健康青年男性和女性盆底肌群的MRI三维重建与有限元分析.pdf
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1、 文章编号:0 4 2 7-7 1 0 4(2 0 2 3)0 3-0 3 7 0-1 1收稿日期:2 0 2 3-0 2-2 2基金项目:浦东新区卫生健康委员会联合攻关项目(PW 2 0 2 0 D-2);青峰科研资助项目(C C C F-Q F-2 0 2 2 B 1 8-1 0);上海市市级医院临床科技创新项目(S HD C 2 2 0 2 1 3 1 6-A);上海市临床重点专科建设项目(S H S L C Z D Z K 0 4 3 0 1)作者简介:马旭涛(1 9 9 7),男,硕士研究生;王 琛,女,主任医师,通信作者,E-m a i l:w a n g c h e n_l o
2、n g h u a 1 6 3.c o m健康青年男性和女性盆底肌群的MR I三维重建与有限元分析马旭涛1,华 诚2,卢鸣飞3,周宇翔1,徐思敏1,付滢锌1,刘 洋1,王 琛1(1.上海中医药大学附属龙华医院 肛肠科,上海 2 0 0 0 3 2;2.复旦大学 航空航天系,上海 2 0 0 4 3 3;3.摩弩信息科技(上海)有限公司,上海 2 0 0 9 4 3)摘 要:研究磁共振成像(MR I)对健康男性和女性盆底组织结构三维重建的方法及意义。选取健康青年男性及女性各1人,进行MR I扫描,观察盆底部分组织结构,应用医学图像处理软件I T K-S NA P进行三维重建,建立盆底肌群的三维几
3、何模型,并实现任意角度观察和精确定位测量分析。在此基础上,应用有限元程序AN S Y S w o r k b e n c h,建立计算模型,并对计算结果进行拟合分析,得到耻骨直肠肌收缩力与肛直角角度变化的相关性,研究结果可为今后开展盆底相关疾病的研究提供参考依据。关键词:肛直角;耻骨直肠肌收缩力;MR I三维重建;有限元方法中图分类号:R 6 5 7.1 文献标志码:A人体盆底是一个由肌肉和结缔组织组成的复杂结构,解剖学上认为男性与女性盆底具有结构差异,女性盆底由膀胱和尿道为主的前腔室、子宫和阴道为主的中腔室、直肠和肛门为主的后腔室构成;男性缺少了中腔室的子宫和阴道,且增加了前列腺的结构,但都
4、具有支持固定盆腔器官、控制排尿及排便的功能1。由于女性的生理特性,妊娠过程中不可避免地受到胎儿的外力作用使盆底肌肉及组织损伤,绝经后雌激素和孕激素水平的降低使软组织失去原有的胶原蛋白等因素2,因此女性盆底疾病的发病率明显高于男性。目前已发表的关于盆底磁共振成像(M a g n e t i c R e s o n a n c e I m a g i n,MR I)的文献大多都是针对女性盆底特征的研究,而男性盆底在解剖结构和生理病理方面都与女性盆底存在着性别差异。全面地了解不同性别间的差异有助于指导临床工作与研究,因此本研究拟将MR I采集的健康青年男性和女性的盆底MR I影像资料进行三维重建,通
5、过三维结构进行对比,分析两者间的区别。同时,盆底结构中肛直角是影响排便的主要因素之一。肛直角的大小主要由体位、肛管静息压和盆底肌中耻骨直肠肌的收缩所构成。项目组前期研究已证实肛管压力和体位对肛直角角度改变的作用3-4,但通过影像学和肛肠动力学尚无法对耻骨直肠肌进行收缩力的定量分析,因此本研究拟将在三维重建基础上结合有限元分析方法,对计算结果进行数值拟合,获得耻骨直肠肌收缩力的估算公式,并寻找在不同体位,肛直角与耻骨直肠肌收缩力的对应关系,从而为今后研究肛直角与排便障碍相关疾病提供诊治思路。1 资料与方法1.1 一般资料招募健康男性和女性志愿者各1人,于2 0 2 0年在上海中医药大学附属龙华医
6、院进行MR I检查。男性志愿者年龄2 3岁,身高1 8 3 c m,体重7 0k g,体重指数(B o d y M a s s I n d e x,BM I)为2 0.9;女性志愿者年龄2 4岁,身高1 6 8 c m,体重6 0k g,BM I为2 1.3。检查前均签署知情同意书。1.2 盆底MR I数据采集采用S i e m e n s AVANTO 1.5T磁共振扫描仪对研究对象进行仰卧位扫描。志愿者检查前未予特殊处理,扫描时取仰卧位,双手置于上腹,双腿并拢伸直。扫描序列为轴位、矢状位和冠状位,扫描的具体参第6 2卷 第3期2 0 2 3年6月复 旦 学 报(自然科学版)J o u r
