基于有限元模型的经阴道分娩产妇子宫瘢痕处最大应力分析

王贤达，贺 磊，马新刚，董瑞春，孟颜颜

1)山东理工大学机械工程学院 山东淄博 255000 2)淄博市妇幼保健院手术麻醉科 山东淄博 255029

瘢痕子宫是指剖宫产手术或肌壁间肌瘤剥除术后的子宫。近几年来，我国的剖宫产率一直处在一个较高的水平，随着国家二胎政策的放开，剖宫产后再次妊娠率亦随之上升。而瘢痕子宫易发生子宫破裂，危及母婴安全，因此临床上对剖宫产后再次妊娠孕妇分娩方式的选择存在争议。郑荣燕等[1]通过研究瘢痕子宫足月妊娠经阴道试产的产程特点，探讨经阴道试产的安全性；张银花[2]仅是回顾性地对剖宫产后再次妊娠的分娩方式进行探讨，要求做好产前检查。上述研究均通过严密的产程监护来探讨瘢痕子宫的安全分娩方式。随着计算机技术的发展，有限元分析被应用于相关研究。Baah-Dwomh等[3]建立了子宫模型并进行了有限元分析，通过计算机建模工具来了解早产的原因。Naji等[4]的研究表明子宫前壁下段越薄子宫越容易发生破裂，但是并未指出子宫瘢痕厚度与分娩方式的关系。本研究通过有限元模型分析瘢痕子宫分娩时子宫前壁厚度及子宫瘢痕厚度与子宫破裂的关系，用以判断能否顺产，给医生提供一些数据上的参考，以避免判断的盲目性，减少重复剖宫产，提高阴道分娩率。

1 材料与方法

1.1子宫仿真模型的建立子宫位于骨盆中央，前面为膀胱，后面为直肠，外观呈倒置的梨形，前后略扁。成年女性的子宫长7～8 cm，宽4～5 cm，厚2～3 cm，上部较宽，呈三角形，即子宫体[5](图1)。本文参考曹立波等[6]的建模方式利用三维软件Solidworks建立孕期为40周的子宫模型。

图1 孕妇腹部剖面图

1.2子宫有限元模型的建立

1.2.1 子宫结构的简化 由于子宫结构比较复杂，在不影响结果的情况下我们进行了一系列必要的简化。本研究的重点是子宫瘢痕会不会在宫缩时破裂，故省略了胎儿模型的建立。剖宫产多选择子宫下段横切术，因此本模型也采用下段横切建模。子宫与人体的连接固定主要依靠盆腔和阴道的承托及韧带的牵引固定。考虑到孕妇分娩时处于仰卧位，

且分娩时整个子宫的形状大小都在变化，韧带已经失去原有的固定作用，只有宫口位置基本不变，因此子宫口位置采取了固定位移[7]。采用Solidworks建立子宫有限元模型，如图2所示。根据相关资料[5]确定子宫在40周时的尺寸参数:35 cm×24 cm×24 cm,子宫颈长3 cm，子宫瘢痕处长约15 cm，由于瘢痕处是很窄的一块肌肉，在模型上设置宽3 mm，并且做了圆角避免应力集中。研究共设3个变量：子宫前壁上、下段厚度及子宫瘢痕厚度，其中子宫前壁下段厚度与子宫瘢痕厚度差别较小，研究中取相同的数值。分娩时，子宫主要承受宫缩产生的压力，根据临床实际情况，在子宫模型内部施加垂直于子宫壁向外的13.3 kPa的压力。

图2 子宫有限元模型

1.2.2 网格划分和材料定义 利用ANSYS workbench软件在有限元网格划分基本原则的基础上对所建子宫模型进行网格划分。在重点研究部位应保证划分高质量网格，而在非重点研究部位，网格质量可适当降低，故子宫瘢痕处的网格划分比较细，其他部分如子宫体和子宫颈采用完全一致的网格密度，如图3所示。Peariman等[8-9]和Wood[10]对人体子宫组织进行拉伸试验，获得的子宫壁弹性模量在20.3～1 379.0 kPa。结合上述研究结果及子宫是一个肌性器官的特点设置弹性模量、泊松比、抗拉强度及密度。由于实验材料的限制，加之对于子宫瘢痕的生物力学性质知之甚少，子宫瘢痕处数据根据人体肌肉数据[11]设定。子宫壁及子宫瘢痕处的生物力学性能参数最终的设置见表1。

图3 网格设置

部位材料模型弹性模量/kPa密度/(kg/cm3)泊松比抗拉强度/kPa子宫壁线弹性模型5661 0520.40656.3子宫瘢痕线弹性模型1 3791 0600.40500.0

