马瑛 赵烨

盆腔器官脱垂（pelvic organ prolapse，POP）是指因盆底支持力量的减弱引起的盆腔器官位置的下降，主要有阴道不适感、外阴脱出肿物、尿失禁、排尿困难、排便改变和性功能障碍等症状，统称为PFD。

POP 好发于中老年女性，其发病率现已居高血压、糖尿病等慢性疾病之上，且有逐年上升趋势［1］。2019 年中国一项针对城市地区女性POP 患病率的多中心横断面调查，结果显示整体患病率为9.67%，并随年龄的增加而增加，70 岁以上人群患病率上升至26.11%［2］。多个大样本流行病学研究报道国外女性POP 的患病率为6%～19.7%［3-4］，针对美国女性的发病预测指出，到2050 年因POP 而进行手术治疗的患者将比2010 年增加48%［5］。由此可见POP 是一个全球性的健康问题，严重影响了女性的身心健康和生活质量。

针对POP 的发病机制、诊断、治疗及疾病危险因素等方面，学者们进行了大量的研究，研究的方法主要通过对人体解剖学研究，应用超声、CT、核磁成像技术对盆底组织及器官的形态学改变提供可视数据［6］，随着生物力学在女性盆底领域研究的逐渐深化，利用盆底离体组织的机械拉伸试验获得生物力学参数［7］。但是POP 的发生、发展遵循“整体理论”，并且力对在体盆底组织的影响存在时向性作用，以上的研究数据均有一定的局限性，无法准确的反应出真实的临床事件。随着FEA 在医学领域的应用，为妇科盆底功能障碍性疾病的研究提供了更为有利的科学方法，现就有限元在盆腔功能障碍性疾病中的应用进行综述。

一、FEA概述

FEA 源自于工程设计和分析，它是以连续介质力学和弹性力学为基础，采用连续分布的质量和能量函数系统来描述研究对象受力后所产生的力学变化及位移变化等的仿真模拟技术。其通过图像和三维重建技术，将连续的整体模型分割为和原始模型有相同性能的有限个单元组合体，各单元在顶点处以节点的方式联接在一起，形成网格。分别对各单元进行形状、结构、材料和载荷情况等计算及分析，最终将各单元计算结果进行再整合分析得到应力、应变、位移等模拟结果［8］。单元划分得越细，计算结果就越接近真实，随着医学影像技术和计算机软件技术的迅速发展使得FEA 技术周期性更短，仿真能力更强，该模型已经成为一种定量分析工具，可以对复杂的、无法在机体直接实现观察的生物力学系统进行观察［9］。学者们尝试将FEA 方法应用到医学领域，通过其无创性、重复性强的优势，获得了大量全面的生物力学数据，并利用仿真模拟技术选择个体化治疗方案、分析疾病预后，为生物合成材料的选择提供依据。目前有限元技术在骨科、口腔医学、眼科等相关领域中已得到普遍应用。

二、有限元在盆底功能障碍性疾病的应用

对盆底功能障碍性疾病的基础研究，特别是随着解剖学不断深入探索促进了盆底整体理论的建立和发展，随着盆底结构的三维重建及可视化的发展使得研究开始转向在体盆底结构和功能生物力学方向。FEA 技术在妇产科相关领域中的研究目前属于探索阶段，国内外暂无完整的女性盆底有限元模型的报道，只有针对其中一部分或相关几部分内容进行分析研究。

1.FEA对肛提肌的模拟

PFD 的发生主要是由盆底肌、筋膜、韧带等支持结构异常引起的，如薄弱、缺损或断裂。Dietz HP 等［10］指出，10%～30%的女性阴道分娩导致肛提肌撕裂与之后发生PFD 有密切相关性。在中国脱垂女性中肛提肌撕脱占39%，同严重的盆腔脱垂的发生有关，较其他因素相比对女性的生活质量影响更大［11］，这同国外的数据是一致的［12-13］。为探讨肌肉损伤严重程度同脱垂的关系，Berber MB 等［14］将284 例脱垂病例与219 例无脱垂病例的肛提肌损伤数据进行二次分析，结果表明只有50%以上肌肉损伤的病例才发生脱垂。肛提肌大面积裂伤撕脱后导致肛提肌裂孔面积的增大，Wen L 等［15］发现肛提肌裂孔面积是女性POP的独立病因学因素，裂孔面积的增大是POP 尤其是前腔室和中腔室器官脱垂的高危因素。因此学者［16］认为肛提肌的损伤在PFD 中起着至关重要的作用，也因此目前FEA 模型的研究多集中于肛提肌。

