翁劍波，胡輝瑩

(1.南方醫(yī)科大學，廣東 廣州 510515；2.廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院附屬157醫(yī)院，廣東 廣州 510510)

人體胸廓三維有限元模型的建立過程和應力分布特點

翁劍波1,2，胡輝瑩2

(1.南方醫(yī)科大學，廣東 廣州 510515；2.廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院附屬157醫(yī)院，廣東 廣州 510510)

目的 探討人體胸廓三維有限元模型的建立過程和應力分布特點，以證實三維有限元模型的可靠性，為心肺腦復蘇急救時胸外按壓機制和效果提供生物力學依據(jù)。方法胸部多層螺旋CT掃描輔助下成功建立人體胸廓三維有限元男女模型各一個，模擬垂直胸外按壓，分析人體胸廓三維有限元模型的各部位胸廓位移和應力特點。結(jié)果成功建立脊柱、鎖骨、肋骨和胸骨等胸廓結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，男/女共741 006/760 816個節(jié)點，男/女共316 034/326 785個單位。參照CT影像學特點將人體胸廓三維有限元模型分為6種材料性質(zhì)。模擬垂直胸外按壓，向下移位最大的胸廓部位為胸骨，應力主要分布于肋骨最后部位。靜態(tài)加載時，胸骨位移恒定情況下，男性所需外力明顯大于女性，兩者比較差異具有統(tǒng)計學意義(P＜0.05)。胸骨第4、5肋間、第5、6肋間達到相同位移時需要較小的外力，與胸骨3、4肋間比較差異具有統(tǒng)計學意義(P＜0.05)。動態(tài)加載達到相同位移時所需外力較靜態(tài)加載大，且隨著頻率增大，胸廓實際所承受的載荷逐漸減小，在80～100次/min時，相同外力作用下胸骨位移增加，但在110次/min時胸骨位移下降。結(jié)論建立人體胸廓三維有限元模型需提供精準的胸廓組織結(jié)構(gòu)信息，為人體胸廓體外按壓提供生物力學依據(jù)。

胸廓；三維有限元模型；建立；應力

胸外按壓是心肺腦復蘇急救過程中的重要組成部分，其在臨床急救中具有重要作用。國際心肺腦復蘇指南指出胸外按壓是急救過程中的關鍵，胸外按壓效果直接影響心肺腦復和急重癥患者救治成功率[1]。因此，有效的胸外按壓在改善患者疾病預后和降低死亡率中具有重要的意義。但如何保證和提高胸外按壓的有效性，目前相關研究缺乏對比性，且病例選擇存在一定困難，胸外按壓模型建立過程中受多種臨床因素限制[2]。本研究在影像學技術輔助下結(jié)合三維有限元生物力學分析方法，經(jīng)計算機重建，具有精準反映正常人體胸廓生物力學特征，對三維有限元模型實施仿真試驗，旨在研究人體心肺腦復蘇過程中胸外按壓機制和生物力學特征，提高急救成功率。

1 材料與方法

1.1 實驗對象 選取新鮮尸體標本兩具，經(jīng)過X線及CT掃描排除胸廓畸形及無骨折尸體。①男性：身高 178 cm，體重85 kg，年齡40歲，胸廓橫徑28.5 cm，縱直徑19.7 cm，周徑79 cm；②女性：身高163 cm，體重52 kg，年齡55歲，胸廓橫徑25.6 cm，縱直徑16.8 cm，周徑73.4 cm。

1.2 方法 ①儀器：德國西門子雙源CT(型號：SOMATOM Definition，2008G)，分析應變機器(德國ARAMIS非接觸應變分析測量儀)，加載儀器(美國博士材料實驗機，BOSE ElectroForce)；②掃描范圍：完整胸廓：T1～12(包括12肋下緣)，包括軟組織、骨組織(胸骨、肋骨、肋軟骨，椎骨、鎖骨、肩胛骨、肱骨頭)，內(nèi)臟器官(心臟、肺等)；③條件：分辨率≥(512×512×8)bit，層厚≤0.4 mm，選擇骨窗和軟組織窗；④掃描：男，掃描時間14.79 s，圖像1 137張，女，15.97 s，1 234張；⑤存貯圖像格式：DICOM格式。

1.2.1 人體胸部CT圖像的提取及構(gòu)建三維模型 采用不同性別新鮮尸體，X線排除胸部疾患及損傷，進行胸部螺旋CT掃描，獲得二維斷層圖像并存儲。將斷層影像輸入三維重建軟件Mimics進行三維重建，建立人體胸部三維實體模型。

1.2.2 人體胸部三維有限元模型的建立 在Mimics軟件中進行表面網(wǎng)格劃分，然后將模型導入ANSYS軟件中進行體網(wǎng)格劃分，再導入Mimics軟件進行材質(zhì)劃分，如此反復多次后，最終建立了具有非常精確的組織結(jié)構(gòu)信息的人體胸部有限元模型。

