一、研究背景和目的1.研究背景全世界每年大约有600万人因猝死而丧生,我国每年猝死病人约60万,其中心脏骤停(cardiac arrest, CA)占到80%左右。目前我国院外心源性猝死的生存率较低,据国内不完全统计,院外心脏骤停存活率不到1%,而在国外即使发达国家院外抢救成功率也仅有2-11%。心肺复苏(cardiopulmonary resuscitation, CPR)是恢复CA的主要抢救手段,其中胸外按压(chest compressions, CC)则是基础和关键,它既可以现场最快实施,而且简单、易行、有效。通过胸外按压保证了重要器官的血液灌注,使心脏规律舒缩和泵血功能得到恢复。((2010年国际心肺复苏及心血管急救指南》更是强调高质量胸外按压的重要性,其中指出按压频率和深度分别大于100次/min和5cm,将胸外按压从CPR的A-B-C顺序变成C-A-B,可见胸外按压对提高患者抢救生存率起到非常大的作用。但同时,随着胸外按压深度的进一步增加,其并发症也日益明显,最常见的是肋软骨的损伤、肋骨和胸骨骨折。如何提高胸外按压质量,又能避免胸外按压并发症的发生,将是我们CPR所要研究的一个重点。这就要求我们深入了解胸外按压机制,同时对胸外按压技术的有效性进一步的验证。胸外按压机制的研究从心泵机制学说发展到胸泵机制理论,近年来还有学者提出腹泵机制研究构想,而我们则探讨胸外按压时是否存在共振效应。另外,对其CPR有效性的指标(按压深度和频率)是否符合我国国民?是否是最终指标?仍需研究探讨。既往对心肺复苏胸外按压的研究方法有对人体的临床研究、动物的实验研究和模拟人体模型的研究。但因其受人体医学伦理学的限制,不同物种间的解剖差异性,制作模型材料的局限性,其研究方法非常有限,得到的研究结果也缺乏可信度。是否有其他更好的研究方法,为临床胸外按压提供有力的依据和指导意义呢?2.研究目的本研究在影像学技术辅助下结合三维有限元生物力学分析方法,经计算机重建正常人体胸廓三维有限元模型,通过尸体标本的生物力学实验对胸廓有限元模型进行有效性的验证。模拟胸外按压对三维有限元模型实施仿真实验,通过分析胸外按压时不同按压位置在不同按压深度力与位移的关系,应力和应变的分布情况。了解临床最佳按压位置,胸廓最容易损伤的位置和容易引起损伤的按压位置,为临床胸外按压提供有力的依据和指导意义。二、材料与方法1.选择成人男性新鲜尸体标本一具,实验前行胸部X线等相关检查排除胸廓畸形及骨折等疾病情况。采用德国西门子双源CT(型号：SOMATOM Definition, 2008G)对尸体标本进行胸部CT扫描,扫描范围为完整胸廓：从第1胸椎至第12胸椎(含第12肋骨下缘),包括软组织、骨组织(胸骨、肋骨、肋软骨,椎骨、锁骨、肩胛骨、肱骨头)、内脏器官(心脏、肺等)。扫描分辨率≥512×512×8bit,层厚≤0.4mm,扫描时长84.79S,采集人体胸廓二维图像共1986层,以DICOM格式输出存贮图像。2.采用计算机(操作系统Windows 7,64 bit,32G内存)将采集的CT二维图像导入Mimics 10.1 (比利时Materialise公司)三维重建软件中,设置骨骼阈值范围并进行分割阈值建立蒙板(mask),利用Mimics 10.1软件计算三维实体(Calculate 3D),将蒙板重建为三维模型,提取肋骨、肋软骨、胸骨等解剖学结构,生成胸廓几何模型,利用逆向工程软件Geomagic Studio 2012(64 bit)(美国Geomagic公司)对几何模型进行处理修整和曲面片划分,再转换为STP格式导入Solid Works 2012 X 64 Edistion(法国达索公司)；最终由Solid Works 2012导入到ANSYS(格式为.wbpj)进行有限元分析。而后将三维模型导入ANSYS Workbench 14.5(美国ANSYS公司)软件中进行体网格划分,输出文件格式为后缀名.1is；在ANSYS中对胸廓体网格模型的各单元进行材质分配,优化和智能修复后形成胸廓三维有限元模型。3.将本次同一新鲜尸体标本进行解剖,并行胸外按压生物力学测试。