7、n a l o f F u d a n U n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c e)V o l.6 2 N o.3J u n.2 0 2 3数为T S E T 2W I(T R/T E:4 0 0 0m s/8 8m s;层厚:3mm),扫描后每位志愿者获得3个序列约9 0张图像,并以D I C OM格式存储,如图1、图2所示。图1 男性MR I显示盆底部分结构的解剖F i g.1 A n a t o m y o f m a l e p e l v i c f l o o r o n MR IA:坐骨直肠窝;B:闭孔内肌;C:肛门括约肌复合体
8、;D:肛提肌。图2 女性MR I显示盆底部分结构的解剖F i g.2 A n a t o m y o f f e m a l e p e l v i c f l o o r o n MR IA:坐骨直肠窝;B:闭孔内肌;C:肛门括约肌复合体;D:肛提肌。173 第3期马旭涛等:健康青年男性和女性盆底肌群的MR I三维重建与有限元分析1.3 盆底结构的三维重建将轴位、矢状位和冠状位扫描获得的D I C OM格式图像导入开源三维重建软件I T K-S NA P 3.8中,在软件对图像自动定位后,以轴位为主要处理窗口,用矢状位、冠状位窗口帮助对部分组织结构定位。在闭孔内肌、坐骨直肠窝、耻骨等与周围组
9、织对比度差异较大的结构中采用经典的阈值分割法(T h r e s h o l d s e g m e n t a t i o n m e t h o d)对图像进行半自动的分割(T h r e s h o l d i n g),对肛提肌、括约肌复合体等与周围组织对比度小、区分困难的结构采用手动勾勒法(M a n u a l s k e t c h i n g m e t h o d)进行分割(P a i n t b r u s h)。分割完成后在 重 建 窗 口 完 成 三 维 重 建(U p d a t e),获 得 基 础 的 三 维 重 建 模 型,再 对 模 型 进 行 光 滑 处 理
10、(S m o o t h i n g),提高模型的立体感。1.4 有限元方法的计算分析本研究对男性和女性的相关盆底组织结构进行了三维建模。基于有限元方法,在A N S Y S w o r k b e n c h平台上对模型进行材料属性定义、网格划分和施加约束条件等工作,建立了有限元计算模型。图3(a),图3(b)所示分别为男性、女性肛提肌组织与括约肌复合体组织的模型。其中,蓝色部分为肛提肌组织,棕色部分为括约肌复合体组织。通过两个不同的视角(冠状位与矢状位)可以清楚地显示两部分组织的相对位置情况。图3 男性和女性的肛提肌与括约肌复合体模型F i g.3 T h e m o d e l s o
11、f l e v a t o r a n i m u s c l e a n d a n a l s p h i n c t e r c o m p l e x i n m a l e a n d f e m a l e在对上述两个三维模型进行网格划分的工作中,本研究参考了相关研究的有限元网格情况,选取网格边长不大于3mm,进行四面体网格划分,网格细节如图4所示(以男性模型为例)5-7。得到的男性模型的单元总数为1 6 0 2 7 2、节点总数为2 7 7 0 7 5,得到的女性模型的单元总数为1 2 3 3 6 0、节点总数为2 1 2 2 2 1。图4 网格细节及J o i n t连接示意图
12、(男性模型)F i g.4 M e s h d e t a i l a n d s c h e m a t i c d i a g r a m o f J o i n t c o n n e c t i o n(M a l e m o d e l)273复 旦 学 报(自然科学版)第6 2卷对耻骨直肠肌(即存在相互之间力传递的部分)应用有限元方法中的J o i n t连接单元进行建模,合理地设置耻骨直肠肌与肛管的传力路径,具体部位可参见图4中的黄色小圆点(在圆点处,选择肛提肌模型的5个节点与括约肌模型的5个节点,建立刚性连接,约束X,Y,Z 3个方向自由度)。同时,在括约肌的上下两端进行位移约