1.2.3 驗證人體胸部有限元模型的有效性 標本做胸外按壓的生物力學測試(人體胸部在不同作用力、不同按壓位置胸廓位移)所得到的有效數(shù)據(jù)與胸部有限元模型進行對照，比較相同作用力下兩組的位移關系，通過兩組數(shù)據(jù)的趨勢曲線來進一步修正模型，驗證其有效性和仿真程度。

1.2.4 胸部有限元模型分析 在計算機模型上模擬胸外按壓，分析不同按壓頻率和深度胸廓的應變情況。①靜態(tài)加載：加載位置選擇：第3、4肋間、第4、5肋間和第5、6肋間，依次以已知力量0～400 N大小，在不同加載位置以每50 N為一個級別進行逐級加載，BOSE機配置配置電腦同步記錄載荷、位移數(shù)據(jù)；②動態(tài)測試，采用80次/min、100次/min、120次/min、140次/min的加載頻率，以相同的外力在三個不同位置進行測試。

1.3 統(tǒng)計學方法 本研究數(shù)據(jù)采用SPSS18.0統(tǒng)計軟件進行分析，計量資料以均數(shù)±標準差(±s)表示，組間比較采用t檢驗，以P＜0.05為差異具有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

2.1 人體胸廓三維有限元模型特點 成功建立脊柱、鎖骨、肋骨和胸骨等胸廓結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，男/女共741 006/760 816個節(jié)點，男/女共316 034/ 326 785個單位，參照CT影像學特點將人體胸廓三維有限元模型分為6種材質(zhì)，見表1。

表1 人體胸廓三維有限元模型的六種材質(zhì)劃分（男/女）

2.2 人體胸廓三維有限元模型應力分布特點 Ansys10.0有限元分析軟件中“求解”結(jié)果顯示，人體胸廓三維有限元模型中的胸廓應力和應變集中位置不同，應力主要位于靜態(tài)約束模型中的運動自由度(胸背部的最后部位肋骨位置)，應變主要位于肋骨和胸骨相交處；模擬垂直胸外按壓，向下移位最大的胸廓部位為胸骨，應力主要分布于肋骨最后部位，致使受力集中位置于胸背部；而應變主要位于肋骨和胸骨相交處，致使變形程度最明顯的是肋骨和胸骨相交處。

2.3 人體胸廓三維有限元模型生物力學分析 ①靜態(tài)加載時，胸骨位移恒定情況下男性所需外力明顯大于女性，兩者比較差異具有統(tǒng)計學意義(t=3.21，P＜0.05)。胸骨第4、5肋間、第5、6肋間達到相同位移時需要較小的外力，與胸骨3、4肋間比較差異具有統(tǒng)計學意義(t=2.89，P＜0.05)。②動態(tài)加載達到相同位移時所需外力較靜態(tài)加載大，在動態(tài)加載下，隨著頻率增大，胸廓實際所承受的載荷逐漸減小，在80～100次/min時，相同外力作用下胸骨位移增加，但在110次/min時胸骨位移下降。

3 討論

胸外按壓是心肺腦復蘇急救領域中的重點，胸外按壓在急救治療中的重要性逐漸受重視，其按壓次數(shù)從早期心肺復蘇時的60～80次/min到目前的100次/min[3]。國際心肺腦復蘇對胸外按壓操作部位和力量中的要求更為嚴格，此外，胸外按壓的作用機制從早期的心泵理論逐漸向胸泵理論轉(zhuǎn)變。有研究認為，節(jié)律性胸骨按壓通過按壓位于心臟處的胸外部位置，促進心房室瓣關閉，增加心室內(nèi)壓，促進血液循環(huán)[4]。胸外按壓解除后心室舒張，血液充盈，導致血液回流，反復胸外按壓有助于促進人工血液循環(huán)，增加心臟的血液供應，被稱為心泵理論。而胸泵理論認為胸外按壓增加導致胸部血管壓力明顯增加，形成胸外靜脈低壓，故形成動靜脈血管壓力梯度，促進血液從動脈流出，解除胸外按壓后胸內(nèi)壓明顯下降，形成胸內(nèi)外靜脈壓梯度，靜脈壁不受壓，血管腔開放，導致血液向心肺回流，但胸內(nèi)動脈床容量小，關閉動脈瓣，回流血液受限，心臟血流供應僅暫時泵作用[5]。近年來，研究證實胸外按壓符合振動力學規(guī)律，胸腔共振機制在胸外按壓中具有重要的作用[6]。研究普遍認為胸外按壓促進心臟復跳的機制主要是通過胸廓形狀、胸內(nèi)外壓改變促進血液循環(huán)，胸泵理論對心肺腦復蘇治療具有重要的作用[7]。本研究通過人體胸廓三維有限元模型的建立及應力分析外力作用下胸廓應力分布特點，采用生物力學分析胸外按壓頻率、力度對心肺腦復蘇的作用。