1.3模型验证和应用模型验证：查阅资料[5]知，40周时子宫前壁上段厚度为5.0～15.0 mm。研究中首先取子宫前壁上段厚度为10.0 mm，子宫前壁下段和瘢痕处厚度设为3.0 mm，获得应力分布图，并应用ANSYS workbench分析最大应力值。此后根据实际情况更改上述3个参数，获得相应的应力分布图。

固定子宫前壁上段厚度为10.0 mm，子宫前壁下段和子宫瘢痕厚度均从1.0 mm逐渐增至6.0 mm,通过ANSYS workbench分析得出一系列数据。固定子宫前壁下段和子宫瘢痕处厚度为3.0 mm，改变子宫前壁上段的厚度(0～16.0 mm)，得出一系列数据。所得数据代入Matlab进行曲线拟合，获得拟合方程，并绘制拟合曲线。

2 结果与讨论

2.1模型验证子宫前壁上段厚度取10.0 mm，子宫瘢痕处厚度取3.0 mm时获得的子宫应力图见图4。由图4知子宫瘢痕处的应力最大，最大应力值为512.5 kPa，由表1知最大抗拉强度为500.0 kPa。抗拉强度小于最大应力，说明子宫瘢痕厚度为3.0 mm时处于临界状态，有发生破裂的风险。查阅相关文献[12-13]，普遍也以子宫瘢痕处厚度3.0 mm为分界线，当子宫瘢痕厚度大于3.0 mm时，顺产比较安全。模型分析结果与临床实际相符，说明本模型具有实际应用价值。另外，改变模型参数获得的应力分布图亦显示子宫瘢痕处应力最大。

图4 子宫前壁上段厚度取10.0 mm、子宫瘢痕处厚度取3.0 mm时的应力分布图

2.2子宫瘢痕厚度与分娩时瘢痕处最大应力的关系固定子宫前壁上段厚度为10.0 mm，子宫前壁下段和子宫瘢痕厚度均从1.0 mm逐渐增至6.0 mm，得到拟合方程：y=3.982e(-0.863 6x )+0.183,x∈(0,6.0),其中x代表子宫瘢痕厚度，y代表子宫瘢痕处的最大应力，拟合曲线如图5所示。从图5可以看出子宫前壁上段厚度一定时，随着子宫前壁下段和子宫瘢痕处厚度的增加，子宫瘢痕处受到的最大应力逐渐减小；当子宫瘢痕处的厚度≤3.0 mm时，瘢痕处的最大应力大于瘢痕的抗拉强度，子宫易发生破裂。

图5 子宫瘢痕处最大应力和子宫瘢痕厚度的关系

2.3子宫前壁上段厚度与分娩时子宫瘢痕处最大应力的关系固定子宫前壁下段和子宫瘢痕处厚度为3.0 mm，改变子宫前壁上段的厚度，获得拟合方程：y=0.587 1+0.0941 5×cos(0.319x)-0.089 58sin(0.319x)，x∈(0,16.0)，其中x代表子宫前壁上段的厚度，y代表子宫瘢痕处受到的最大应力，拟合曲线如图6所示。图6显示不同的子宫前壁上段厚度对子宫瘢痕处最大应力的影响不同。子宫瘢痕厚度为3.0 mm，子宫前壁上段厚度在4.5～10.0 mm时，选择顺产是比较安全的；当子宫前壁上段厚度在其他范围时选择顺产则并不安全；子宫瘢痕处受到的最大应力随着子宫前壁上段厚度的增加先减小后增大，其中子宫前壁上段厚度是7.0 mm时子宫瘢痕处的应力最小。

图6 子宫前壁上段厚度与子宫瘢痕处最大应力的关系

2.4小结目前，实际临床工作中并没有有效地选择分娩方式的方法，诊断主要依赖孕妇临床表现及医生的经验，缺乏直接的客观依据,易造成误诊或漏诊。大多数医生将瘢痕处厚度3 mm作为分界线[14]。本研究通过模型分析得出分娩时子宫瘢痕处的受力情况不仅与子宫瘢痕处厚度有关，还受到子宫前壁上段厚度的影响，子宫瘢痕处受到的最大应力随着子宫前壁上段厚度的增加会先减小后增大，以往将子宫瘢痕处厚度3 mm作为分娩方式选择的分界点并不准确。

本研究提供了一种有效的有限元分析方法，虽然该模型包含了很多关于材料属性和载荷的近似值，但计算结果与临床实际相符，可为临床选择分娩方式提供参考。由于相关临床数据有限，该模型尚有待进一步验证和完善。