13、束,固定其X,Y,Z 3个方向自由度。表1 材料属性T a b.1 M a t e r i a l p r o p e r t i e s组织杨氏模量/MP a泊松比密度/(k g/m3)肛提肌0.2 4 180.4 9811 2 01 0括约肌0.3 290.4 51 011 2 01 0此外,由于重建对象肌肉组织的结构复杂,根据肌肉的生物力学特性将材料属性适当简化,在设置模型中的材料属性时检索了先前研究中已有的材料数据,对检索文献获得的肌肉组织的具体参数进行归纳整理,获得了本研究中研究对象的材料属性,具体见表1。依据盆底组织解剖学结构和临床排便障碍疾病的特征,我们主要研究耻骨直肠肌与肛直角
14、变化的关系,通过构建有限元模型的边界约束和加载,建立了盆底结构的有限元计算模型。在本研究中,针对不同体位,施加适当的力条件用于模拟肛直角和耻骨直肠肌收缩力,实施有限元计算和分析。基于有限元方法的数值模拟,通过计算分析肛直角的变化情况,归纳出肛直角在不同体位下随耻骨直肠肌收缩的变化规律。2 结 果2.1 盆底肌群与周围组织的三维重建结构通过三维图像处理获得正常青年男性和女性盆底部分组织结构的三维模型,该模型可在任意角度进行观察,可自由选择观察对象,可对观察对象进行精确定位(图5、图6,见第3 7 4页)。该模型展示了盆底组织结构的空间关系及相邻肌群的融合穿插关系,并对二维MR I图像上区分困难的
15、耻骨直肠肌和肛门外括约肌连接部分进行了划分。在三维模型中发现:肛提肌整体呈现出腹部较薄,背侧增厚的结构特征(图7,见第3 7 4页)。两侧坐骨直肠窝顶端内侧为髂尾肌,外侧为闭孔内肌,髂尾肌在轴位并非完全左右对称,而是不规则地穿插在坐骨直肠窝之间(图8,见第3 7 4页)。肛尾韧带与肛门外括约肌外侧相连接;坐骨直肠窝从耻骨直肠肌后方穿过,使耻骨直肠肌部分与肛尾韧带没有连接关系,此部分在现有的研究中被认为是肛门后深间隙。在矢状位上观察到肛门外括约肌背侧深部有明显变薄的趋势(图9,见第3 7 4页),以此对两者的结构关系进行鉴别。在括约肌复合体的下部,肌束并非呈环形围绕肛管,而是分布在肛管左右两侧。
16、坐骨直肠窝这一结构以MR I三维重建的形式在研究中呈现出来(图1 0,见第3 7 5页)。图5 男性肛周MR I三维重建的盆底部分结构模型F i g.5 P a r t i a l p e l v i c f l o o r s t r u c t u r e m o d e l o f m a l e p e r i a n a l MR I 3-d i m e n s i o n a l r e c o n s t r u c t i o n373 第3期马旭涛等:健康青年男性和女性盆底肌群的MR I三维重建与有限元分析图6 女性肛周MR I三维重建的盆底部分结构模型F i g.6 P a
17、 r t i a l p e l v i c f l o o r s t r u c t u r e m o d e l o f f e m a l e p e r i a n a l MR I 3-d i m e n s i o n a l r e c o n s t r u c t i o n图7 肛提肌MR I三维重建模型F i g.7 MR I 3-d i m e n s i o n a l r e c o n s t r u c t i o n m o d e l o f l e v a t o r a n i m u s c l e 图8 轴位髂尾肌MR I图像F i g.8 MR
18、 I i m a g e o f i l i o c o c c y g e u s m u s c l e i n a x i a l s e c t i o nA:坐骨直肠窝;B:闭孔内肌;E:髂骨尾骨肌。图9 正中矢状位MR I图像F i g.9 M i d-s a g i t t a l MR I i m a g e(a)虚线为耻骨直肠肌和肛门外括约肌的穿插处,上方以耻骨直肠肌为主,下方以肛门外括约肌为主。(b)棕色:外括约肌;深蓝色:肛提肌;淡蓝色:肛尾韧带。473复 旦 学 报(自然科学版)第6 2卷图1 0 坐骨直肠窝的三维模型F i g.1 0 3-d i m e n s i
19、o n a l m o d e l s o f i s c h i o a n a l s p a c e红色:坐骨直肠窝;淡蓝色:肛尾韧带。2.2 男、女性括约肌复合体差异通过三维模型测量获得男性肛门括约肌复合体体积为1 9.3 1c m3,女性的为1 8.3 3c m3,男性括约肌复合体体积比女性大。由于男性与女性会阴体结构的不同,男性的肛门括约肌复合体腹侧更宽,而女性的更厚,也是由于会阴体的存在,两者在腹中线水平都有部分的缺失,女性括约肌复合体的上部与男性相比较厚,这种特征也体现在了重建后的三维模型中(图1 1)1 1。图1 1 男性和女性括约肌复合体三维模型F i g.1 1 3-d
