基于有限元模型的經陰道分娩產婦子宮瘢痕處最大應力分析

王賢達，賀 磊，馬新剛，董瑞春，孟顏顏

1)山東理工大學機械工程學院 山東淄博 255000 2)淄博市婦幼保健院手術麻醉科 山東淄博 255029

瘢痕子宮是指剖宮產手術或肌壁間肌瘤剝除術后的子宮。近幾年來，我國的剖宮產率一直處在一個較高的水平，隨著國家二胎政策的放開，剖宮產后再次妊娠率亦隨之上升。而瘢痕子宮易發生子宮破裂，危及母嬰安全，因此臨床上對剖宮產后再次妊娠孕婦分娩方式的選擇存在爭議。鄭榮燕等[1]通過研究瘢痕子宮足月妊娠經陰道試產的產程特點，探討經陰道試產的安全性；張銀花[2]僅是回顧性地對剖宮產后再次妊娠的分娩方式進行探討，要求做好產前檢查。上述研究均通過嚴密的產程監護來探討瘢痕子宮的安全分娩方式。隨著計算機技術的發展，有限元分析被應用于相關研究。Baah-Dwomh等[3]建立了子宮模型并進行了有限元分析，通過計算機建模工具來了解早產的原因。Naji等[4]的研究表明子宮前壁下段越薄子宮越容易發生破裂，但是并未指出子宮瘢痕厚度與分娩方式的關系。本研究通過有限元模型分析瘢痕子宮分娩時子宮前壁厚度及子宮瘢痕厚度與子宮破裂的關系，用以判斷能否順產，給醫生提供一些數據上的參考，以避免判斷的盲目性，減少重復剖宮產，提高陰道分娩率。

1 材料與方法

1.1子宮仿真模型的建立子宮位于骨盆中央，前面為膀胱，后面為直腸，外觀呈倒置的梨形，前后略扁。成年女性的子宮長7～8 cm，寬4～5 cm，厚2～3 cm，上部較寬，呈三角形，即子宮體[5](圖1)。本文參考曹立波等[6]的建模方式利用三維軟件Solidworks建立孕期為40周的子宮模型。

圖1 孕婦腹部剖面圖

1.2子宮有限元模型的建立

1.2.1 子宮結構的簡化 由于子宮結構比較復雜，在不影響結果的情況下我們進行了一系列必要的簡化。本研究的重點是子宮瘢痕會不會在宮縮時破裂，故省略了胎兒模型的建立。剖宮產多選擇子宮下段橫切術，因此本模型也采用下段橫切建模。子宮與人體的連接固定主要依靠盆腔和陰道的承托及韌帶的牽引固定?？紤]到孕婦分娩時處于仰臥位，

且分娩時整個子宮的形狀大小都在變化，韌帶已經失去原有的固定作用，只有宮口位置基本不變，因此子宮口位置采取了固定位移[7]。采用Solidworks建立子宮有限元模型，如圖2所示。根據相關資料[5]確定子宮在40周時的尺寸參數:35 cm×24 cm×24 cm,子宮頸長3 cm，子宮瘢痕處長約15 cm，由于瘢痕處是很窄的一塊肌肉，在模型上設置寬3 mm，并且做了圓角避免應力集中。研究共設3個變量：子宮前壁上、下段厚度及子宮瘢痕厚度，其中子宮前壁下段厚度與子宮瘢痕厚度差別較小，研究中取相同的數值。分娩時，子宮主要承受宮縮產生的壓力，根據臨床實際情況，在子宮模型內部施加垂直于子宮壁向外的13.3 kPa的壓力。

圖2 子宮有限元模型

1.2.2 網格劃分和材料定義 利用ANSYS workbench軟件在有限元網格劃分基本原則的基礎上對所建子宮模型進行網格劃分。在重點研究部位應保證劃分高質量網格，而在非重點研究部位，網格質量可適當降低，故子宮瘢痕處的網格劃分比較細，其他部分如子宮體和子宮頸采用完全一致的網格密度，如圖3所示。Peariman等[8-9]和Wood[10]對人體子宮組織進行拉伸試驗，獲得的子宮壁彈性模量在20.3～1 379.0 kPa。結合上述研究結果及子宮是一個肌性器官的特點設置彈性模量、泊松比、抗拉強度及密度。由于實驗材料的限制，加之對于子宮瘢痕的生物力學性質知之甚少，子宮瘢痕處數據根據人體肌肉數據[11]設定。子宮壁及子宮瘢痕處的生物力學性能參數最終的設置見表1。

圖3 網格設置

部位材料模型彈性模量/kPa密度/(kg/cm3)泊松比抗拉強度/kPa子宮壁線彈性模型5661 0520.40656.3子宮瘢痕線彈性模型1 3791 0600.40500.0

