修回日期: 2013-07-14
接受日期: 2013-07-31
在线出版日期: 2013-09-08
目的: 建立兔肛门直肠三维有限元模型.
方法: 选取1只1月龄♂新西兰兔. 先观测兔直肠肛门的厚度、管径等解剖病理学数据, 根据这些数据, 在模型图上描绘坐标、原点和模型轮廓线, 确定模型的各节点在三维空间的X、Y、Z轴上的坐标值, 在坐标系内按有限离散原则划分单元与节点. 然后分离兔肛门直肠不同层面的组织, 运用力学仪器测算各层面的杨氏弹性模量、泊松比等力学参数. 最后将这些数值输入SUPER-SAP有限元软件建模.
结果: 测得正常兔肛门直肠不同层面组织的杨氏弹性模量、泊松比, 建成含1342个单元、1800个节点的兔肛门直肠有限元模型.
结论: 建立外形和几何结构逼真、生物材料接近正常组织的兔肛门直肠有限元模型, 阐述一种建立软组织有限元模型的思路和方法, 为肛门直肠疾病的病因、诊断、治疗等提供理论指导.
核心提示: 运用SUPER-SAP有限元软件, 建立兔肛门直肠三维有限元模型, 为肛门直肠疾病的病因、诊断、治疗等提供理论指导. 测算肛门直肠组织力学参数的方法有助于未来软组织力学参数的研究.
引文著录: 柯敏辉, 叶玲, 陈立武, 陈日齐, 郑鸣霄. 兔肛门直肠三维有限元模型的建立. 世界华人消化杂志 2013; 21(25): 2585-2589
Revised: July 14, 2013
Accepted: July 31, 2013
Published online: September 8, 2013
AIM: To establish a 3D finite element model of the rabbit anorectum.
METHODS: A one-month male New Zealand rabbit was selected. Anatomical and pathological data were first measured, including the thickness and lumen diameter of the anorectum. Based on the obtained data, the coordinates, the origin and contour line were depicted on the graph. The three-dimensional coordinate (X-, Y-, Z-axes) values for the model of each node were determined. In the coordinate system, the element and node were divided based on the principles of finite discrete. Subsequently, different parts of the rabbit anorectum tissue were isolated to measure the mechanical parameters (e.g., Young's modulus and Poisson's ratio). A model was finally developed by inputting the above data to SUPER-SAP finite element software.
RESULTS: By measuring the Young's modulus and the Poisson's ratio of different parts of the rabbit anorectum tissue, a 3D finite element model of the rabbit anorectum, which contained 1342 units and 1800 nodes, was successfully established.
CONCLUSION: A 3D finite element model of the rabbit anorectum with realistic appearance and calculation accuracy has been successfully developed, and this model can provide theoretical guidance for studying the etiology, diagnosis and treatment of anorectal diseases.
- Citation: Ke MH, Ye L, Chen LW, Chen RQ, Zheng MX. Establishment of a 3D finite element model of the rabbit anorectum. Shijie Huaren Xiaohua Zazhi 2013; 21(25): 2585-2589
- URL: https://www.wjgnet.com/1009-3079/full/v21/i25/2585.htm
- DOI: https://dx.doi.org/10.11569/wcjd.v21.i25.2585
生物力学的起源要追溯至人类文明之端, 在人类对人体解剖尚未深入了解时, 已经开始对人体的内部结构进行分析. 三维有限元法作为一种有效手段, 在生物力学研究中应用越来越广泛[1]. 在我国传统应用于口腔医学和骨科学[2,3]. 目前有限元分析法对人体软组织的研究在国内外尚处于初级阶段, 但发展极其迅速[4]. 为精确深入研究肛门直肠疾病, 我们首次建立兔肛门直肠三维有限元模型, 将肛门直肠疾病的研究带入一个新的领域, 加深对肛门直肠疾病在发生发展机制、诊断与治疗方面的认识.
万能材料试验机(AGIC-50KN, 最小感量为1 g)、50倍读数显微镜、SUPER-SAP有限元软件、win7系统计算机: 由福建中医药大学骨重建生物力学实验室提供. 1月龄♂新西兰兔: 由上海松联实验动物养殖场提供, 许可证号: scxk(沪)2007-0011.