2003 年，Janda S 等人利用一具无盆底病变的72 岁女性尸体标本，建立了世界上首个以解剖为基础的肛提肌有限元模型和模型数据库［17］。D'Aulignac 等［18］2005 年在Janda S 的数据基础上应用NURB 曲面重建肛提肌的几何模型，并用该模型模拟了肛提肌在受压和主动收缩时的生物力学特性。同年Lee SL 等［19］首次利用磁共振扫描构建了活体青年女性盆底肛提肌的个体化有限元模型，其模型预测了盆底组织在不同生理状态下（如静息、收缩或舒张状态）的力学特征，绘出了收缩和舒张状态下的Vou Mises 应力云图。2007 年Parente MP 等人首次构建阴道分娩的有限元模型，使用的也是Janda S文献中的数据，除肛提肌外增加了骨盆骨骼和闭孔内肌结构［20］。随后Noakes KF 等［21］对两具冰冻尸体和一位32 岁健康女性的MRI 数据建立了肛提肌及直肠肛管三维有限元模型，通过模拟发生于盆底的力学过程，探讨盆底及直肠肛管的正常排便机制。该研究小组继续对模型施加了边界条件，以纳入周围支持结构的作用，观察模型中肛提肌在受力后的形变，并将结果与志愿者女性的动态MRI进行比较以证明该模型的准确率，数据表明两者在垂直方向的均方根误差为0.7 mm，误差为2.6%，在水平方向的误差则为74.5%［22］，误差较大。2008 年Zhang Y 等［23］使用有限元模型来模拟跳跃引起的压力性尿失禁，该模型使用接触约束来描述不同器官之间的相互作用以及流体-结构的相互作用，模拟尿液与组织的相互力学作用，揭示了弹跳的高度影响了膀胱漏尿量。DeLancey 团队创建了多个三维MRI的盆底结构模型，在此基础上其改进了前期的有限元模型，结果表明当胎头以枕下前囟径和双枕径通过肛提肌裂孔时，肛提肌应力出现峰值［24］。宋红芳等［25］使用FEA 方法仿真肛提肌在病理状态下的应力分布，对于盆腔脱垂和不同类型的压力性尿失禁，肛提肌内出现最大应力的位置一致，均在肛提肌左右两侧对称位置的交界处，Ⅰ型压力性尿失禁对肛提肌产生的应力最大，容易造成肛提肌的损伤。Luo J等［26］2015年再次建立有限元模型来解释盆腔器官脱垂的发生，模型包括阴道前后壁，肛提肌，主韧带、子宫骶韧带，前、后肌腱筋膜骨盆，肛提肌腱、会阴体、会阴膜和肛门括约肌，结果表明直肠膨出是由损伤肛提肌和后腔室支撑引起的，膀胱颈支持损伤可能导致膀胱膨出或直肠膨出，并且模拟了修复后室支持组织以减少直肠膨出，但结果反而增加了先前存在的膀胱的膨出，这样的结果同临床盆底重建手术复发情况相符。

FEA 有三个主要步骤：模型创建、模型求解和模型验证。以上的FEA 是将来源于体外正常或病理标本的材料常数赋予模型中，使用这些数据进行组织应力、位移的求解、验证。逆向有限元分析是一种优化算法，在建立以上有限元模型后继续利用迭代分析反向计算得到不同本构模型的材料常数，比较不同常数下模型和动态MR 图像的位移变化，确定最佳材料常数［27］。Silva ME 等开始使用逆向有限元分析盆底肌肉的生物力学行为的材料常数，并建立30 岁未育健康女性肛提肌模型，模拟Valsalva 动作时肛提肌的位移情况，使用动态MRI中获得的肌肉位移进行验证，两者位移差在水平方向为0.15 mm，垂直方向为3.69 mm，误差率分别为7.0%和16.9%，较前期模型的仿真性更优。对尿失禁女性使用相同的方法进行建模，同正常女性相比，在Valsalva 动作时失禁女性肛提肌位移变化前后方向更明显，肛提肌裂孔也较正常女性大，这些差异在动态MRI得到了同样的证实［28］。

2.FEA对阴道的模拟

阴道壁的肌肉纤维延续附着于肛提肌腱复合体上，在维持盆底支持作用中发挥着作用。2009 年Chen L 等［29］建立了阴道前壁支持结构的三维有限元模型，结果显示，肛提肌损伤、腹压增加、阴道顶端和阴道旁缺陷均可导致阴道前壁和膀胱膨出，膀胱膨出的大小与腹部最大压力有关。构建最大Valsalva 时阴道壁和盆腔骨骼的应力模型，数据显示子宫和阴道侧缘位置的差异、阴道宽度和长度的差异反映了阴道壁及其相关筋膜的变化［30］。

