發(fā)布時(shí)間：2017-08-28 20:33

  本文關(guān)鍵詞：應(yīng)用于胸外按壓的人體胸廓有限元模型的建立及分析

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【摘要】：一、研究背景和目的1.研究背景全世界每年大約有600萬(wàn)人因猝死而喪生,我國(guó)每年猝死病人約60萬(wàn),其中心臟驟停(cardiac arrest, CA)占到80%左右。目前我國(guó)院外心源性猝死的生存率較低,據(jù)國(guó)內(nèi)不完全統(tǒng)計(jì),院外心臟驟停存活率不到1%,而在國(guó)外即使發(fā)達(dá)國(guó)家院外搶救成功率也僅有2-11%。心肺復(fù)蘇(cardiopulmonary resuscitation, CPR)是恢復(fù)CA的主要搶救手段,其中胸外按壓(chest compressions, CC)則是基礎(chǔ)和關(guān)鍵,它既可以現(xiàn)場(chǎng)最快實(shí)施,而且簡(jiǎn)單、易行、有效。通過(guò)胸外按壓保證了重要器官的血液灌注,使心臟規(guī)律舒縮和泵血功能得到恢復(fù)。((2010年國(guó)際心肺復(fù)蘇及心血管急救指南》更是強(qiáng)調(diào)高質(zhì)量胸外按壓的重要性,其中指出按壓頻率和深度分別大于100次/min和5cm,將胸外按壓從CPR的A-B-C順序變成C-A-B,可見胸外按壓對(duì)提高患者搶救生存率起到非常大的作用。但同時(shí),隨著胸外按壓深度的進(jìn)一步增加,其并發(fā)癥也日益明顯,最常見的是肋軟骨的損傷、肋骨和胸骨骨折。如何提高胸外按壓質(zhì)量,又能避免胸外按壓并發(fā)癥的發(fā)生,將是我們CPR所要研究的一個(gè)重點(diǎn)。這就要求我們深入了解胸外按壓機(jī)制,同時(shí)對(duì)胸外按壓技術(shù)的有效性進(jìn)一步的驗(yàn)證。胸外按壓機(jī)制的研究從心泵機(jī)制學(xué)說(shuō)發(fā)展到胸泵機(jī)制理論,近年來(lái)還有學(xué)者提出腹泵機(jī)制研究構(gòu)想,而我們則探討胸外按壓時(shí)是否存在共振效應(yīng)。另外,對(duì)其CPR有效性的指標(biāo)(按壓深度和頻率)是否符合我國(guó)國(guó)民?是否是最終指標(biāo)?仍需研究探討。既往對(duì)心肺復(fù)蘇胸外按壓的研究方法有對(duì)人體的臨床研究、動(dòng)物的實(shí)驗(yàn)研究和模擬人體模型的研究。但因其受人體醫(yī)學(xué)倫理學(xué)的限制,不同物種間的解剖差異性,制作模型材料的局限性,其研究方法非常有限,得到的研究結(jié)果也缺乏可信度。是否有其他更好的研究方法,為臨床胸外按壓提供有力的依據(jù)和指導(dǎo)意義呢?2.研究目的本研究在影像學(xué)技術(shù)輔助下結(jié)合三維有限元生物力學(xué)分析方法,經(jīng)計(jì)算機(jī)重建正常人體胸廓三維有限元模型,通過(guò)尸體標(biāo)本的生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)胸廓有限元模型進(jìn)行有效性的驗(yàn)證。模擬胸外按壓對(duì)三維有限元模型實(shí)施仿真實(shí)驗(yàn),通過(guò)分析胸外按壓時(shí)不同按壓位置在不同按壓深度力與位移的關(guān)系,應(yīng)力和應(yīng)變的分布情況。了解臨床最佳按壓位置,胸廓最容易損傷的位置和容易引起損傷的按壓位置,為臨床胸外按壓提供有力的依據(jù)和指導(dǎo)意義。二、材料與方法1.選擇成人男性新鮮尸體標(biāo)本一具,實(shí)驗(yàn)前行胸部X線等相關(guān)檢查排除胸廓畸形及骨折等疾病情況。采用德國(guó)西門子雙源CT(型號(hào)：SOMATOM Definition, 2008G)對(duì)尸體標(biāo)本進(jìn)行胸部CT掃描,掃描范圍為完整胸廓：從第1胸椎至第12胸椎(含第12肋骨下緣),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)。掃描分辨率≥512×512×8bit,層厚≤0.4mm,掃描時(shí)長(zhǎng)84.79S,采集人體胸廓二維圖像共1986層,以DICOM格式輸出存貯圖像。2.