突入膀胱不同形态的前列腺增生的有限元分析
摘 要：
目的 通过有限元分析方法，探索不同形态的膀胱内前列腺突出（intravesical prostatic protrusion,IPP）对排尿过程的影响。方法 基于1例前列腺中叶和双侧叶突入膀胱的良性前列腺增生患者MRI图像，重建其下尿路有限元模型（模型3）。通过图像修改突出部分，构建双侧叶突出模型（模型1）和中叶突出模型（模型2）。结合有限元分析软件进行双向流固耦合仿真分析，比较3种模型的前列腺尿道形变和流体动力学参数。结果 排尿过程中，模型3前列腺尿道角减小的程度最大，其次是模型2。模型3中的液体压强损失最严重。在每种膀胱内压下，模型1的流体速度大于其他模型，模型3的最大流率低于其他模型。在相同的膀胱出口截面积，模型3的最大流率低于其他模型，且增加膀胱出口截面积会进一步扩大这一差距。结论 与具有相同IPP长度但只有中叶突出或只有双侧叶突出的患者相比，中叶和双侧叶均突出的患者具有更大的尿道阻力和更小的最大尿流率。评估IPP不仅要测量其长度，还要注意IPP形态。
关键词：良性前列腺增生;膀胱内前列腺突出;有限元分析;流固耦合;
良性前列腺增生（benign prostatic hyperplasia,BPH）是老年男性常见疾病，是造成膀胱出口梗阻（bladder outlet obstruction,BOO）和下尿路症状的主要原因。据统计，该病在男性50岁时的发病率为50%,80岁达83%[1]。尿流动力学检查被视为诊断BOO的“金标准”，但该检查具有侵入性，可能造成血尿和尿路感染等，临床应用受限。尿流率测定和超声膀胱容积残余测量是评估下尿路功能状态的非侵入性方法，但其不能区分BOO和逼尿肌收缩力降低。膀胱内前列腺增生（intravesical prostatic protrusion,IPP）是BPH形态学变化的结果。IPP多是中叶或/和侧叶增生，呈现不同的形状[2]。IPP的这种形态学差异与膀胱出口梗阻之间关系的机制尚不清楚。在观察性研究中，很难控制由前列腺体积和尿道角等因素变化引起的混杂效应，而这些因素都与BOO有关。有限元仿真技术的出现为下尿路非侵入式检测提供了新的思路。计算流体动力学（computational fluid dynamic,CFD）是当前实验研究和临床实践中尿流模式理解的有用辅助手段。然而，以往研究中的刚性壁边界假设排除了尿流和尿道壁之间的相互作用，尤其是前列腺尿道壁[3,4]，本研究基于前列腺增生患者的核磁图像重建下尿路有限元模型，并进行双向流固耦合分析，探讨不同形态的IPP对排尿过程的影响。
1 材料与方法
1.1 建模数据来源
回顾性收集2017年10月到2020年12月天津市第一中心医院前列腺增生患者的临床信息，在前列腺中叶和双侧叶增生且均突入膀胱的患者中，随机选取1名患者纳入研究。该患者68岁，因前列腺增生导致尿潴留而携带导尿管，其核磁图像清晰完整。患者的前列腺特异性抗原检查、国际前列腺症状评分、自由尿流率测定结果分别为4.33μg/L、30分、6 mL/s。本研究经天津市第一中心医院伦理委员会批准（审批号：2018NO22KY）。
1.2 研究方法
1.2.1 有限元模型
基于患者的T2W MRI图像，绘制每个切片的器官轮廓，在MIMICS19.0(Materialize,Leuven Belgium）软件中重建包括膀胱、前列腺和尿道在内的泌尿系统三维有限元模型（图1a～c）。所有模型以二进制STL格式导入逆向工程软件Geomagic Studio 14.0(Materialize,Leuven Belgium）进行光顺等处理，再导入有限元分析软件ANSYS 18.0(ANSYS Inc.,Canonsburg,USA）对模型进行材质属性定义及赋值、约束条件设定等处理。对于尿道模型，在Geomagic Studio 14.0软件中确定最接近尿道走形的拟合样条曲线，以保留尿道的走形特征。然后将尿道建模为沿走形线延伸的管状结构，给予相应的直径。尿道模型分为3部分，中间部分是前列腺尿道和前尿道之间长10 mm的过渡区。设置前尿道直径为5mm，尿道出口直径为4 mm，前列腺尿道直径为2.4mm，膀胱壁厚5 mm，膀胱容量为200 mL[5,6,7]。漏斗形部分是从膀胱出口到尿道内口的过渡区。为模拟BPH患者的膀胱颈压迫程度，将膀胱出口的截面积设定为40 mm2和45 mm2。
