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
摘 要：
研究磁共振成像(MRI)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MRI扫描，观察盆底部分组织结构，应用医学图像处理软件ITK-SNAP进行三维重建，建立盆底肌群的三维几何模型，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ANSYS workbench,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;MRI三维重建;有限元方法;
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，但都具有支持固定盆腔器官、控制排尿及排便的功能。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,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(Magnetic Resonance Imagin, MRI)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MRI采集的健康青年男性和女性的盆底MRI影像资料进行三维重建，通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,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2020年在上海中医药大学附属龙华医院进行MRI检查。男性志愿者年龄23岁，身高183 cm, 体重70 kg, 体重指数(Body Mass Index, BMI)为20.9;女性志愿者年龄24岁，身高168 cm, 体重60 kg, BMI为21.3。检查前均签署知情同意书。
1.2 盆底MRI数据采集
采用Siemens AVANTO 1.5 T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，扫描的具体参数为TSE T2WI(TR/TE: 4 000 ms/88 ms; 层厚： 3 mm),扫描后每位志愿者获得3个序列约90张图像，并以DICOM格式存储，如图1、图2所示。
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DICOM格式图像导入开源三维重建软件ITK-SNAP 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、耻骨等与周围组织对比度差异较大的结构中采用经典的阈值分割法(Threshold segmentation method)对图像进行半自动的分割(Thresholding),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(Manual sketching method)进行分割(Paintbrush)。分割完成后在重建窗口完成三维重建(Update),获得基础的三维重建模型，再对模型进行光滑处理(Smoothing),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ANSYS workbench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。
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3 mm, 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) 。得到的男性模型的单元总数为160 272、节点总数为277 075,得到的女性模型的单元总数为123 360、节点总数为212 221。
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Joint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束，固定其X,Y,Z 3个方向自由度。
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374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MRI图像上区分困难的耻骨直肠肌和肛 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374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374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374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。坐骨直肠窝这一结构以MRI三维重建的形式在研究中呈现出来(图10,见第375页)。
