瘢痕子宫破裂影响因素的有限元分析

摘    要

目的:以往对瘢痕子宫能否经阴分娩的研究主要是通过超声评估.本研究应用有限元法分析瘢痕厚度、瘢痕长度和材料特性对瘢痕子宫受力的影响,探讨瘢痕子宫经阴分娩时的破裂预警.方法:应用SOLIDWORKS建立足月瘢痕子宫的三维模型,对该模型进行ANSYS仿真分析并验证.结果:在宫缩过程中,厚度越小瘢痕处应力越大越易破裂;以3 mm作为子宫前壁厚度的边界值,若测量厚度大于界值可以考虑经阴分娩,反之易发生子宫破裂应选择剖宫产;在施加同一内压下,瘢痕越长,瘢痕所受应力越大,子宫越易破裂;杨氏模量太小或者太大,都导致瘢痕所受应力增大.结论:经敏感性分析得出瘢痕厚度对子宫破裂影响最大,瘢痕长度和材料特性影响较小.基于ANSYS仿真分析以一种新的角度研究了瘢痕子宫破裂的影响因素,为瘢痕子宫能否选择经阴分娩提供客观分析方法和临床指导.

关键词：瘢痕子宫破裂预警;瘢痕厚度;瘢痕长度;杨氏模量;有限元分析;

吴景平等[1]对186例瘢痕子宫妊娠后的分娩方式分析研究,发现瘢痕子宫再次妊娠的阴 道分娩和再次剖宫产手术比较,阴 道分娩对患者及胎儿伤害小、并发症少,在瘢痕子宫妊娠产妇符合适应证的前提下,应鼓励首选阴 道分娩.对子宫下段瘢痕组织的结构和抗拉强度等力学特征研究发现瘢痕的力学特征与剖宫产术后的年限无关,多数能够承受子宫内压[2,3,4,5].Naji等[6]研究表明子宫前壁下段厚度越小,子宫越容易发生破裂.乐杰等[7]认为子宫切口缺陷深度与残余肌层厚度的比值是预测再次妊娠时子宫瘢痕裂开的良好指标.瘢痕子宫再次妊娠在条件具备的情况下完全可以顺产.顺产有利于胎儿出生后建立呼吸系统且并发症较少.面对顺产的诸多优势,越来越多的孕妇选择顺产的意愿不断提升,然而并不是所有的瘢痕子宫都适合经阴分娩,存在子宫破裂的风险.通过超声监测子宫下段瘢痕处的形态与厚度,对于子宫下段有切口缺陷或过薄者,及时选择剖宫产有助于避免子宫破裂.但子宫是否发生破裂,与子宫下段瘢痕组织结构与抗拉强度等力学特征的关系更加紧密.目前这方面的研究较少,有限元分析的研究完善了瘢痕子宫再次妊娠子宫破裂研究的理论和方法,对进一步提高有限元分析在医学领域的应用水平具有重要的理论意义和应用价值,可以为临床诊治处理提供指导.

1 材料与方法

1.1 子宫结构与瘢痕生理特点

子宫为一壁厚、腔小、以肌肉为主的肌性器官,位于腹腔,孕期为胎儿发育、成长的部位,分娩时子宫收缩使胎儿及其附属物娩出.子宫在非孕时几何尺寸大约为70 mm×40 mm×20 mm,妊娠足月时增大至350 mm×250 mm×220 mm.子宫破裂是指子宫肌层组织分离或缺陷,羊膜腔内容物或胎儿部分进入腹腔,多发生在子宫下段,常伴有失血或急腹症,病发率低但母婴死亡率高.瘢痕在病理学中被定义为肉芽组织经重塑成熟后构成的一种纤维结缔组织.瘢痕愈合分为3种类型.第1类为瘢痕愈合良好:表现为子宫前壁下段均质强回声.第2类为瘢痕愈合欠佳:表现为子宫前壁下段不均质混合回声,形态不规则.第3类瘢痕愈合不良:瘢痕处可见肌层回声部分中断,切口裂开[8,9,10,11].

1.2 子宫三维几何模型的建立

孕妇子宫形状复杂,由于重点研究子宫下段瘢痕处在经阴分娩时的受力情况,为了方便建模且又能够比较准确地表示子宫内部结构,故在建立子宫模型前对子宫结构进行了适当的简化:

胎儿形状复杂,胎儿与羊水对子宫的影响可以用胎心监护仪获得,故省略胎儿的建模.

子宫颈用一带孔圆柱体表示.

子宫由各种韧带固定在腹腔中,这里省略韧带的建模,而在ANSYS分析中添加更合适的约束得以替代韧带的作用.

本研究参考文献[12,13]的建模方法建立了如图1足月子宫模型.具体尺寸参数如下.