本研究結(jié)果顯示，成功建立脊柱、鎖骨、肋骨和胸骨等胸廓結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，參照CT影像學特點將人體胸廓三維有限元模型分為6種材質(zhì)。模擬垂直胸外按壓，向下移位最大的胸廓部位為胸骨，應力主要分布于肋骨最后部位。通過CT影像學信息成功建立有限元三維胸廓模型。三維有限元分析是計算機力學分析的主要方法之一，與光電測方法比較，有限元分析方法在人體胸廓三維模型的建立中具有重要的優(yōu)勢，具有精準表達任何復雜性幾何圖形和力學材質(zhì)，成功構(gòu)建反復性應用的人體胸廓三維模型。本研究結(jié)果還顯示，靜態(tài)加載時，胸骨位移恒定情況下男性所需外力明顯大于女性。不同加載位置所需外力差顯著，其中胸骨第4、5肋間、第5、6肋間達到相同位移時需要較小的外力，但臨床實踐已證實胸骨第5、6肋間更可能發(fā)生骨折，因此，胸骨第4、5肋間可作為臨床胸外按壓位置。動態(tài)加載期間隨著頻率的增大胸廓實際所承受的載荷逐漸減小，在80～100次/min時，相同外力作用下胸骨位移增加，但在110次/min時胸骨位移下降。因此，臨床采用100次/min加載頻率在減少承受載荷的同時獲取較為合適的胸骨位移。因此，電子計算機技術輔助下成功建立人體胸廓模型有助于為臨床急救治療中的胸外按壓提供有力的依據(jù)。人體胸廓三維有限元模型雖然具有假設性或簡化性操作，但其為臨床醫(yī)生解決了不能在人體操作上的重要的問題。

綜上所述，建立人體胸廓三維有限元模型需提供精準的胸廓組織結(jié)構(gòu)信息，為人體胸廓體外按壓提供生物力學依據(jù)。

[1]宋 維.2005國際心肺復蘇與心血管急救指南(六)[J].海南醫(yī)學, 2007,18(6):161-164,131.

[2]謝新武,孫秋明,倪愛娟,等.心肺復蘇胸外按壓的力-胸骨位移特性的Gruben簡化模型[J].軍事醫(yī)學科學院院刊,2010,22(1): 51-54.

[3]Mary F,Vinay M,Robert W,et al.Major changes in the 2005 AHA Guidelines for CPR and ECC reaching the tipping point for change [J].Circulation,2005,112(4):206-211.

[4]胡輝瑩,何忠杰,呂麗萍.應用Mimics軟件輔助重建人體胸廓三維有限元模型的研究[J].解放軍醫(yī)學雜志,2008,33(3):273-275.

[5]胡輝瑩,鐘世鎮(zhèn),聶晨陽.人體骨骼生物力學中有限元分析的研究進展[J].廣東醫(yī)學,2007,28(9):1532-1534.

[6]趙永為,王 鶴,王霄英,等.基于模型的迭代重建在胸廓出口處超低劑量CT掃描中的可行性[J].放射學實踐,2013,28(3): 88-290.

[7]謝新武,孫秋明,倪愛娟,等.人體胸廓心肺復蘇胸外按壓力學模型及其模擬研究進展[J].生物醫(yī)學工程學雜志,2009,26(3): 681-684.

Establishment process and stress distribution characteristics of three-dimensional finite element model of human thorax.

WENG Jian-bo1,2,HU Hui-ying2.1.Southern Medical University,Guangzhou 510515,Guangdong, CHINA;2.157 Hospital Affiliated to General Hospital of Guangzhou Military Command,Guangzhou 510510,Guangdong, CHINA

ObjectiveTo investigate the establishment process and stress distribution characteristics of three-dimensional finite element model of the human thorax,to verify the reliability of 3D finite element model,and to provide biomechanical basis for cardiopulmonary cerebral resuscitation of chest compressions mechanism and effect.MethodsWith multi-slice spiral CT scanning,three-dimensional finite element model of the human thorax (men and women)were successfully established.Simulating vertical chest compressions,the thoracic displacement and stress characteristics of each part of three-dimensional finite element model of the human thorax were analyzed.ResultsThe three-dimensional finite element models of the spine,clavicle,rib and sternum and other thoracic structures were successfully established,with 741 006/760 816(male/female)nodes and 316 034/326 785(male/female) units.According to the CT imaging characteristics,the models were divided into six kinds of material properties.During simulation of vertical chest compressions,thoracic part with the maximum downward shift was the sternum,and stress was mainly distributed in the last part of the ribs.Under static loading,in case of constant sternal displacement, the force required for male was significantly bigger than that for women(P＜0.05).The sternums in 4,5 intercostal,5, 6 intercostal needed a smaller force to achieve the same displacement,compared with the sternum in 3,4 intercostal (P＜0.05).Under dynamic loading,bigger force was required than static loading to achieve the same displacement,and as frequency increases,the thoracic actual bearing load decreased gradually.Under the same external force,the displacement of sternum increased at 80～100 times/min and decreased at 110 times/min.ConclusionAccurate information of thoracic tissue structure is needed for the establishment of three-dimensional finite element model of the human thorax,to provide biomechanical basis for chest compression of the human thorax.

Thorax;Three-dimensional finite element model;Establishment;Stress

R336

A

1003—6350（2015）05—0632—03

10.3969/j.issn.1003-6350.2015.05.0228

2014-09-18)

廣東省自然科學基金(編號：S2011040001103)

胡輝瑩。E-mial:huhuiying11@126.com