有限元法在人体胸部建模研究中的应用

翁剑波 胡辉莹

有限元法在人体胸部建模研究中的应用

翁剑波 胡辉莹

人体胸部;有限元分析;生物力学

有限元法也称有限单元法，它是将实体对象分割成有限个小单元，根据不同领域的需求推导出每一个小单元的作用方程，组合整个实体的单元并构成系统方程组，最后将系统方程组求解［1］。自上世纪60年代，用于工程力学领域的有限元技术开始与医学研究相结合，由此掀开了生物力学研究的新篇章。有限元的优点在于可以模拟复杂的物理环境，以便于分析人体器官间的相互影响及综合运动等状态;另外因其可采用计算机进行模拟，具有可重复性，因而可以成为一些难度较大、价格昂贵的物理实验的理想替代方法［2］。

人体胸部结构复杂，上邻头颈、下接腹部、外覆胸廓，其内部有心、肺以及重要的血管神经。胸部作为人体呼吸和循环系统的重要器官所在，医学工作者对其相关疾病的治疗和研究从未间断。然而，受人体胸部器官和骨性结构的复杂性、医学伦理学等诸多因素的限制，传统的生物力学实验难以对胸部进行全面模拟，再者整体胸部标本稀少，不适合进行破坏性实验，而有限元技术在人体胸部研究中的应用恰恰解决了这一瓶颈。本文综述了人体胸部有限元模型的建立和发展，并指出其自身的局限性与不足，期待其在今后的研究中取得新进展。

1 人体胸部有限元模型的建立与发展

人体胸廓有限元模型首创于1970年，由Roberts［3］建立，该模型对骨骼全部采用线弹性材料，忽略周围软组织，仅使用静力加载。3年后，Roberts和Chen将同一个模型与动态加载综合技术相结合，以观察冲击下对胸廓结构的影响［4］。1977年，Sundaram等［5］建立了两个胸廓模型:一个包括脊柱、肋骨、胸骨等骨性结构，另一个在其骨性结构基础上填充了肌肉和内脏，采用了对称技术以缩短计算时间，所有的材料均考虑为线弹性。1978年，Chen［6］对胸廓模型进行了扩充，开始考虑胸廓模型内脏的因素，模型赋予的材料仍考虑为线弹性。1988年，Stuhmiller等［7］建立了羊的3D有限元模型，其模型以固体元素区分了胸腹腔内的脏器，建模所赋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实胸廓，重建了脊柱、胸骨、肌肉及一些软骨组织，但是未能重建胸腔内部结构，所有元素均用粘弹性材料构建，模型在胸廓整体结构上有了新进展。1995年，Wang等［9］建立的模型包括了完整的骨骼肌、内脏系统，粘弹性材料被赋予了骨骼和其他元素。2000年，Jolly等［10］建立的模型将骨骼赋予弹性材料，而肌肉则采用粘弹性材料，此时建立的胸廓模型更接近真实的人体，更具准确性。2007年，胡辉莹等［11］应用mimics软件对一具尸体标本的 CT数据进行了重建，模型完整重现了脊柱、胸骨、肋骨的骨性解剖结构，并根据其不同灰度值将模型区分为皮质骨、松质骨及肋软骨，建立的骨性模型进一步被细化，具体到节点，单元。Roberts等［12］则对骨骼、器官及纵膈采用线性四面体单元建立，并使用LS－DYNA软件进行装配，各个器官被建立为实体，不含其内部空腔结构。模型简单的以圆柱体进行代替，肺脏被赋予为实体器官。张治纲等［13］在2009年利用CT图像及第三军医大学“中国可视化人体”断层照片建立有限元模型，模型由体单元solid164构成，胸骨、肋骨等骨性结构设为线弹性材料，而内脏、肌肉定义为粘弹性物质。2010年，El-Jawahri等［14］在原有建模的基础上，对FHBM(福特人体模型)进行了代表年龄的判断，并且以形态学为基础尝试建立其他代表年龄模型，并通过尸体实验进行了验证，结果证明模型是有效的，也证实了研究的意义。Li等［15］单独对肋骨进行了有限元研究，主要从肋骨结构、网格密度、皮质厚度、赋值材料角度研究了胸部第2、4、6、10肋。研究表明2 000～3 000个固体元件建立的肋骨模型可以精确计算并反映人体肋骨结构。皮质元件厚度应具有可变性，弹塑性材料更适合肋骨模型。2011年以后，康建毅、李海岩和邵煜等［16－18］基于CT数据建立胸部的有限元模型，开始考虑用四面体、六面体实体单元、壳单元来构建胸部各个组织部位。模型较以往更加细化，其胸椎包括了横突棘突、椎弓根、椎间盘纤维环、髓核，还构建了肺和心脏，气管主动脉和下腔静脉等。2013年，Roth等［2］建立了胸腹腔联合有限元模型，实验采用动态和静态两种加载方式并重建了所有的主要器官，与以往不同的是，胸腹腔脏器与脏器空间被赋予了液体元素，最终模型由38 600个六面体元素及77 800个四面体元素构成。