子宫总体尺寸:350 mm×250 mm×220 mm;

瘢痕尺寸:100 mm×40 mm×(2~6)mm(厚度可调);

子宫上体厚度:6 mm;

子宫下 体厚度:2~6 mm(厚度可调);

子宫颈长度:30 mm.

1.3 子宫三维有限元模型的建立

(1)孕妇子宫的材料特性在已有的研究资料中显示子宫和瘢痕属于各向异性的黏弹性材料[14],由于这种材料无法用合适的数据来定义,故本研究建立的子宫模型全部采用线弹性实体.孕妇子宫模型的材料特性见表1.

子宫壁材料定义:Wood等[15]通过进行人体子宫组织的张力测试,得其杨氏模量的范围为:20.3~1 379 k Pa,平均值为566 k Pa.子宫为肌性组织,其泊松比设置为0.4,密度为1 052 kg/m3[16].

瘢痕材料定义:与子宫壁相比,瘢痕处平滑肌细胞较少,材料特性较差,杨氏模量取1 379 k Pa,其泊松比设置为0.4,密度用肌肉密度代替:1 060kg/m3.由Manoogian等[17]使用单轴和双轴测试方法研究了子宫组织的力学性质.在怀孕的猪组织上使用双轴测试方法,Manoogian等发现子宫组织的真实应力峰值为(500±219)k Pa,则瘢痕的抗拉强度取子宫的平均值500 k Pa.

(2)边界条件和载荷的设置子宫有限元模型采用4面体单元,由于子宫瘢痕处的应力分布情况是作为研究分析的重点,所以对瘢痕处精细划分为分布较密的单元.从孕妇腹部解剖结构知,子宫的运动受到韧带的约束[18],在宫口处添加约束,即固定对应节点的X、Y、Z 3个方向的平动自由度.在分娩时,宫缩运动增强使子宫内压升高,在瘢痕厚度不同的子宫内表面施加不同的子宫内压直至瘢痕处所受极限应力刚刚达到抗拉强度500 k Pa,此时记录所施加的子宫内压值.

2 结果

2.1 仿真分析结果

(1)应力云图ANSYS分析计算得出子宫各部分的应力云图,由于瘢痕较薄且材料特性较差,如图3可见瘢痕处所受应力最大.

(2)宫内压-厚度关系不同厚度的瘢痕在刚要达到抗拉强度时对应不同的模拟子宫内压值,厚度越大,瘢痕破裂需要的宫内压越大(表2).

(3)MATLAB拟合曲线由MATLAB拟出表2中子宫内压临界值与瘢痕厚度的关系曲线(图4)及等式(1),若实际试产宫内压大于该宫内压,则子宫有破裂风险,反之则可以继续经阴分娩.

(4)破裂预警由妇产科学临床资料[19]得知宫缩内压值大约为100 mm Hg(1 mm Hg=0.133k Pa)时则顺利娩出胎儿,在表2中可以发现瘢痕厚度<3 mm时,施加的宫内压并未达到100mmHg瘢痕处便已破裂,则应该选择待足月行剖宫产;反之瘢痕厚度3 mm时是可以考虑经阴分娩的.以上分析结果与贾利英等[20]研究结果相符合.

2.2 仿真分析结果的验证

(1)资料随机选取淄博市妇幼保健院瘢痕子宫再次妊娠经阴分娩的孕妇20例,孕妇年龄:30~40岁;平均孕周为38.15周;瘢痕厚度为2.6、2.8、3.0、3.1、3.2、3.3、3.4 mm的孕妇分别有2、2、1、3、5、4、3例.瘢痕厚度小于3 mm的孕妇都已选择剖腹产,瘢痕厚度大于3 mm的16个孕例均成功经阴分娩且整个分娩过程中最大宫内压为100 mm Hg.将这些临床资料数据带入拟合等式以验证仿真结果的正确性.

(2)验证由拟合等式(1)得,3.0、3.1、3.2、3.3、3.4 mm的不同瘢痕厚度对应子宫破裂时的临界宫内压分别为104、105、108、111、114 mm Hg,均大于实际分娩宫内压100 mm Hg,故瘢痕子宫不会破裂,与实际临床结果符合.由此验证了仿真分析结果的正确性.

2.3 瘢痕切口长度对子宫受力的影响

剖宫产时切口长度一般为100~150 mm[21],为了研究长度参数对子宫受力的影响,选取子宫下段厚度为3 mm的三维几何模型,施加100mm Hg的内压,改变瘢痕切口的长度得到子宫所受极限应力的变化情况(表3),极限应力与瘢痕长度的关系曲线图(图5).

分析结果瘢痕处所受极限应力与切口长度有关,极限应力随着长度增加而增大.厚度为3 mm的瘢痕:若切口长度小于125 mm时,瘢痕所受极限应力小于其抗拉强度;反之,瘢痕所受极限应力大于其抗拉强度.