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19.31 cm3,女性的为18.33 cm3,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11)。
2.3 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θ表示(图12)。
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，测量得到肛直角的大小，最后对结果进行归纳和整理。
图13所示为坐位姿态下，收缩力从1 N增加到3 N,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13(a)表示男性模型的计算结果，图13(b)表示女性模型的计算结果。
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=68.47 mmHg(≈9.106 51 kPa)。通过输入不同的耻骨直肠肌收缩力Fm,测量得到肛直角θ。得到的结果如图14和表2所示。
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力的估算公式：
(男性) Fm=-0.371 4×θ+54.991,
(女性) Fm=-0.470 3×θ+72.267。
将θ=113°代入到上述公式中。计算得到耻骨直肠肌收缩力，男性的为13.02 N,女性的为19.12 N。
2.3.3.2 蹲姿
在体 位为蹲位的姿态下，肛管静息压Pr=88.61 mmHg(≈11.785 13 kPa)。通过输入不同的耻骨直肠肌收缩力Fm,测量得到肛直角θ。得到的结果如图15和表3所示。
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力的估算公式：
(男性) Fm=-0.382 8×θ+56.311,
(女性) Fm=-0.556 9×θ+83.745。
将θ=134°代入到上述公式中。计算得到耻骨直肠肌收缩力，男性的为5.02 N,女性的为9.12 N。
2.3.4 结果拟合及其分析
由于现有的技术手段难以在活体的生理状态下进行耻骨直肠肌收缩的力学状态定量观察，通过有限元分析结合影像学及肛肠动力学检查数据进行拟合，获得了不同体 位下可以有效评估耻骨直肠肌收缩力的简洁且实用的方法。表4是整理后的结果。
3 讨 论
3.1 盆底主要结构研究的方法与意义
对于人体盆底结构的测量方法主要有X-ray、超声波、CT及MRI。X-ray多用于排粪造影、骨盆骨折等检查，这项技术可以采取不同体 位进行观察，但受到检查方法的限制，不能够观察盆底内各组织结构的特征；各种经腹、经阴 道、经肛 门超声可以简便地评估大小便失禁、肛瘘肛周脓肿等盆底疾病，但此技术对操作人员的技术要求较高，且多局限于轴向平面的检查，对于盆底深部区域的结构难以准确辨识；CT对于软组织的辨识度较差，且具有电离辐射；MRI由于其极强的软组织辨识度，是目前评估观察盆底复杂结构的首选成像方法，通过多个序列和多种方式的图像采集，可以满足临床中不同的需求。本研究受限于设备及环境限制，采用闭合式腔外体线圈MRI采集图像，与开放式的MRI采集对比，闭合式MRI不能够使研究对象采用截石位的姿势接受检查，这在健康志愿者中意义不大，但对于需要以截石位姿势接受手术治疗的患者来说不同的扫描体 位会使组织结构产生一定程度的改变，影响术中的精确定位；腔外体线圈MRI虽然因为其非侵入性使研究对象减少了肛 门部的不适感，但与腔内体线圈相比缺少了对肛 门内、外括约肌极强的分辨能力。
肛 门外括约肌与耻骨直肠肌的结构关系在现有的文献和研究中仍存在较多争议。目前有文献中的观点认为耻骨直肠肌与肛 门外括约肌的背侧相连续，而两者之间的区分点是肛尾韧带，耻骨直肠肌的背侧没有骨骼附着，但肛 门外括约肌深部通过肛尾韧带附着在尾骨上，而也有研究认为两者都与肛尾韧带相连。近年来，通过对标本切面的免疫组化和组织学染色能够较清晰地体现两部分肌肉间的结构关系，然而在活体上仍缺少合适的观察方式来体现两者穿插处的关系。本研究从MRI图像矢状位T2WI加权观察到志愿者中肛 门外括约肌部分在正中矢状位附近通过肛尾韧带与尾骨相连续，而耻骨直肠肌没有与肛尾韧带附着，但肛 门外括约肌深部与耻骨直肠肌融合穿插的部分在轴位未见到明显清晰的分界。本研究认为在正中矢状位上通过肛 门括约肌背侧部分的延续来追溯肛尾韧带对识别肛 门外括约肌有所帮助，但在与肛尾韧带相连接的肛 门外括约肌水平以上，仍有部分独立的肛 门外括约肌存在，所以并不能以肛尾韧带作为耻骨直肠肌和肛 门外括约肌的区分标志。