分别选择胸骨第3、4肋间、第4、5肋间和第5、6肋间为胸外按压加载点,采用美国博士材料实验机(BOSE Electro Force)分别进行0～300牛顿(N)的静力加载。每50N逐级递增加载,BOSE Electro Force配置计算机,同步记录各个载荷和胸骨位移情况。同法,将已建立的人体胸廓三维有限元模型模拟以上胸外按压生物力学测试,将两组实验数据结果进行对比,通过其趋势曲线图验证该有限元模型的有效性。4.通过约束边界和设置条件(胸廓模型模拟人体位于仰卧位,背后固定,按压点设置为胸骨正中上方直径为5厘米的按压物体),将重建有效的人体胸廓有限元模型模拟临床上垂直胸外按压的方法,在ANSYS Workbench 14.5软件中分析胸骨第3、4肋间、第4、5肋间和第5、6肋间胸外按压点按压深度为3-7厘米时各需载荷情况,以及按压时胸廓各部位的应力及应变分布情况,持续加载过程中造成的肋骨损伤情况。三、结果1.成功建立包括脊柱、肋骨和胸骨等胸廓结构的人体三维有限元模型,共175015个节点、92348个单元。2.通过比较同一尸体标本和有限元模型各自在胸外按压时的生物力学实验数据,得出两者间趋势曲线图基本一致,我们认为本次所构建的人体胸廓有限元模型是有效的。3.胸廓有限元模型模拟胸外按压时的有限元分析结果：①胸骨第3、4肋间(A按压点)、第4、5肋间(B按压点)和第5、6肋间(C按压点)三个不同胸外按压点,随着位移逐渐增大(3-7厘米)所需加载力、应力和应变均逐渐增大,相同位移时三个按压点所需加载力、应力和应变分布情况均为A>B>C。②各个按压点应力、应变分布均匀。胸外按压时应变分布情况均发生在肋软骨,其中胸骨与肋软骨交界处明显,且以第5肋软骨最为明显。而应力分布情况三个按压点均发生在胸廓肋骨,以背部胸椎与肋骨交界处明显,其中B和C按压点以第5后肋与胸椎交界处应力最大,而A点则以第一后肋与胸椎交界处应力最大。③模拟胸外按压持续加载过程中,三个按压点对胸廓的损伤最早均发生在第5肋软骨与胸骨交界处,分别所需的加载力为196N(A点),146N(B点),118N(C点),可见胸骨第5、6肋间按压点胸外按压时最容易引起肋软骨损伤,甚至骨折。而A和B两个按压点,同一位移时所需加载力A>B,由此可推测最佳胸外按压点为第4、5肋间,这与临床实践相符合。四、结论1.本研究在CT影像学技术辅助下,经计算机成功构建一具正常成人男性的人体胸廓有限元模型。模型的真实性与准确性我们通过尸体标本实验验证得到了进一步证实,说明此模型是有效的。2.模拟临床胸外按压的方法对所建立的有限元模型进行分析,胸外按压时随着位移的增加,其加载力、应力和应变分布情况均随之增大,且不因按压位置不同而改变。而相同位移时按压位置从上至下其加载力、应力和应变分布情况逐渐变小。从胸外按压持续加载实验来看,不同按压位置按压时引起胸廓最容易损伤甚至骨折位置均发生在第5肋软骨与胸骨交界处,此处胸骨第5、6肋间按压点最容易引起损伤,故生物力学角度来说,胸骨第4、5肋问为最佳按压位置。从应力和应变分布来看,胸外按压时两者分布均匀,不同按压点应变均位于肋软骨,且都在第5肋软骨与胸骨交界处最大,这也间接说明肋软骨损伤位置可能与应变有关。胸骨第4、5肋间和第5、6肋间按压点以第5后肋应力最大；而第3、4肋间按压点则以第1后肋应力最大,此处偏离心脏挤压位置,对心脏直接作用不及前两者,故胸骨第4、5肋间为理想的按压位置。3.本研究的不足点：因人体胸部骨性结构复杂、模型数据处理量庞大、耗时长等因素,本次人体胸廓三维有限元模型的构建只是胸廓骨性结构,未能建立包括软组织、内脏在内的完整胸部有限元模型,同时由于缺乏内脏组织,也导致本次实验未能探讨胸外按压是否存在共振效应。为了方便模型的有限元分析,本实验在胸廓模型材料属性的赋值上仍过于简单,客观上可能导致分析结果存在一定的差异性。这也是有限元模型普遍存在的不足之处。再者本次建模数量单一,未能进行相关对照性研究。因此,构建人体胸廓三维有限元模型需提供比较精准的胸部组织结构信息,为人体胸廓胸外按压提供生物力学依据。