2.4 瘢痕材料对子宫受力的影响

在研究瘢痕厚度和长度对子宫破裂的影响时,瘢痕的杨氏模量取为1 379 k Pa,实际上瘢痕材料随孕妇的不同体质或者愈合时间的长短而变化.为了研究瘢痕材料参数对子宫受力的影响,选取子宫下段厚度为3 mm,瘢痕长度为100mm的三维几何模型,施加100 mmHg的内压,改变瘢痕杨氏模量得到子宫所受极限应力的变化情况(表4).极限应力与瘢痕长度的关系曲线图(图6).

分析结果

瘢痕处所受极限应力与瘢痕的材料有关,极限应力随着杨氏模量的增大呈现一种先减小后增大的状态.

以560 k Pa为界限,杨氏模量小于560 k Pa时,极限应力与杨氏模量成负相关;反之,极限应力与杨氏模量成正相关.

3 讨论

以往研究瘢痕子宫能否经阴分娩主要是通过超声评估[22]或者依据经验判断,力学研究方面的内容较少,但子宫是否发生破裂,与瘢痕厚度、瘢痕长度以及材料力学特性等密切相关.本研究从力学出发,基于ANSYS仿真分析以一种新的客观角度探讨子宫破裂与瘢痕3个参数的关系.

首先,针对瘢痕子宫能否经阴分娩,在研究诸多文献的基础上,结合孕妇子宫生物结构的知识,应用SOLIDWORKS建立了足月子宫的三维模型.然后对该模型进行ANSYS仿真分析计算得出瘢痕厚度与子宫破裂的关系:材料特性较差且较薄的瘢痕在子宫结构中所受应力最大,从而子宫破裂多发生在瘢痕处.在宫缩过程中,子宫破裂与瘢痕厚度有关,厚度越小瘢痕处越易破裂;以3 mm作为子宫前壁厚度的边界值,若测量厚度大于界值可以考虑经阴分娩,反之选择剖宫产.因此瘢痕厚度在选择分娩方式中处于非常重要的地位,每个孕妇的瘢痕厚度又有所不同,而在等式(1)中具体给出了子宫破裂时内压临界值与厚度的关系并进行验证,这就为能否选择经阴分娩提供了分析方法和临床指导.

其次,在研究瘢痕厚度对子宫破裂影响的基础上探讨瘢痕切口的长度对其影响.切口越长,瘢痕处受到的应力越大,子宫越易破裂;在选择瘢痕厚度为3 mm的三维模型中,当切口长度小于125mm时,瘢痕所受极限应力小于其抗拉强度,子宫不会发生破裂;反之,瘢痕所受极限应力大于其抗拉强度,子宫易发生破裂.由上可知,瘢痕长度与子宫破裂有很大的关系,因此初次分娩选择剖宫产时,应在顺利分娩的条件下尽量减小切口长度,以降低瘢痕子宫再次妊娠选择经阴分娩时子宫破裂的风险.

最后,在研究瘢痕厚度对子宫破裂影响的基础上探讨瘢痕杨氏模量对其作用.研究发现杨氏模量太小或者太大,都有可能导致瘢痕厚度为3mm的子宫所受极限应力大于其抗拉强度,从而导致子宫破裂.而瘢痕材料与孕妇体质、剖宫产后间隔时间等多种因素[19]有关,因此在选择分娩方式时不应仅以厚度作为参考而应充分考虑瘢痕愈合情况以做出正确的选择.

根据上述分析结果,以3、125 mm,700 k Pa分别为瘢痕厚度、长度、杨氏模量参照值,计算出厚度、长度、杨氏模量均增减20%时的应力变化率分别为:22.16%(厚度为2.4 mm)、15.11%(厚度为3.6 mm)、7.25%(长度为100 mm)、13.47%(长度为150 mm)、5.72%(杨氏模量为560 k Pa)、10.72%(杨氏模量为840 k Pa).其中:瘢痕厚度对应力影响最大,最大应力变化率可达22.16%,而长度和杨氏模量对应力影响相对较小.

以往研究中大多数医生将瘢痕处厚度3 mm作为分界线选择分娩方式,通过有限元分析发现瘢痕厚度虽然对子宫破裂影响最大,但是瘢痕长度和杨氏模量对其影响不容忽视,因此以往将瘢痕处厚度3 mm作为分娩方式选择的分界点并不准确,应综合考虑3种影响因素以选择合适的分娩方式.建模分析中的子宫壁和瘢痕材料用线弹性材料代替,将来的研究应用非线性材料以计算得到更精确的结果.

参考文献：[1]孟颜颜,贺磊,马新刚等.瘢痕子宫破裂影响因素的有限元分析[J].暨南大学学报(自然科学与医学版),2018,39(06):505-511.

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