[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究开发了一种流固耦合（FSI）有限元模型，用于模拟女性在腹压作用下的压力性尿失禁（SUI），采用线性材料属性和压力边界条件。该模型与临床数据高度一致，尤其在预测膀胱中央压力方面表现优异，表明简化的计算模型能够有效复现下尿路的生理反应。

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.

研究动机与目标

• 利用计算建模研究女性压力性尿失禁（SUI）的生物力学机制。
• 模拟在咳嗽或喷嚏等外部腹压作用下膀胱和尿道的行为。
• 评估包含流固耦合的有限元模型与临床测量结果的匹配度。
• 评估在SUI病理模型中使用简化线性材料属性和压力边界条件的可行性。

提出的方法

• 采用有限元法（FEM）对膀胱和尿道几何结构进行离散化处理，以进行结构分析。
• 流固耦合（FSI）建模将尿液的流体动力学与尿道及膀胱组织的机械响应相耦合。
• 为膀胱和尿道分配线弹性材料属性，以简化生物组织的行为。
• 施加压力边界条件，以模拟咳嗽等应激事件中腹压的增加。
• 计算模型预测在模拟生理载荷下的内部压力和变形模式。
• 通过将预测的膀胱中心压力与临床数据对比，完成模型验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有流固耦合的有限元模型在腹压增加期间预测膀胱中心压力的准确性如何？
• RQ2 线性材料属性和简化边界条件在多大程度上能反映SUI中的真实生理响应？
• RQ3 计算建模能否复现应激条件下临床观察到的尿液漏出现象？
• RQ4 模拟压力值与SUI患者实际临床测量值之间的相关性如何？

主要发现

• 有限元模型成功预测了膀胱中心压力，与临床数据高度一致。
• 模拟得到的膀胱中心压力值与报告的临床测量值非常接近，验证了模型的准确性。
• 采用线性机械属性和压力边界条件可获得符合生理实际的结果。
• 流固耦合建模有效捕捉了下尿路在应激状态下的动态响应。
• 本研究证实，简化的计算模型能够复现SUI中复杂的尿动力学行为。
• 结果支持在研究下尿路病理状态时应用数值方法。