需要研究者個人的物理學知識和醫學素養，否則會出現遺漏或錯誤，這也進一步提示醫學工程界與臨床醫生合作的重要性。

在過去的40多年中，有限元技術用于人體胸部領域的研究已取得了重要的進展，胸部有限元模型日趨接近人體真實解剖結構，所賦材料日益多樣化，與臨床結合更加緊密。隨著未來計算機技術及相關軟件的不斷發展，該技術必將在有關胸部研究中大放光彩，但在開展相關研究的同時，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 南方醫科大學(翁劍波)

510510 廣東 廣州軍區廣州總醫院附屬157醫院(胡輝瑩)

胡輝瑩，huhuiying11@126.com

(2014－11－20收稿 2015－02－18修回)