人體胸廓胸外按壓的生物力學(xué)測試與有限元分析.pdf

1、研究背景及目的： 猝死在我國的發(fā)生率每年大約有60萬人。猝死的搶救成功率極低，即使在發(fā)達(dá)國家，猝死的病人只有5％-15％可以到達(dá)醫(yī)院，而其中只有1％-20％的病人經(jīng)搶救能夠存活。搶救心臟驟停的患者，每延遲一分鐘做心肺復(fù)蘇(CardiopulmonaryResuscitation，CPR)，其存活率即下降7％-10％。 本研究通過人體標(biāo)本的生物力學(xué)試驗(yàn)，測試出人體胸外按壓時作用力與胸廓位移及應(yīng)變的關(guān)系；利用生物力學(xué)三維有限

2、元建模的方法，在計(jì)算機(jī)上重建正常人體胸廓三維有限元模型，并對模型進(jìn)行有效性檢驗(yàn)后，應(yīng)用有限元分析方法模擬分析外力作用下胸廓的應(yīng)力及應(yīng)變分布。本方法避免了以往心肺復(fù)蘇研究的局限性，首次應(yīng)用生物力學(xué)的研究方法分析心肺復(fù)蘇胸外按壓時按壓力度、頻率與形變關(guān)系等胸外按壓的關(guān)鍵技術(shù)問題，為CPR的基礎(chǔ)研究開辟了一個新的探討領(lǐng)域。 材料與方法： 1.胸外按壓的解剖學(xué)基礎(chǔ)：了解人體胸廓、胸壁，以及心臟的解剖結(jié)構(gòu)。 2.人體胸廓胸

3、外按壓的生物力學(xué)測試試驗(yàn)：選擇1具男性新鮮尸體標(biāo)本，實(shí)驗(yàn)前攝片以排除胸廓原有疾病(包括骨折，畸形等)的存在。 3.構(gòu)建人體胸廓三維模型：選擇與前試驗(yàn)同1例的男性新鮮尸體進(jìn)行螺旋CT掃描，掃描范圍：第一胸椎上緣至第十二肋骨下緣進(jìn)行連續(xù)螺旋掃描，選擇骨組織窗的CT影像窗位為396，窗寬為1536。 4.人體胸廓三維有限元模型的建立：在Mimics10.1軟件中，將人體胸廓進(jìn)行表面網(wǎng)格劃分并進(jìn)行優(yōu)化后將模型以AnsysElem

4、entFiles(.lis)的格式導(dǎo)入ANSYS9.0軟件中進(jìn)行體網(wǎng)格劃分，并保存胸廓體網(wǎng)格模型文件返回導(dǎo)入Mimies10.1軟件。在Mimics10.1的有限元分析模塊中，利用軟件自帶的“CT圖像灰度-組織力學(xué)材料性質(zhì)”關(guān)系公式，對三維胸廓體網(wǎng)格模型的各單元進(jìn)行材質(zhì)分配。材質(zhì)分配完成后的體網(wǎng)格模型再次返回導(dǎo)入ANSYS9.0軟件中進(jìn)一步優(yōu)化，如此多次反復(fù)、優(yōu)化后得出完整人體胸廓有限元網(wǎng)格模型。 5.人體胸廓三維有限元模型的有

5、效性檢驗(yàn)：將前期生物力學(xué)測試的結(jié)果與已經(jīng)建立的胸廓有限元模型進(jìn)行對照，比較相同作用力下兩組的位移、應(yīng)交關(guān)系，通過兩組數(shù)據(jù)的趨勢曲線來檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠行浴?6.人體胸廓胸外按壓的有限元分析：將證實(shí)有效的人體胸廓三維有限元模型進(jìn)行垂直方向模擬按壓加載，約束邊界條件后進(jìn)行求解運(yùn)算，分析壓力為0-400N時人體胸廓有限元模型各部位的位移、應(yīng)力和應(yīng)變分布，結(jié)合臨床進(jìn)行結(jié)果分析。 結(jié)果： 1.人體胸廓具有一定的彈性和活動性，胸

6、廓各骨通過肋椎關(guān)節(jié)、肋橫突關(guān)節(jié)、胸肋關(guān)節(jié)相互連接，當(dāng)胸外按壓時，垂直向下的力量作用于胸骨，再通過胸骨與肋骨的連接、肋骨和肋椎關(guān)節(jié)等使胸廓的矢狀徑和橫徑發(fā)生變化。肋軟骨富于彈性，在搶救呼吸驟停的病人時，可進(jìn)行體外心臟按壓或人工呼吸。人體胸外按壓時按壓的部位即心臟與胸廓最為接近的位置。 2.人體胸廓標(biāo)本的生物力學(xué)測試顯示：(1)靜態(tài)垂直加壓時，由A組和B組的力-位移關(guān)系曲線可知：①壓力由0～200N變化時，位移呈現(xiàn)壓力依賴關(guān)系，即隨

