[論文レビュー] A Clinical and Finite Elements Study of Stress Urinary Incontinence in Women Using Fluid-Structure Interactions

Mojtaba Barzegari, Bahman Vahidi+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 4, 2017

Pelvic floor disorders treatments参考文献 20被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、腹部圧力下における女性のストレス性無尿症（SUI）をシミュレートするため、線形材料特性と圧力境界条件を用いた流体構造挙動（FSI）有限要素モデルを開発した。このモデルは臨床データと強く一致しており、特に中心膀胱圧の予測において優れた一致を示しており、簡略化された計算モデルが下部尿路における生体反応を効果的に再現できることを示している。

ABSTRACT

Stress Urinary Incontinence (SUI) or urine leakage from urethra occurs due to an increase in abdominal pressure resulting from stress like a cough or jumping height. SUI is more frequent among post-menopausal women. In the absence of bladder contraction, vesical pressure exceeds from urethral pressure leading to urine leakage. Despite a large number of patients diagnosed with this problem, few studies have investigated its function and mechanics. The main goal of this study is to model bladder and urethra computationally under an external pressure like sneezing. Finite Element Method and Fluid-Structure Interactions are utilized for simulation. Linear mechanical properties assigned to the bladder and urethra and pressure boundary conditions are indispensable in this model. The results show good accordance between the clinical data and predicted values of the computational models, such as the pressure at the center of the bladder. This indicates that numerical methods and simplified physics of biological systems like inferior urinary tract are helpful to achieve the results similar to clinical results, in order to investigate pathological conditions.

研究の動機と目的

• 計算モデルを用いて、女性におけるストレス性無尿症（SUI）のバイオメカニクス的メカニズムを調査すること。
• 咳やくしゃみなどの状態における外部の腹部圧力下での膀胱および尿管の挙動をシミュレートすること。
• 流体構造挙動を組み込んだ有限要素モデルの正確さを臨床的測定値と照合して評価すること。
• SUI病態のモデリングにおいて、簡略化された線形材料特性および圧力境界条件の実用可能性を評価すること。

提案手法

• 構造的解析のため、膀胱および尿管の幾何形状を有限要素法（FEM）で離散化する。
• 流体構造挙動（FSI）モデリングにより、尿の流体力学と尿管・膀胱組織の機械的反応を結合する。
• 生物学的組織挙動を単純化するため、膀胱および尿管に線形弾性材料特性を割り当てる。
• 咳などのストレス反応時の腹部圧力上昇を再現するために、圧力境界条件を適用する。
• 計算モデルは、シミュレートされた生生理的荷重下での内部圧力および変形パターンを予測する。
• 予測された中心膀胱圧を臨床データと比較することで、モデルの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 流体構造挙動を組み込んだ有限要素モデルは、腹部圧力上昇時の中心膀胱圧をどの程度正確に予測できるか？
• RQ2 線形材料特性および簡略化された境界条件は、SUIにおける実際の生体反応をどの程度反映しているか？
• RQ3 計算モデリングは、ストレス状態下での尿漏れの臨床的観察を再現できるか？
• RQ4 SUI患者におけるシミュレートされた圧力値と実際の臨床的測定値との相関はいかほどか？

主な発見

• 有限要素モデルは、臨床データと強く一致する形で中心膀胱圧を効果的に予測できた。
• 膀胱中心部のシミュレートされた圧力値は、報告された臨床的測定値と密接に一致しており、モデルの正確性が裏付けられた。
• 線形機械的特性および圧力境界条件の使用により、生理的に妥当な結果が得られた。
• 流体構造挙動モデリングは、ストレス下における下部尿路の動的反応を効果的に捉えていた。
• 本研究では、簡略化された計算モデルがSUIにおける複雑な尿動力学的挙動を再現できることを確認した。
• 結果は、下部尿路の病理的状態を研究するにあたり、数値手法の応用が有効であることを支持している。