1.3模型驗證和應用模型驗證：查閱資料[5]知，40周時子宮前壁上段厚度為5.0～15.0 mm。研究中首先取子宮前壁上段厚度為10.0 mm，子宮前壁下段和瘢痕處厚度設為3.0 mm，獲得應力分布圖，并應用ANSYS workbench分析最大應力值。此后根據實際情況更改上述3個參數，獲得相應的應力分布圖。

固定子宮前壁上段厚度為10.0 mm，子宮前壁下段和子宮瘢痕厚度均從1.0 mm逐漸增至6.0 mm,通過ANSYS workbench分析得出一系列數據。固定子宮前壁下段和子宮瘢痕處厚度為3.0 mm，改變子宮前壁上段的厚度(0～16.0 mm)，得出一系列數據。所得數據代入Matlab進行曲線擬合，獲得擬合方程，并繪制擬合曲線。

2 結果與討論

2.1模型驗證子宮前壁上段厚度取10.0 mm，子宮瘢痕處厚度取3.0 mm時獲得的子宮應力圖見圖4。由圖4知子宮瘢痕處的應力最大，最大應力值為512.5 kPa，由表1知最大抗拉強度為500.0 kPa?？估瓘姸刃∮谧畲髴Γf明子宮瘢痕厚度為3.0 mm時處于臨界狀態，有發生破裂的風險。查閱相關文獻[12-13]，普遍也以子宮瘢痕處厚度3.0 mm為分界線，當子宮瘢痕厚度大于3.0 mm時，順產比較安全。模型分析結果與臨床實際相符，說明本模型具有實際應用價值。另外，改變模型參數獲得的應力分布圖亦顯示子宮瘢痕處應力最大。

圖4 子宮前壁上段厚度取10.0 mm、子宮瘢痕處厚度取3.0 mm時的應力分布圖

2.2子宮瘢痕厚度與分娩時瘢痕處最大應力的關系固定子宮前壁上段厚度為10.0 mm，子宮前壁下段和子宮瘢痕厚度均從1.0 mm逐漸增至6.0 mm，得到擬合方程：y=3.982e(-0.863 6x )+0.183,x∈(0,6.0),其中x代表子宮瘢痕厚度，y代表子宮瘢痕處的最大應力，擬合曲線如圖5所示。從圖5可以看出子宮前壁上段厚度一定時，隨著子宮前壁下段和子宮瘢痕處厚度的增加，子宮瘢痕處受到的最大應力逐漸減小；當子宮瘢痕處的厚度≤3.0 mm時，瘢痕處的最大應力大于瘢痕的抗拉強度，子宮易發生破裂。

圖5 子宮瘢痕處最大應力和子宮瘢痕厚度的關系

2.3子宮前壁上段厚度與分娩時子宮瘢痕處最大應力的關系固定子宮前壁下段和子宮瘢痕處厚度為3.0 mm，改變子宮前壁上段的厚度，獲得擬合方程：y=0.587 1+0.0941 5×cos(0.319x)-0.089 58sin(0.319x)，x∈(0,16.0)，其中x代表子宮前壁上段的厚度，y代表子宮瘢痕處受到的最大應力，擬合曲線如圖6所示。圖6顯示不同的子宮前壁上段厚度對子宮瘢痕處最大應力的影響不同。子宮瘢痕厚度為3.0 mm，子宮前壁上段厚度在4.5～10.0 mm時，選擇順產是比較安全的；當子宮前壁上段厚度在其他范圍時選擇順產則并不安全；子宮瘢痕處受到的最大應力隨著子宮前壁上段厚度的增加先減小后增大，其中子宮前壁上段厚度是7.0 mm時子宮瘢痕處的應力最小。

圖6 子宮前壁上段厚度與子宮瘢痕處最大應力的關系

2.4小結目前，實際臨床工作中并沒有有效地選擇分娩方式的方法，診斷主要依賴孕婦臨床表現及醫生的經驗，缺乏直接的客觀依據,易造成誤診或漏診。大多數醫生將瘢痕處厚度3 mm作為分界線[14]。本研究通過模型分析得出分娩時子宮瘢痕處的受力情況不僅與子宮瘢痕處厚度有關，還受到子宮前壁上段厚度的影響，子宮瘢痕處受到的最大應力隨著子宮前壁上段厚度的增加會先減小后增大，以往將子宮瘢痕處厚度3 mm作為分娩方式選擇的分界點并不準確。

本研究提供了一種有效的有限元分析方法，雖然該模型包含了很多關于材料屬性和載荷的近似值，但計算結果與臨床實際相符，可為臨床選擇分娩方式提供參考。由于相關臨床數據有限，該模型尚有待進一步驗證和完善。