反刍动物与单胃动物最大的区别在于瘤胃，瘤胃是一个供厌氧微生物繁殖的连续接种的发酵罐，70%以上的营养物质在瘤胃内消化，因此瘤胃发酵调控反刍动物营养代谢是研究反刍动物营养的关键。目前研究瘤胃发酵的方法有动物活体内试验和瘤胃体外发酵模拟技术。活体动物试验易受动物个体差异、试验周边环境影响，且存在试验周期长、成本高等缺点；而体外瘤胃模拟瘤胃发酵装置重复性良好、试验周期短、成本低；因此，体外瘤胃模拟装置被广泛应用到瘤胃发酵的研究中。目前国内外的瘤胃体外模拟装置主要采用刚性发酵罐来模拟瘤胃，忽略了瘤胃的蠕动规律和瘤胃内食糜的运动规律对瘤胃发酵的影响，因此亟需引入新的辅助手段构建柔性人工瘤胃来完善瘤胃体外发酵模拟技术。另一方面，目前具有实现软组织模型体外重构的方法都是先通过三维重建软件建立几何模型，再利用有限元法对模型进行应力应变的模拟分析，这种模型体外重构方法已经比较成熟，在医学上应用较广泛。近些年三维重建及有限元法在肺肿瘤[1]、肝癌[2-3]、食管癌[4]、胆管癌[5]诊断和治疗上有很好的应用效果。在三维重建及有限元法与动物组织体外重构研究上，高伟等[6]对猫视乳头进行了三维重建及有限元分析来研究不同眼压下视乳头的组织变化；李艳娜等[7]利用三维有限元建模方法分析维医沙疗对兔股骨力学性能；学者们分别建立猪下颌复合组织破片伤三维有限元模型和小型猪肾血管和冠状动脉的三维可视化模型，并验证该数字化模型的有效性[8-10]；Ranzoni等[11]通过对干细胞移植小鼠和天生成骨不全小鼠胫骨CT断层图像的三维重建来研究骨遗传病；Kuyinu等[12]通过三维重建的动物腿骨模型来研究骨关节炎。这些成功的研究表明，三维重建及有限元法可以更深入应用到动物软组织的研究中。但是目前在反刍动物瘤胃体外重构领域和柔性人工瘤胃开发研究还鲜有人关注，因此本研究将利用三维重建及有限元法更深入地对山羊瘤胃进行体外重构研究，为柔性人工瘤胃的开发研究奠定坚实的基础。
1 材料与方法 1.1 试验动物选用健康雌性湘东黑山羊一只作为试验动物，体重为(35±1)kg，由中国科学院亚热带农业生态研究所提供，饲养环境符合中华人民共和国卫生部动物实验管理条例。
1.2 试验设备及软件设备：采用西门子64排128层螺旋CT。扫描参数：电压120 kV，电流100 mA，层厚0.625 mm，螺距0.973 mm，视野300 mm，矩阵512×512，所获图像数据用DICOM格式输出。计算机硬件：Intel Core i5、64G内存、1 T硬盘、4G独立显卡显存。
三维重建软件：Materialise公司交互式医学影像控制系统Mimics 17.0和3-matic。
格式转换软件：Solidworks。
有限元分析软件：Hyperworks14.0、Ls_dyna联合仿真。Hyperworks是一个具有创新性、开放性的集成软件。Hyperworks包括许多的模块，如高性能、开放式有限单元前处理器模块Hypermesh，生成结果分析报告的后处理模块Hyper view，基于有限元模型优化研究的Hyper study和Opti struct模块等。在我们的瘤胃模型体外重构中用到的是Hypermesh前处理模块、Hyper view后处理模块。Ls-dyna是一款非常先进的通用非线性有限元程序，能够模拟真实世界中结构动力学中涉及变形、复杂材料模型和接触情况等棘手问题。Ls_dyna的应用优势是丰富的复合材料本构材料库：多样的铺层定义方法, 求解精度高, 控制操作简单, 与Hyperworks联合仿真效果较好。
目前基于Hyperworks、Ls_dyna软件进行有限元分析的实例有数控机床插齿[13]，汽车起重机[14]、引擎盖[15]、安全带锚固[16]，航天器座位[17]，锂电池[18]，木质纤维素材料[19]，人类面部表情[20]、生物瓣膜[21]等。本研究中Hyperworks、Ls_dyna联合仿真是把瘤胃几何模型导入到Hypermesh中进行几何清理修复，设置材料属性，建立集合单元集，单元网格的划分及优化，施加载荷，建立载荷的工况等操作，输出瘤胃有限元模型。利用Ls_dyna对瘤胃有限元模型进行求解，最后的求解结果由Hyper view展示出清晰直观的计算云图进行查看。
1.3 瘤胃模型体外重构流程瘤胃模型体外重构流程见图 1。
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图 1 瘤胃模型体外重构流程 Fig. 1 Flow chart of in vitro reconstruction of rumen model |
首先在动物麻醉房将山羊进行麻醉，控制麻醉时间为40 min，利用木制保定架固定山羊，使山羊瘤胃自然垂直向下，模拟山羊自然站立状态，将固定好的山羊采用螺旋CT进行断层扫描。获得了格式为DICOM、层厚为0.625 mm的山羊腹部扫描图像856张，然后将所获得的图像数据集导入到Mimics17.0进行瘤胃几何模型的三维重建。
瘤胃几何模型的三维重建步骤：①将经过CT扫描，格式为DICOM、层厚为0.625 mm图像数据导入Mimics软件。②根据文献的查阅结合动物解剖学知识设定山羊瘤胃重构的阈值为最低HU-1024、最高HU-194，在这个阈值区间内山羊瘤胃的轮廓显示较清晰、容易辨认，如图 2A。③利用Thresholding命令点击瘤胃区域生成瘤胃的组织蒙版，然后利用Calculate 3D工具对瘤胃不同部分的蒙版进行细节分割，擦除与瘤胃相接触的组织，最后生成瘤胃的初始模型。④对瘤胃初始模型进行Wrap命令调节参数Smallest Detail=3 mm，Gap Closing Distance=3 mm，然后再利用Smooth命令调整参数Iterations=1，Smooth factor=0.4, 对山羊瘤胃数字化模型进行光滑处理。⑤导入到3-matic进行模型优化处理。利用Fix工具栏中smooth命令(调节参数smooth factor=0.7)对瘤胃模型进一步光滑。利用Finish工具栏中local smoothing命令，调节参数smooth dimaeter=10配合鼠标擦除掉模型中突起，调节参数smooth dimaeter=50，优化模型表面光滑度。⑥将优化好的瘤胃几何模型从3-matic导入到Mimics中核查瘤胃模型的形状以及边界等，最后以STL格式导出保存。瘤胃几何模型的长度为335 mm。具体建立瘤胃几何模型的步骤效果见图 2。