在先前的研究中，Kobi等认为轴位T2加权图像最适合观察耻骨直肠肌，这在耻骨直肠肌的上部是可行的，而在耻骨直肠肌的下部，即与肛 门外括约肌深部穿插处，轴位图像并不能很清晰地解释两者之间的结构关系。本研究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，可以较清晰地体现两者的结构关系。在耻骨直肠肌与肛 门外括约肌融合的腹侧部分，耻骨直肠肌可以通过在轴位追溯耻骨联合与其连接处来与肛 门外括约肌区分。在以往的文献中虽然有关于这两部分的三维重建，但并没有关注这两部分的穿插关系，本研究通过三维重建的方式立体地展示了这一结构特征，可以作为今后深入研究该部分的参考。虽然准确地区分这两部分仍有争议，但这项研究仍然是有必要的，因为两者由于肌肉纤维束收缩方向的不同在肛 门自制中起到了不同的作用，而在手术中正确地认识这些解剖平面和该平面可能出现的间隙有助于外科医生更好地保护患者肛 门的功能。
盆底结构中坐骨直肠窝是肛周最大的间隙，由脂肪等结缔组织构成，呈金字塔状，顶端沿肛提肌下方插入闭孔筋膜，内侧为肛提肌和肛 门外括约肌，外侧为闭孔内肌，后侧为臀大肌，底部为肛周皮肤。在以往的研究中，由于肌肉和韧带对盆底有着重要的支持作用，MRI的三维重建集中关注于肌肉与韧带的研究，缺少对坐骨直肠窝的关注。在三维模型中观察到肛尾韧带插入坐骨直肠窝，其上方为肛管后深间隙，下方为肛管后浅间隙，通过该方式更清晰地认识坐骨直肠窝的特征有助于在肛周脓肿、肛瘘等疾病的诊治中清除病灶。
3.2 三维重建和有限元分析的方法和意义
由于盆底磁共振图像的限制，对于临床非影像学医师来说，对二维图像的识别难度较大，而通过三维重建和有限元分析，可有助于提升临床诊断和治疗效果。在已有的研究中，通过排粪造影、B超、肛 门直肠测压等方法获得了不同体 位对肛直角形态的影响，而肛提肌的收缩是改变肛直角形态最重要的影响因素，但在临床上仍缺少合适的方法测量耻骨直肠肌对肛管的收缩力。本研究以仰卧位的三维重建模型为基础，与坐姿和蹲姿状态下的肛管静息压和肛直角进行拟合，得到了不同状态下的拟合公式和耻骨直肠肌收缩力。在蹲姿状态下，较小的耻骨直肠肌收缩力形成了更大的肛直角，说明了蹲姿相比坐姿能够更加轻松地打开肛直角，更有利于粪便的排泄，该结论也符合排便的生理学特性。由于男性、女性初始模型解剖学客观存在的差异，导致后续有限元分析呈现出两者计算结果和估算公式的不同。与男性计算模型相比，女性计算模型的括约肌复合体上部较厚，所以在施加同等耻骨直肠肌收缩力的情况下肛直角的变化较小，使男性、女性的肛直角与耻骨直肠肌收缩力关系有所不同。本研究为不同状态下肛直角形变时的受力情况研究提供了方法和思路，但该研究的数据准确性需要进一步的实验论证。
有限元分析可为临床上由于条件限制无法模拟的情况提供数据分析。肛直角的变化受到体 位、肛管静息压和耻骨直肠肌收缩影响，相关数据可通过影像学和肛肠动力学获得，但是无法获得耻骨直肠肌收缩力的精确压力值。因此，在已有肛管静息压和肛直角数据的基础上，以盆底MRI影像数据为源数据，尝试三维重建，构建盆底有限元模型，对模型设置相应边界条件，赋予盆底组织的材料属性，实施有限元计算，分析盆底结构的变形和受力情况。通过有限元建模拟合计算得到了耻骨直肠肌收缩力的估算公式，并可实现不同体 位变化的分析，为生理状态下难以进行的耻骨直肠肌收缩的力学状态定量观察提供了有效方法。
3.3 本研究的不足
本研究的不足之处有以下几点： 1) 健康青年志愿者样本较少，需要更大的样本量来支持正常人体盆底组织结构特征的研究；2) 研究采用了1.5 T核磁共振成像，相较于3.0 T核磁共振成像分辨率和信噪比较低，对于精细结构的识别有待提高；3) 本研究主要集中于盆底后腔室的结构和肌肉组织，对前、中腔室的部分结构进行了简化，虽然前、中腔室的组织结构对于盆底肌群有重要意义，但前、中腔室涉及的肌肉组织对本研究所涉及的部分来说过于宽泛，所以对于球海绵体肌、坐骨海绵体肌、会阴横肌、会阴体等的重建不在本研究范围之内；4) 三维建模中光滑处理后的模型在外观上虽然更加自然，但是由于盆底组织结构的特点，肌肉的穿插、融合是客观存在的，所以三维重建后模型在部分区域是不规则的，过度光滑会使图像模型失去真实信息，而光滑处理的方法仍缺少统一的标准。
本研究以健康青年为研究对象，基于MRI盆底的三维重建和有限元分析初步获得盆底部分肌群的特征，并获得了耻骨直肠肌收缩力与肛直角变化的量化关系，为临床开展盆底疾病与排便障碍性疾病提供了可靠依据。随着MRI成像技术的进步、解剖学理论的支持、自动分割协议的进展，今后将有更多基于MRI盆底的三维重建和有限元分析方法运用于临床疾病的诊断和治疗。
参考文献：[1]马旭涛,华诚,卢鸣飞等.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[J].复旦学报(自然科学版),2023,62(03):370-380.DOI:10.15943/j.cnki.fdxb-jns.20230601.002.
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