7、著壓力的增加，胸廓各測量點(diǎn)的位移也隨之增加。②壓力相同時，不同測量點(diǎn)的位移不同，按壓點(diǎn)(7點(diǎn))的位移最大，依次是7點(diǎn)>6點(diǎn)>5點(diǎn)>2點(diǎn)>4點(diǎn)>1點(diǎn)>3點(diǎn)。③從A組的壓力.位移關(guān)系曲線上看到，胸廓下移達(dá)到40mm距離的只有按壓點(diǎn)在受到200N的載荷力時才能實(shí)現(xiàn)。④A、B兩組比較：同力作用下B組位移更大，當(dāng)外力為200N時，B組按壓點(diǎn)位移達(dá)到60mm，觀察發(fā)現(xiàn)標(biāo)本的胸骨和肋骨未發(fā)生骨折。(2)動態(tài)加壓時胸廓的壓力-位移關(guān)系曲線結(jié)果：當(dāng)模擬臨

8、床胸外按壓頻率為100次/分鐘、按壓與放松時間相等時測量到的外力與位移的關(guān)系從趨勢線上得知，位移隨著外力的增加而增大。(3)從動態(tài)和靜態(tài)加壓時位移的柱形圖可知：相同測量點(diǎn)的動態(tài)位移明顯小于靜態(tài)位移。根據(jù)力.應(yīng)變關(guān)系曲線，當(dāng)外力作用于胸廓時，應(yīng)變呈現(xiàn)壓力依賴關(guān)系，即隨著外力的增大，各測量點(diǎn)的應(yīng)變也增大。 3.建立了包含1158085個節(jié)點(diǎn)、736022個單元的計(jì)算機(jī)人體胸廓三維有限元模型，此模型完整地重現(xiàn)了人體胸廓的復(fù)雜形態(tài)，得到

9、了包括鎖骨、肋骨、脊柱等結(jié)構(gòu)鮮明、直觀、整體的可計(jì)算模型圖像。 4.由于完整胸廓的單元和網(wǎng)格數(shù)據(jù)偏大，而且考慮到第11、12浮肋與前胸廓不相連，對胸廓運(yùn)動的影響不大可忽略等因素，計(jì)算前減去第11肋以下部分，得到包含356562個節(jié)點(diǎn)、215808個單元的胸廓模型。通過比較生物力學(xué)測試試驗(yàn)與所建立模型在相同力作用下的位移和應(yīng)變，我們發(fā)現(xiàn)，首次建立的模型在外力作用下的位移與力學(xué)測試的位移差別較大，重新調(diào)整模型的材料性質(zhì)后將模型與力學(xué)

10、測試再次進(jìn)行比較，最后得出較為合理的胸廓可計(jì)算模型。 5.胸廓有限元模型分析結(jié)果：正常人體胸廓施加壓力后的應(yīng)力分布均勻，呈對稱性分布。按壓胸廓時，胸廓的應(yīng)變集中部位與應(yīng)力集中部位不同，前者多位于胸骨、肋骨交界處，后者多位于肋骨約束自由度處；即變形程度最大的部位在按壓部位的胸骨、肋骨交界處，而受力的集中部位在背部。 結(jié)論： 1.人體胸腔內(nèi)心臟與胸廓最接近的位置與胸外按壓的位置幾乎相同，此結(jié)構(gòu)特征是“心泵機(jī)制”理論的

11、解剖基礎(chǔ)。胸廓是一個由多種骨和骨連接組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，胸外按壓時，垂直向下的力量作用于胸骨，再通過胸骨與肋骨的連接、肋骨、肋椎關(guān)節(jié)等使胸廓的矢狀徑和橫徑發(fā)生變化，胸腔內(nèi)壓增大，這是“胸泵機(jī)制”理論中胸腔壓力變化的解剖學(xué)基礎(chǔ)。 2.胸外按壓時，在相同力作用下，按壓點(diǎn)的位移最大；距離按壓點(diǎn)位置越近，位移越大；在同一肋骨水平，位于胸骨的測量點(diǎn)較肋骨測量點(diǎn)的位移大。按壓胸廓時，按壓力度越大，胸廓的變形也越大，由此推論胸腔壓力的改變也會隨之

