[논문 리뷰] A Clinical and Finite Elements Study of Stress Urinary Incontinence in Women Using Fluid-Structure Interactions

Mojtaba Barzegari, Bahman Vahidi외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 04.

Pelvic floor disorders treatments참고 문헌 20인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 선형 재료 성질과 압력 경계 조건을 사용하여 복부 압력 하에서 여성의 요실금을 시뮬레이션하기 위해 유체-구조 상호작용(FSI) 유한요소 모델을 개발한다. 모델은 임상 데이터와 강한 일치를 보이며, 특히 중앙 요로 압력을 예측하는 데 있어 효과적임을 입증하여 단순화된 수치 모델이 하부 요로의 생리학적 반응을 효과적으로 재현할 수 있음을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 유한요소 모델을 활용하여 여성의 요실금(SUI)의 생물역학적 메커니즘을 연구하기 위해.
• 기침이나 재채기와 같은 상황에서 복부 외부 압력 하에서 요로와 요로의 거동을 시뮬레이션하기 위해.
• 임상 측정치와의 정확도를 평가하기 위해 유체-구조 상호작용을 고려한 유한요소 모델의 정확성을 검증하기 위해.
• SUI 병리학을 모델링할 때 단순화된 선형 재료 성질과 압력 경계 조건의 적용 가능성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 유한요소법(FEM)을 사용하여 요로와 요도 기하구조를 이산화하여 구조 해석을 수행한다.
• 유체-구조 상호작용(FSI) 모델링을 통해 소변의 유체역학적 거동과 요도 및 요로 조직의 기계적 반응을 결합한다.
• 생물학적 조직 거동을 단순화하기 위해 요로와 요도에 선형 탄성 재료 성질을 할당한다.
• 기침과 같은 스트레스 사건 동안 복부 압력 증가를 시뮬레이션하기 위해 압력 경계 조건을 적용한다.
• 모의 생리학적 하중 하에서 내부 압력과 변형 패턴을 예측하기 위해 계산 모델을 사용한다.
• 예측된 중앙 요로 압력을 임상 데이터와 비교하여 모델의 정확도를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유체-구조 상호작용을 고려한 유한요소 모델이 복부 압력 증가 시 중앙 요로 압력을 얼마나 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ2 선형 재료 성질과 단순화된 경계 조건이 SUI에서 실제 생리학적 반응을 어느 정도 반영하는가?
• RQ3 수치 모델링을 통해 스트레스 조건 하에서의 소변 유출 임상 관찰을 재현할 수 있는가?
• RQ4 SUI 환자에서 시뮬레이션된 압력 값과 실제 임상 측정치 사이의 상관관계는 어떠한가?

주요 결과

• 유한요소 모델은 임상 데이터와 강한 일치를 보이며 중앙 요로 압력을 성공적으로 예측하였다.
• 요로 중심부의 시뮬레이션 압력 값은 보고된 임상 측정치와 밀도 있는 일치를 보이며 모델의 정확성을 입증하였다.
• 선형 기계적 성질과 압력 경계 조건의 사용은 생리학적으로 타당한 결과를 산출하였다.
• 유체-구조 상호작용 모델링은 스트레스 하에서 하부 요로의 동적 반응을 효과적으로 포착하였다.
• 이 연구는 단순화된 수치 모델이 SUI에서 복잡한 요동역학적 행동을 재현할 수 있음을 확인하였다.
• 결과는 하부 요로 병리 상태를 연구하는 데 있어 수치 방법의 적용 가능성을 뒷받침한다.