1.2.2 材料属性
根据文献设定流体的性质[3]。前列腺模型设定为线性弹性材料（泊松比0.4，杨氏模量21 kPa)[5]。同样的假设适用于膀胱模型（泊松比0.4，杨氏模量2.4 MPa）和尿道模型（泊松比0.4，杨氏模数5 MPa)[8,9]。
1.2.3 边界条件
流固耦合分析在ANSYS 18.0软件中进行。边界条件：（1）膀胱是尿流动力来源，通过向膀胱壁施加垂直力模拟膀胱内压力。（2）尿道出口设为出口，出口压力设为0。（3）固-液接触界面区域包括膀胱壁和尿道壁。假设壁面上速度为0，称为无滑移假设，该假设广泛用于流体动力学。（4）为实现模型数据的实时交换，将固-液界面接触设置为双向流固耦合。
1.2.4 模拟方案
中叶和双侧叶增生突入膀胱的患者模型标记为模型3（图1f），通过调整该模型每张MRI影像中IPP的蒙版（Mask），创建仅双侧叶突出和仅中叶突出的模型，分别标记为模型1和2（图1d～e）。调整方法如下：擦拭去除模型3中IPP蒙版的中叶突出部分，保留双侧叶突出部分，在此基础上向前增加双侧叶突出部分的蒙版面积以增加双侧叶突入膀胱的体积，创建仅双侧叶突出模型。同理创建仅中叶突出模型时，仅保留中叶突出部分的蒙版，并向后增加中叶突出部分。在调整IPP形态过程中，模型1和模型2的IPP长度、IPP体积、膀胱容量、前列腺体积、膀胱出口截面积、尿道直径和尿道的走形特征与模型3保持一致。本研究3种模型的IPP长度、IPP体积、前列腺体积分别为14 mm、12 cm3、105 cm3。通过对以上3种IPP模型采用两种不同的膀胱出口截面积，共重建6组模型。相同的边界条件和模型假设适用于所有模型。对于每个模型，在9800 Pa和13720 Pa的膀胱内压下进行流固耦合分析[10,11]。
2 结果
2.1 泌尿系统有限元模型验证
本实验依据患者MRI影像成功建立中叶和双侧叶突出的泌尿系统有限元模型（模型3），并在该模型基础上构建仅双侧叶突出的三维有限元模型1和仅中叶突出的模型2。赋予模型适宜的材料属性和模拟假设。在9800 Pa和13720 Pa的膀胱内压下，对模型1进行排尿过程模拟实验，其最大尿流率结果与该患者自由尿流率测定结果（Qmax=6 mL/s）趋势基本一致（表1）。因此所建三维有限元模型有效，可进一步实验研究。
2.2 尿道形变
排尿过程中，由于下尿路和尿液之间的相互作用，膀胱颈和前列腺尿道发生形变。膀胱颈和近端前列腺尿道沿前列腺尿道纵轴向下移动，而远端前列腺尿道向后移动。近端和远端的相对运动导致前列腺尿道角减小。模型3的形变大于其他两组模型的形变（图2a～b）。前列腺尿道角（prostatic urethra angle,PUA）定义为前列腺近端和远端尿道形成的顶角。在相同的膀胱内压下，模型3中PUA减小的程度最大，其次是模型2，模型1改变最小（图2c～e）。
2.3 液体压强变化
当尿液从膀胱流向尿道，由于尿道阻力，流体压强降低。本研究中，这种压强损失在模型3最为突出，其次是模型2，模型1改变最小（图3a～d）。所有模型的压强损失多发生于膀胱颈和前列腺近端尿道，尤其是前列腺尿道近端。
2.4 涡度