12、增加。 3.在同力按壓時，完整胸腔的下壓位移小于骨性胸廓的下壓位移，由于下壓點(diǎn)位置正好是心臟與胸骨接觸面最大、最密切的位置，心臟的相反作用力可使按壓時的動能減少導(dǎo)致位移減小，從而推論：胸外按壓時心臟的形變是存在的。 4.模擬人體胸外按壓頻率的生物力學(xué)動態(tài)測試試驗(yàn)得知作用力與位移的關(guān)系曲線并得出結(jié)論：隨著按壓力的增加，位移逐漸加大；從曲線的趨勢公式：Y=8.0173X+38.698(Y為作用力，X為位移)得知：當(dāng)位移達(dá)到4

13、0mm時，施加的外力是359.39N(相當(dāng)于37公斤)，其胸廓的位移與靜態(tài)測試人體標(biāo)本以及有限元模型計(jì)算出的位移比較都明顯減少。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以推論，使胸廓下壓40mm需要達(dá)到至少300N(相當(dāng)于31公斤)的按壓力量，頻率越高，需要的下壓力量也越大。按壓力量的大致明確對于我們今后的胸外按壓實(shí)際操作具有重大的意義。 5.本研究成功建立了人體胸廓三維有限元模型，此模型的建立在生物力學(xué)有限元研究領(lǐng)域和急救醫(yī)學(xué)領(lǐng)域均屬創(chuàng)新。 6

14、.本研究將建立的人體胸廓有限元模型進(jìn)行了有效性檢驗(yàn)，將修正后的模型計(jì)算結(jié)果與生物力學(xué)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對照，在相同外力作用下，兩組的位移曲線趨勢一致，應(yīng)變曲線趨勢也一致而且極為接近，由此我們認(rèn)為本模型有效，并且能為我們今后的臨床研究提供有意義的有限元分析數(shù)據(jù)。 7.從胸廓有限元模型應(yīng)力、應(yīng)變的分析結(jié)果得知，胸外按壓時應(yīng)變的集中部位在胸骨、肋骨交界處(即肋軟骨處)，而各個肋軟骨的應(yīng)力和應(yīng)變最大部位在第4肋軟骨和第5肋軟骨處；從人體標(biāo)本生

15、物力學(xué)測試的位移變化來看，各個肋軟骨位移變化由大到小依次為：第5肋軟骨>第4肋軟骨>第3肋軟骨>第2肋軟骨；結(jié)合人體胸廓解剖結(jié)構(gòu)可以推論：第5肋軟骨是臨床按壓時最容易發(fā)生骨折的部位，胸外按壓的部位確定在第4肋間隙與胸骨的交界處較為合理。 8.本研究不足之處和未來展望。本研究在建立人體胸廓有限元模型時所涉及的生物材料力學(xué)特性均假定為均質(zhì)、連續(xù)和各向同性，然而實(shí)物材料本身并不是均質(zhì)、連續(xù)的，也不是各向同性，而是呈各向異性的特征。對于

16、這種狀況，絕大多數(shù)有關(guān)骨骼的有限元分析模型都是存在的，這也是該方法本身固有的缺陷。人體胸廓具有胸肋關(guān)節(jié)、肋椎關(guān)節(jié)、和肋橫突關(guān)節(jié)，然而本研究建立的胸廓模型不具有以上關(guān)節(jié)，特別是胸肋關(guān)節(jié)的缺失，在一定程度上影響了胸廓位移的變化。以往有限元有關(guān)骨骼的研究多為靜態(tài)情況下的局部分析，然而胸外按壓是一個動態(tài)進(jìn)行的過程，由于人體胸廓有限元模型數(shù)據(jù)偏大和有限元分析軟件功能的限制，本實(shí)驗(yàn)?zāi)壳斑€未能在胸廓有限元模型上動態(tài)分析有關(guān)作用力與位移、頻率與胸腔容積

17、改變的關(guān)系，以及利用有限元模型進(jìn)行胸廓固有頻率的計(jì)算，預(yù)計(jì)在不遠(yuǎn)的將來，隨著有限元分析技術(shù)的不斷完善，我們的研究會不斷地完善，此模型也能更好地為臨床服務(wù)。 本研究建立的人體胸廓有限元模型的分析和應(yīng)用，不僅局限在急救復(fù)蘇的研究領(lǐng)域，還可以用于其他人體胸廓生物力學(xué)相關(guān)問題的研究，其應(yīng)用范圍很廣，可重復(fù)性強(qiáng)。此模型的分析可以設(shè)計(jì)為相關(guān)分析軟件作進(jìn)一步的推廣和應(yīng)用，具有一定的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。通過研究胸外按壓時作用力與位移的關(guān)系，為我