3.FEA对韧带的模拟

主韧带-宫骶韧带复合体被称为维持盆底器官的“第一水平”，但由于影像学对盆腔筋膜、韧带重建存在困难，所以针对子宫附属韧带的FEA 是有限的。Luo J 等［31］应用3D 应力磁共振成像技术分析Valsalva 运动期间脱垂女性的主韧带长度较骶韧带明显延长，但位置角度基本不变，而子宫骶韧带角度变化有显着性差异。

三、FEA应用的局限性及优化方向

1.FEA三维模型建立依靠影像学数据的优化

目前盆底结构有限元模型的建立主要依靠MRI数据，精确的影像学数据是优化模型的基础。2014年刘萍等［32］通过采集25 例青年健康未育女性志愿者数据构建骨盆、盆腔器官及盆底肌群的三维模型，并对肛提肌进行相关指标的测量，为有限元的建模提供了正常值参考依据，填补国内此方面的空白。以此为基础其继续构建静动态肛提肌三维模型，结合生物力学为建模提供更为优化的数据［33］。

但因技术的局限性，目前的检查方法仍不能完整清晰地分辨出盆底的各组韧带及不同走行的各组肌肉，解剖学上耻骨直肠肌、耻骨尾骨肌及髂骨尾骨肌之间无明显分界，研究者将肛提肌视为一个整体研究，忽视了各组肌群的不均匀性及肌纤维走向，并赋于相同的材料属性，这些因素的简化都势必会造成实验结果与真实情况之间出现偏差。核磁扩散张量成像可用于无创评估整个视野中肌纤维方向，近期被用于盆底肌肉研究，结果还是令人满意的，但临床操作中要控制伪影的产生［34］。受激回波位移编码使用可以量化每个心动周期心肌的张力［35］，未来可尝试将无创成像和逆FEA 联合使用，优化模型建立。

2.生物学材料特性的确定仍是FEA的关键

变形模型必须同时具有软组织的解剖结构和其物理行为特征，特别是对于软组织复杂的非线性变形行为的模拟。软组织的弹性特性取决于微观和宏观的结构组织［36］，其生物力学特性会由于肌肉或韧带的损伤、胶原纤维的变化、怀孕或更年期期间激素水平的变化而发生变化。现有的FEA 中材料特性多来自于已有的模型，或文献报道的测量数据，但尸体组织的弹性特性与活体组织存在较大的差别［18］，通过对活体离体组织实施单轴或双轴拉伸试验可获得相关的力学特征［32-34］，如最大应力、刚度、粘弹性特性等，但已有的技术对软组织的材料特性仍难以得到精确地表达。并且缺乏肌肉与他组织（盆腔器官、筋膜和韧带）连接和滑动等相互作用的数据，使得模型边界和加载条件的应用成为困难。这些都需要研究者们继续开展大量的基础力学实验研究为之提供更为真实有利的数据。

考虑到以上的限制，逆向FEA 可作为一种具有优化算法的手段，在整个过程中构建不同的材料常数模型，结果应用动态MRI进行验证，估算最准确和最具体的生物力学特性。Silva 等人使用逆向FEA获得的材料常数的值为C10=11.8kPa 和C20=5.53E-02kPa，这与Lee 等人发表的材料常数不同，（C10=2.5kPa 和C20=6.25E-01kPa）［26］，这种差异不仅与特定的盆底肌肉厚度和形态有关，而且可能与施加的压力有关，逆向有限元还更加贴近的模拟了尿失禁女性的材料特性，其材料特性常数比正常女性较低，这意味着肌肉更软，这在临床上合理的。这项分析需要额外的硬件和软件支持，因此在所有研究机构中仍然没有广泛的使用，仍是一个探索的过程。

3.盆底FEA的未来

有限元模型反应的是某一点、某一时刻的力学特性和位移，对生物体本身存在局限性，可自我调节和代偿的、动态的FEA 模型是未来发展的方向。由于盆底结构是一个极其复杂的整体，涉及到多组肌肉、筋膜、韧带的相互牵拉作用及神经牵拉的耐受能力以及强大的代偿能力等问题，使得盆底组织的改变一直处于平衡、失平衡、自我修复代偿、再次形成新的平衡的循环中，而这些在现有的技术上是难以模拟的，需要今后的研究中不断地增加基础数据、优化算法、多学科有力的结合寻求更真实的临床场景数据模拟。

FEA 的使用可以提供盆底肌肉的力学性能数据，为阐明PFD 发病机制提供依据，应用该方法在临床上可以用于制定个性化的失禁或脱垂的手术方案，优化植入网片的生物学特性，如它的刚度等，并调整其放置位置以降低手术失败率。但由于种种因素的限制，FEA 的领域仍有广阔的空间需要研究者们去改进、发展。