采用計(jì)算機(jī)(操作系統(tǒng)Windows 7,64 bit,32G內(nèi)存)將采集的CT二維圖像導(dǎo)入Mimics 10.1 (比利時(shí)Materialise公司)三維重建軟件中,設(shè)置骨骼閾值范圍并進(jìn)行分割閾值建立蒙板(mask),利用Mimics 10.1軟件計(jì)算三維實(shí)體(Calculate 3D),將蒙板重建為三維模型,提取肋骨、肋軟骨、胸骨等解剖學(xué)結(jié)構(gòu),生成胸廓幾何模型,利用逆向工程軟件Geomagic Studio 2012(64 bit)(美國(guó)Geomagic公司)對(duì)幾何模型進(jìn)行處理修整和曲面片劃分,再轉(zhuǎn)換為STP格式導(dǎo)入Solid Works 2012 X 64 Edistion(法國(guó)達(dá)索公司)；最終由Solid Works 2012導(dǎo)入到ANSYS(格式為.wbpj)進(jìn)行有限元分析。而后將三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench 14.5(美國(guó)ANSYS公司)軟件中進(jìn)行體網(wǎng)格劃分,輸出文件格式為后綴名.1is；在ANSYS中對(duì)胸廓體網(wǎng)格模型的各單元進(jìn)行材質(zhì)分配,優(yōu)化和智能修復(fù)后形成胸廓三維有限元模型。3.將本次同一新鮮尸體標(biāo)本進(jìn)行解剖,并行胸外按壓生物力學(xué)測(cè)試。分別選擇胸骨第3、4肋間、第4、5肋間和第5、6肋間為胸外按壓加載點(diǎn),采用美國(guó)博士材料實(shí)驗(yàn)機(jī)(BOSE Electro Force)分別進(jìn)行0～300牛頓(N)的靜力加載。每50N逐級(jí)遞增加載,BOSE Electro Force配置計(jì)算機(jī),同步記錄各個(gè)載荷和胸骨位移情況。同法,將已建立的人體胸廓三維有限元模型模擬以上胸外按壓生物力學(xué)測(cè)試,將兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,通過(guò)其趨勢(shì)曲線圖驗(yàn)證該有限元模型的有效性。4.通過(guò)約束邊界和設(shè)置條件(胸廓模型模擬人體位于仰臥位,背后固定,按壓點(diǎn)設(shè)置為胸骨正中上方直徑為5厘米的按壓物體),將重建有效的人體胸廓有限元模型模擬臨床上垂直胸外按壓的方法,在ANSYS Workbench 14.5軟件中分析胸骨第3、4肋間、第4、5肋間和第5、6肋間胸外按壓點(diǎn)按壓深度為3-7厘米時(shí)各需載荷情況,以及按壓時(shí)胸廓各部位的應(yīng)力及應(yīng)變分布情況,持續(xù)加載過(guò)程中造成的肋骨損傷情況。三、結(jié)果1.成功建立包括脊柱、肋骨和胸骨等胸廓結(jié)構(gòu)的人體三維有限元模型,共175015個(gè)節(jié)點(diǎn)、92348個(gè)單元。2.通過(guò)比較同一尸體標(biāo)本和有限元模型各自在胸外按壓時(shí)的生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),得出兩者間趨勢(shì)曲線圖基本一致,我們認(rèn)為本次所構(gòu)建的人體胸廓有限元模型是有效的。3.胸廓有限元模型模擬胸外按壓時(shí)的有限元分析結(jié)果：①胸骨第3、4肋間(A按壓點(diǎn))、第4、5肋間(B按壓點(diǎn))和第5、6肋間(C按壓點(diǎn))三個(gè)不同胸外按壓點(diǎn),隨著位移逐漸增大(3-7厘米)所需加載力、應(yīng)力和應(yīng)變均逐漸增大,相同位移時(shí)三個(gè)按壓點(diǎn)所需加載力、應(yīng)力和應(yīng)變分布情況均為ABC。②各個(gè)按壓點(diǎn)應(yīng)力、應(yīng)變分布均勻。胸外按壓時(shí)應(yīng)變分布情況均發(fā)生在肋軟骨,其中胸骨與肋軟骨交界處明顯,且以第5肋軟骨最為明顯。而應(yīng)力分布情況三個(gè)按壓點(diǎn)均發(fā)生在胸廓肋骨,以背部胸椎與肋骨交界處明顯,其中B和C按壓點(diǎn)以第5后肋與胸椎交界處應(yīng)力最大,而A點(diǎn)則以第一后肋與胸椎交界處應(yīng)力最大。