20、i m e n s i o n a l m o d e l s o f m a l e a n d f e m a l e a n a l s p h i n c t e r c o m p l e x2.3 盆底结构有限元分析2.3.1 受力作用肛直角对于排便和自制都起到决定性作用,但影响肛直角形态学改变的因素很多且机理复杂,肛直角形态主要受到体位、肛管静息压和耻骨直肠肌收缩的影响。在本文的计算模型中,向肛管内壁施加一个向外的压强Pr,表示为肛管静息压。在耻骨直肠肌处施加作用力Fm,表示为耻骨直肠肌的收缩力。将肛直角用表示(图1 2)。图1 2 肛管静息压、耻骨直肠肌收缩力及肛直角示意图F
21、i g.1 2 D i a g r a m o f a n a l r e s t i n g p r e s s u r e,c o n t r a c t i v e f o r c e o f p u b o r e c t a l i s m u s c l e a n d a n o r e c t a l a n g l e573 第3期马旭涛等:健康青年男性和女性盆底肌群的MR I三维重建与有限元分析2.3.2 肛直角的变化在男性和女性的肛直角计算模型中,通过调整不同的肛管静息压来表示不同的姿态,通过调整不同的耻骨直肠肌收缩力来计算得到变形后的三维模型,并截取肛直角平面,测量得到
22、肛直角的大小,最后对结果进行归纳和整理。图1 3所示为坐位姿态下,收缩力从1N增加到3N,肛管在Y方向的变形情况,并测量得到相应的肛直角。其中,图1 3(a)表示男性模型的计算结果,图1 3(b)表示女性模型的计算结果。图1 3 不同性别的坐姿模型计算结果(从左到右,对应收缩力为1,2和3N)F i g.1 3 C a l c u l a t i o n r e s u l t s o f s i t t i n g p o s i t i o n m o d e l s f o r d i f f e r e n t g e n d e r s(F r o m l e f t t o r i
23、 g h t,t h e c o r r e s p o n d i n g c o n t r a c t i v e f o r c e s a r e 1,2 a n d 3N)2.3.3 肛直角与耻骨直肠肌收缩力的关系2.3.3.1 坐姿在体位为坐位的姿态下,肛管静息压Pr=6 8.4 7mmH g3(9.1 0 65 1k P a)。通过输入不同的耻骨直肠肌收缩力Fm,测量得到肛直角。得到的结果如图1 4和表2所示。图1 4 肛直角与耻骨直肠肌收缩力的关系(坐姿)F i g.1 4 T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e a
24、 n o r e c t a l a n g l e a n d c o n t r a c t i v e f o r c e o f p u b o r e c t a l i s m u s c l e(S i t t i n g p o s i t i o n)表2 肛直角与耻骨直肠肌收缩力的关系(坐姿)T a b.2 T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e a n o r e c t a l a n g l e a n d c o n t r a c t i v ef o r c e o f p u b o r e c t
25、a l i s m u s c l e(s i t t i n g p o s i t i o n)Fm/N/()男性女性11 5 1.21 4 5.921 4 9.21 4 3.431 4 7.31 3 9.741 4 5.51 3 7.851 4 3.31 3 4.361 4 1.41 3 1.371 3 9.01 2 9.281 3 6.61 2 6.191 3 4.41 2 3.61 01 3 2.31 2 0.51 51 2 0.51 0 8.12 01 1 2.09 4.7673复 旦 学 报(自然科学版)第6 2卷基于本研究的有限元模型,对计算结果进行数值拟合,得到耻骨直肠肌收缩
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