1.2.1 数据采集: 鉴于兔肛门直肠壁薄、体积小、成象效果不理想等特殊性, 磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)、CT难以显示兔肛门直肠的具体构造. 本研究通过解剖1只1月龄♂新西兰兔掌握其肛门直肠的构造. 沿兔耳缘静脉注射水合氯醛麻醉后, 用20 mL针筒抽取尚未凝固的口腔科石膏水溶剂10 mL注入兔肛门. 石膏在直肠腔内凝固(约10 min)后将兔解剖. 以组织剪于肛管直肠外缘周围分离肛管直肠, 腹侧分离至坐耻骨合缝下缘, 左右两侧分离至坐骨缘, 背侧分离至尾骨与荐骨交会处. 以刀全程切开坐耻骨合缝至耻骨上缘, 钝性分离直肠与髋骨、荐骨之间的组织. 平行耻骨上缘切断分离直肠, 钝性剥离附着于肛门直肠壁上的组织. 取肛门直肠组织进行测量分析. 采集数据如下: 肛门直肠腔左右对称, 兔直肠经石膏固定在腹侧耻骨下缘处有一弯曲, 由耻骨约束引起, 弯曲角度为145度, 直肠上端设置为固定端. 直肠壁上取3处, 用50倍读数显微镜测量兔直肠壁的厚度分别为2.39、2.41、2.40 mm, 取平均值2.40 mm. 同法测量肛门的厚度为3.00 mm, 肛门直肠的管径为5.20 mm. 前期取6只正常兔直肠组织行HE染色, 发现兔直肠的显微结构与人相似, 直肠壁分为黏膜层、黏膜下层、肌层、浆膜层四层. 其中黏膜层约占直肠壁厚度的3/10, 黏膜下层约占2/10, 肌层约占4/10, 浆膜层约占1/10.
1.2.2 力学参数的测定: (1)取材, 受兔直肠组织生理结构的限制, 直肠黏膜层与黏膜下层间、肌层与浆膜层间排列紧密, 无法分离. 本研究取材分为3部分: 肛门、直肠黏膜层与黏膜下层、直肠肌层与浆膜层. 用特制刀片于兔肛门直肠剖取所需组织后即行力学测试, 以便获得准确的数据; (2)测材质, 测算所取组织的杨氏弹性模量与泊松比等力学参数. 以测算直肠黏膜层与黏膜下层的力学参数为例: 在所取组织的纵轴中段上取a、b两点, 在a、b两点间组织横向上取c、d两点. 先用50倍读数显微镜读取静止状态下a、b两点间直肠黏膜的长度(L1, 单位: cm)与c、d两点的宽度(L2, 单位: cm), 然后用50倍读数显微镜读取直肠黏膜层与黏膜下层的厚度, 将上述测量的数据输入万能材料试验机的计算机. 组织两端固定于万能材料试验机的夹板上后(该组织较薄可先平铺于薄纸上, 待两端固定于夹板后将薄纸于纸中间位置撕断), 将组织往两端行最长拉伸, 记录最长拉伸所用的力(P, 单位: N)与行最长拉伸时黏膜的横截面积(A, 单位: cm2), 记录拉伸后a、b两点黏膜的长度(L3, 单位: cm)与宽度(L4, 单位: cm), 计算拉伸前后长度的改变∆L1(∆L1 = L3-L1, 单位: cm)与宽度的改变∆L2(∆L2 = L2-L4, 单位: cm). 实验中万能材料试验机的计算机将实时自动显示应力与应变的关系曲线(如图1A). 将曲线上的值代入公式即可获得力学参数, 公式具体如下: 杨氏弹性模量(E, 单位: MPa): E = (P/A)×(∆L1/L1); 泊松比(μ): μ = (∆L1/L1)/(∆L2/L2). 同法测算肛门、直肠肌层与浆膜层的力学参数(他们的应力与应变曲线如图1B, C).
1.2.3 建模: 有限元模型采用6面体8个节点三维计算模式, 每个节点有沿X、Y、Z轴的3个方向平移和绕此三轴3个方向转动的6个自由度, 建立以XY平面为水平面、XZ平面为冠状面、YZ平面为矢状面, X轴由左向右为正方向、Y轴由后向前为正方向、Z轴由下向上为正方向的三维坐标体系. 根据采集的数据, 绘制15张模型平面图(根据研究需要, 目前建立肛门与直肠下段有限元模型). 在模型图上按20倍放大, 描绘坐标、原点和模型轮廓线. 这样模型的各节点在三维空间的X、Y、Z 轴上的坐标值即可确定. 在坐标系内按有限离散原则划分单元与节点. 将直肠壁根据比例分为黏膜层、黏膜下层、肌层、浆膜层四层, 肛门为一整体. 然后把每个节点的X、Y、Z值从下往上输入国内常用的有限元SUPER-SAP软件平台[5], 同时输入所测得各部分组织的力学参数, 即完成建模(图2).
测得兔肛门直肠各部分的力学参数如表1.
| 组织名称 | 杨氏弹性模量(MPa) | 泊松比 |
| 肛门 | 4.00 | 0.30 |
| 直肠黏膜层与黏膜下层 | 1.50 | 0.45 |
| 直肠肌层与浆膜层 | 2.30 | 0.37 |
建立含1342个单元、1800个节点的兔肛门直肠有限元模型(图3). 图3B中3种颜色代表不同部位的组织, 以便于应力分析. 红色代表直肠肌层与浆膜层, 黄色代表直肠黏膜层与黏膜下层, 绿色代表肛门.