③模擬胸外按壓持續(xù)加載過(guò)程中,三個(gè)按壓點(diǎn)對(duì)胸廓的損傷最早均發(fā)生在第5肋軟骨與胸骨交界處,分別所需的加載力為196N(A點(diǎn)),146N(B點(diǎn)),118N(C點(diǎn)),可見胸骨第5、6肋間按壓點(diǎn)胸外按壓時(shí)最容易引起肋軟骨損傷,甚至骨折。而A和B兩個(gè)按壓點(diǎn),同一位移時(shí)所需加載力AB,由此可推測(cè)最佳胸外按壓點(diǎn)為第4、5肋間,這與臨床實(shí)踐相符合。四、結(jié)論1.本研究在CT影像學(xué)技術(shù)輔助下,經(jīng)計(jì)算機(jī)成功構(gòu)建一具正常成人男性的人體胸廓有限元模型。模型的真實(shí)性與準(zhǔn)確性我們通過(guò)尸體標(biāo)本實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得到了進(jìn)一步證實(shí),說(shuō)明此模型是有效的。2.模擬臨床胸外按壓的方法對(duì)所建立的有限元模型進(jìn)行分析,胸外按壓時(shí)隨著位移的增加,其加載力、應(yīng)力和應(yīng)變分布情況均隨之增大,且不因按壓位置不同而改變。而相同位移時(shí)按壓位置從上至下其加載力、應(yīng)力和應(yīng)變分布情況逐漸變小。從胸外按壓持續(xù)加載實(shí)驗(yàn)來(lái)看,不同按壓位置按壓時(shí)引起胸廓最容易損傷甚至骨折位置均發(fā)生在第5肋軟骨與胸骨交界處,此處胸骨第5、6肋間按壓點(diǎn)最容易引起損傷,故生物力學(xué)角度來(lái)說(shuō),胸骨第4、5肋問(wèn)為最佳按壓位置。從應(yīng)力和應(yīng)變分布來(lái)看,胸外按壓時(shí)兩者分布均勻,不同按壓點(diǎn)應(yīng)變均位于肋軟骨,且都在第5肋軟骨與胸骨交界處最大,這也間接說(shuō)明肋軟骨損傷位置可能與應(yīng)變有關(guān)。胸骨第4、5肋間和第5、6肋間按壓點(diǎn)以第5后肋應(yīng)力最大；而第3、4肋間按壓點(diǎn)則以第1后肋應(yīng)力最大,此處偏離心臟擠壓位置,對(duì)心臟直接作用不及前兩者,故胸骨第4、5肋間為理想的按壓位置。3.本研究的不足點(diǎn)：因人體胸部骨性結(jié)構(gòu)復(fù)雜、模型數(shù)據(jù)處理量龐大、耗時(shí)長(zhǎng)等因素,本次人體胸廓三維有限元模型的構(gòu)建只是胸廓骨性結(jié)構(gòu),未能建立包括軟組織、內(nèi)臟在內(nèi)的完整胸部有限元模型,同時(shí)由于缺乏內(nèi)臟組織,也導(dǎo)致本次實(shí)驗(yàn)未能探討胸外按壓是否存在共振效應(yīng)。為了方便模型的有限元分析,本實(shí)驗(yàn)在胸廓模型材料屬性的賦值上仍過(guò)于簡(jiǎn)單,客觀上可能導(dǎo)致分析結(jié)果存在一定的差異性。這也是有限元模型普遍存在的不足之處。再者本次建模數(shù)量單一,未能進(jìn)行相關(guān)對(duì)照性研究。因此,構(gòu)建人體胸廓三維有限元模型需提供比較精準(zhǔn)的胸部組織結(jié)構(gòu)信息,為人體胸廓胸外按壓提供生物力學(xué)依據(jù)。
【關(guān)鍵詞】：胸外按壓 心肺復(fù)蘇 人體胸廓 三維有限元模型 生物力學(xué)
【學(xué)位授予單位】：南方醫(yī)科大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：R541.78;R459.7
【目錄】：

• 摘要3-8
• ABSTRACT8-15
• 前言15-18
• 第一章 人體胸廓有限元模型的建立18-29
• 1.1 胸廓的解剖學(xué)基礎(chǔ)19-21
• 1.2 材料與方法21-24
• 1.3 結(jié)果24-25
• 1.4 討論25-29
• 第二章 人體胸廓有限元模型的有效性檢驗(yàn)29-40
• 2.1 材料與方法29-32
• 2.2 結(jié)果32-36
• 2.3 討論36-40
• 第三章 人體胸廓胸外按壓的有限元分析40-51
• 3.1 材料與方法40-41
• 3.2 結(jié)果41-48
• 3.3 討論48-51
• 全文總結(jié)51-53
• 參考文獻(xiàn)53-56
• 綜述56-64
• 參考文獻(xiàn)60-64
• 英文縮略詞對(duì)照表64-65
• 攻讀學(xué)位期間成果65-66
• 致謝66-67

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：749336