涡度，定义为速度场的旋度：w=Velocity u.Gradient Y-Velocity v.Gradient X，用于研究流动能量耗散模式。与液体压力损失的模式一致，3种模型的涡度最大值出现在前列腺尿道近端（图3e～g）。膀胱颈附近也出现了涡度激增。
2.5 尿液流动情况
当尿液流经前列腺尿道时，流速达到峰值。比较模型之间矢状面流速分布直方图（图4a～c），在每种膀胱内压下，模型1的大部分流体流速高于其他两组模型，模型3尿道出口的最大流率均低于其他模型；随着膀胱内压的增加，3种模型的最大尿流率均增大，但增加的速率不同，模型1的最大流率增量大于其他模型（图4d～e）。在相同的膀胱出口截面积下，模型3的最大流率小于其他两种模型，且增加膀胱出口截面积会进一步扩大这一差距（图4f）。
3 讨论
根据文献，结合横断面、冠状面及矢状面MRI影像能完整显示前列腺各带区的结构特点[12]。本研究根据前列腺增生患者的3个位面MRI图像重建其下尿路有限元模型，并进行双向流固耦合仿真计算。IPP长度、尿道角度、前列腺体积和膀胱内压的混杂效应使临床观察性研究难以分析IPP形状在排尿过程中的作用。尿流动力学研究（如压力流率研究）是诊断BOO的金标准。然而，其侵袭性和潜在并发症限制了常规临床应用。包括CFD在内的有限元分析已被证明是一种有效的替代方法，对泌尿系统疾病的研究具有重要意义。这项研究的模拟结果再次证明该技术在理解流体生理流动方面具有巨大前景。
Zheng等人[5]报道，由于前列腺形变，前列腺尿道直径在排尿过程中会减小。本研究发现，由于前列腺尿道的运动，排尿期间PUA会减小。PUA减小会导致能量损失。PUA越小，能量损耗越严重[13]。3种模型中，模型3的PUA减少程度大于其他两种模型。IPP与尿道阻力增加相关。本研究模拟结果表明，中叶和双侧叶均突出是产生尿道阻力最大的IPP形态，这与压力损失和流率的分布一致。
研究表明前列腺增生最常见的区域是移行区，有时中央区也会发生增生。增生的移行区成为了“侧叶”，而增生的中央区则成为了“中叶”。IPP因为中叶或/和侧叶突入膀胱而呈现不同的形状[2]。有少数涉及IPP形态的文献并未研究IPP形态学，未予区分侧叶和中叶突出。有学者认为中叶突出会破坏正常膀胱颈的漏斗效应，从而在膀胱颈处造成严重的“球-瓣”样梗阻[14]。本研究发现，与具有相同IPP长度的仅双侧叶突出的模型相比，中叶突出的模型具有更大的尿道阻力和更小的最大尿流率。此外，本研究的模拟结果表明，在其他因素相同的情况下，中叶和双侧叶突出模型的最大尿流率低于仅中叶突出的模型，即侧叶突出会在膀胱颈处造成显著的梗阻，并且这种阻塞效应不受中叶突出“球-瓣”效应的影响，这与文献研究结果一致[15]。
与前列腺特异性抗原和前列腺体积相比，IPP具有更高的BOO预测效能[1]。对于缺乏尿流动力学检查的基层医院，IPP分析具有重要的临床价值。相关研究表明在进行尿流动力学检查之前，IPP分析是重要的评估工具。除了先前关于IPP长度的研究结论，本研究表明IPP形态也会对尿液运动产生不同的作用。在评估IPP时，不仅要测量其长度，还要注意其形态。本研究可作为现有IPP相关文献的补充。
本研究存在一些局限性。首先，建立三维有限元模型的过程中，未添加相关肌、韧带等周围结构，未考虑其牵张作用。其次，有限元方法是运用计算机软件构造三维模型进行的一种模拟实验，存在自身的局限性。未来的工作包括开发更真实的模型，在更大量的临床数据中实现计算机检测和临床实验的并行设计验证。这项研究有助于进一步了解IPP形态对排尿过程的作用。
参考文献：[1]洪丽婷,孟庆国,吴建辉等.突入膀胱不同形态的前列腺增生的有限元分析[J].中国临床解剖学杂志,2023,41(04):459-464.DOI:10.13418/j.issn.1001-165x.2023.4.15.
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