2 人体胸部有限元模型的分析与应用

有限元技术有着深厚的理工科背景，有关人体胸部有限元模型的分析最早开始于汽车制造业，探讨外力撞击对胸廓的影响，尤其是汽车碰撞对人体胸部的直接损伤机理，通过对其研究从而优化汽车的设计，尽可能地降低车辆碰撞事故中的胸部损伤风险，减轻对人体的伤害，利用建立的仿真模型为复杂车辆碰撞事故中的胸部损伤生物力学研究奠定了基础，并应用到不同碰撞条件下的肋骨骨折损伤预测和评估中［3－9，19，20］。而医学研究上，康建毅等［16］利用胸部有限元模型数值模拟爆炸冲击波载荷下胸部的周围压力和肺脏的应力分布规律，其研究让我们了解了冲击波作用于机体的各个过程，预测胸部损伤的发生情况，对冲击波损伤机制、损伤评估等研究具有非常重要而深远的意义。李海岩等［17］通过有限元模型模拟交通事故中儿童胸部的撞击实验，分析其在轴向碰撞载荷下的变形量和撞击力的关系曲线，与缩放获得的成人尸体试验数据进行比较，从而验证模型的有效性，为开展儿童胸部损伤机理及安全防护领域的研究提供可靠的基础数据。邵煜等［18］通过有限元模型模拟人体右季肋区遭受钝物击打时胸廓的应力、应变情况，结果在6 m/s与8 m/s的击打速度可造成击打部位的肋骨发生骨折。通过对胸廓骨性结构的应力、应变趋势分析，阐明胸部损伤的致伤机制，为法医损伤学研究提供了参考的依据。Roth等［2］通过胸腹部有限元模型在高速撞击下观察到胸腹部在受到撞击时内脏间的相互作用，并量化观测到胸腹腔形变的发生及发展，这在实际交通事故中对胸部内脏损伤机理的研究提供一定的帮助。除了用于有创性研究，人体胸部有限元模型的分析对临床治疗也有着重大意义。Kinst［21］和 de Jongh等［22］将胸部有限元模型运用到临床的心电除颤上，通过植入不同位置的电极来测量除颤阈值，进而观察心肌电除颤的效果和验证电极位置的有效性，这为临床心电除颤的研究发展提供了可靠的数据支持。胡辉莹等将［11］有限元模型用于模拟胸外按压，以此探讨心肺复苏时胸外按压的机制，为临床胸外按压的有效性提供生物力学研究的基础资料。Gzik-Zroska等［23］将有限元技术用于漏斗胸的治疗，通过建立胸部有限元模型，比较不同厚度稳定板对患者胸廓应力、应变的改变情况，选择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，使用计算机模拟膈肌及肋间肌的运动以观察吸气运动时，胸腔容积增加与畸形程度的关系，这有助于我们了解异常胸廓与损伤机制的特点。

3 胸部有限元模型研究的不足与展望

就目前的研究进展而言，将有限元技术应用于人体胸部的研究并不多见，整体研究进展相对落后于其他领域，如脊柱、口腔等。笔者认为造成这一原因主要有三个方面:①尽管该领域开展较早，但有限元技术本身要求有一定的理工科背景，故长期由汽车制造业、军队工程师所把持，由于其缺乏相应的医学解剖知识，所建立的模型真实可靠性有待检验，临床针对性也有所欠缺;②人体胸部结构复杂(软组织和硬组织)，其生物力学性质不能仅用骨性结构评价，同时胸部骨性关节复杂，各个关节运动性质不尽相同;③胸部数据处理量庞大，往往需要耗费大量的时间和精力。因此，建立胸部的有限元模型难度较大。

在有限元技术层面，为了方便计算分析，有限元模型在建立过程中常常将模型结构进行简化，客观上影响了结果的真实性。①在建模材料属性的赋值上缺乏一定的合理性，Forman等［25］将有限元模型与尸体实验对比时发现，将肋软骨描绘成匀质、各向同性的线弹性材料时，胸廓活动度偏大，得出该赋值材料并不能完全模拟肋软骨。生物组织的材料属性，例如骨骼是标准的非匀质各向异性材料，现阶段研究已开始考虑，但胸廓骨骼未见如此处理，同时肌肉、内脏的建模中也存在类似情况，而现今已有学者对软组织建模进行了论证［26］，这可能是今后需要引入的技术手段。②边界条件的添加往往需要研究者个人的物理学知识和医学素养，否则会出现遗漏或错误，这也进一步提示医学工程界与临床医生合作的重要性。

在过去的40多年中，有限元技术用于人体胸部领域的研究已取得了重要的进展，胸部有限元模型日趋接近人体真实解剖结构，所赋材料日益多样化，与临床结合更加紧密。随着未来计算机技术及相关软件的不断发展，该技术必将在有关胸部研究中大放光彩，但在开展相关研究的同时，亦需了解其局限性，因地制宜合理的建立模型，对其合理的材料赋值并添加边界条件。

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10.3969/j.issn.1000 －0399.2015.05.037

510510 广东广州 南方医科大学(翁剑波)

510510 广东 广州军区广州总医院附属157医院(胡辉莹)

胡辉莹，huhuiying11@126.com

(2014－11－20收稿 2015－02－18修回)