三维有限元模型被认为是模拟软组织形变最经典的方法[6], 正逐渐应用于肛门直肠疾病的研究. 国外: 2003年, Janda等[7]利用一具无盆底病变的女性尸体标本, 建立世界上首个基于解剖的盆底肛提肌三维有限元模型和模型数据库. 2007年, Martins等[8]应用Janda获得的数据库建立肛提肌主动收缩与被动拉伸时的三维有限元模型. 国内: 2008年, 赵惠军等[9]基于MRI的盆底组织结构三维重建, 其目的是获得女性盆底组织(包括肛提肌及闭孔内肌)的三维模型. 2011年宋红芳等[10]基于磁共振影像学资料, 采用有限元软件重构肛提肌的几何结构, 采用有限元分析方法仿真计算肛提肌的应力分布. 目前未检索到阐述兔肛门直肠有限元建模的文献.
有限元的特点是通过虚拟建模直观反映宏观结构的改变. 他的生物力学仿真结果已被证明是准确和可信的[11-13]. 其物理实质是用有限个单元体的组合代替连续域, 化无限自由度的问题为有限自由度的问题. 主要优点有: (1)能够高度模拟物体结构与材料的特性, 进行精确的计算分析; (2)分析研究的重复性好; (3)能够通过模拟分析的方法研究实验方法所不能研究的情况, 对感兴趣的组织进行选择, 得到客观实体实验法所难以得到的研究结果.
丹麦的Storkholm等[14]和Gregersen等[15]在1998年对荷兰猪的生物力学性能进行了拉伸实验研究, 得到荷兰猪小肠的应力和应变符合指数关系. 研究证明兔肛门直肠是粘弹性体, 但在一定范围内存在线弹性应力-应变关系(如图1A-C). 因此可借用弹性理论的方法处理非线性材料, 称为"拟弹性". 本研究将肛门直肠设为拟弹性体, 采用研究弹性体的方法来研究, 测算杨氏弹性模量与泊松比等力学参数建立兔肛门直肠有限元模型.
杨氏弹性模量是表征在弹性限度内物质材料抗拉或抗压的物理量. 根据胡克定律, 在物体的弹性限度内, 应力与应变成正比, 比值被称为材料的杨氏模量, 他是表征材料性质的一个物理量, 仅取决于材料本身的物理性质. 杨氏模量的大小标志材料的刚性, 杨氏模量越大, 越不容易发生形变. 泊松比是材料在单向受拉或受压时, 横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值, 同样能反映物体的刚度. 由表1可知, 正常的直肠黏膜层与黏膜下层的杨氏弹性模量最小、泊松比最大, 说明其最软、最易发生形变, 符合临床征象.
兔肛门直肠有限元模型将运用于不同浓度的消痔灵注射治疗兔直肠黏膜内脱垂的疗效评价研究, 能形象观察注射前后直肠黏膜内脱垂情况的差异. 叶玲等[16]认为消痔灵注入直肠黏膜下层, 使直肠黏膜局部组织产生无菌性炎症, 通过组织纤维化使直肠黏膜与肌层粘连形成瘢痕. 正常的黏膜、脱垂的黏膜、消痔灵注射后的黏膜, 三种不同状态的直肠黏膜将测得不同的杨氏弹性模量和泊松比等力学参数. 消痔灵注射后硬化的黏膜, 其杨氏弹性模量将最大, 泊松比最小. 运用测得的力学指标代入兔肛门直肠有限元模型中, 将计算得具体的直肠黏膜脱垂量, 从而直观论证不同浓度的消痔灵注射治疗直肠黏膜内脱垂的疗效.
基于兔肛门直肠有限元模型的建立, 我们获得客观掌握肛门直肠疾病的有效方法, 有助于对此类疾病的深入研究.
探求为肛门直肠疾病的诊断和疗效评估提供客观理论指导的方法. 有限元模型符合这一需求, 他能通过虚拟建模直观反映宏观结构的改变. 本文将建立兔肛门直肠有限元模型.
肖恩华, 教授, 中南大学湘雅二医院放射教研室
将有限元运用于软组织的研究, 首次建立兔肛门直肠三维有限元模型, 有助于肛门直肠疾病的深入研究. 利用兔替代人作为研究对象, 具有可重复率高、不受伦理约束以及模型可控性强等优点.
首次建立兔肛门直肠三维有限元模型, 运用万能材料试验机测得肛门直肠组织的力学参数.
兔肛门直肠三维有限元模型的建立, 将肛门直肠疾病的研究带入一个新的领域, 加深人们对肛门直肠疾病在发生发展机制、诊断与治疗方面的认识.
本文运用SUPER-SAP有限元软件, 建立兔肛门直肠三维有限元模型, 将为肛门直肠疾病的诊断和疗效评估提供理论指导, 具有一定的创新性.
编辑: 黄新珍 电编: 鲁亚静
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