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A.阈值分割；B.蒙版编辑；C.初始模型；D.光滑处理；E.模型优化；F.模型核实 A.Threshold segmentation; B.Mask editing; C.Initial model; D.Smoothing; E.Model optimization; F.Model verification 图 2 建立瘤胃几何模型的步骤效果 Fig. 2 Effect of each step in establishing rumen geometry model |
通过Mimics17.0构建的瘤胃几何模型数据格式为STL格式，要用到的有限元分析软件所支持的输入格式为IGES格式。因此需要利用Solidworks软件把瘤胃的几何模型转化成为实体的IGES格式(图 3)。
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图 3 数据格式转化 Fig. 3 Data format transformation |
将IGES格式的瘤胃模型导入到Hypermesh中，进行模型网格的划分，瘤胃模型选择的单元为四面体单元，模型网格为直角三角形，网格尺寸为5.000 mm。参数设定如图 4所示。瘤胃网格划分完成后需要进行以下三个操作：①使用2D中smooth命令调整比例系数=10, 对划分的网格进行光滑处理。②网格质量检查与优化，瘤胃模型网格中设定尺寸小于1 mm网格为不合格网格，通过默认快捷键F10设置网格尺寸=1 mm寻找到61处小于1 mm网格，最小网格为0.024 78 mm。利用快捷键F2删除不合格的网格然后利用快捷键F3、F6对删除不合格所形成空洞进行填补、修复处理(图 4)。因为模型所需要修复的地方较多，所以通过find edges命令寻找自由边(自由边能清楚地反映模型单元的缺失)快速进行空洞的修复(图 5)。模型网格的修复与优化主要是为了建立模型体单元做准备，建立体单元的第一要素是模型的网格必须是封闭的。③建立体单元：重新创建一个名字为solid的Componment。选择3D工具栏中tetramesh命令把模型中四面体单元匹配(mesh)成体单元。建立体单元后就完成了网格的划分，如图 6。
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图 4 网格划分与质量优化 Fig. 4 Grid generation and quality optimization |
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图 5 寻找自由边进行网格修复 Fig. 5 Find free edges for mesh repair |
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图 6 瘤胃网格模型 Fig. 6 Rumen mesh model |
在Hypermesh中瘤胃模型的基础由组件(component)、材料(materials)、属性(property)、单元集(set)、载荷与约束(load)坐标系(curve)计算控制参数卡片(card)等主要部分组成。在完成网格划分后，会生成一个component组件，通过它完成对瘤胃网格模型材料类型、属性定义、功能参数的赋予和整合。在瘤胃模型中我们使用四面体单元，属性设置为sectsld。模型材料选用MATL1，它是一种能够反应生物体软组织力学特性的材料模型。通过文献的查阅和硅胶材料参数的综合对比确定模型材料参数设置为密度=1.1×10-3，弹性模量=8.2 MPa，泊松比=0.4，如图 7[22-26]。
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图 7 材料参数设定 Fig. 7 Material parameter setting |
沙漏是单元自身存在的一种数值问题，指的是单元受力变形后没有产生应变能，出现了0能量模式。为了避免这种情况出现，需要进行沙漏控制。本文中瘤胃模型采用弹性的积分沙漏控制类型(IHQ=5)，参数设置如图 8。
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图 8 沙漏控制 Fig. 8 Hourglass control |
模型建立单元集进而确定受力的具体方向和范围。本次瘤胃重构模型中建立了两个受力位置，分别是瘤胃左侧背部和腹部交界处，瘤胃右侧背部和腹部交界处。受力方向为x轴负向，瘤胃模型施加的载荷为20 N。选择这两个应力点的原因是应力点受山羊组织因素影响小，且具有代表性。可同时模拟背部和腹部交界处收缩和舒张情况。模型约束参数和约束具体位置根据瘤胃的蠕动规律设定(图 9)。
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图 9 模型约束参数 Fig. 9 Model constraint parameters |
加载曲线根据选择材料类型、属性会有所不同。本瘤胃模型的时间-载荷曲线如图 10。为了保证瘤胃有限元仿真模型计算的准确性，瘤胃建模的最后一步需要对计算控制参数进行设定。瘤胃仿真模型的计算控制参数如表 1。计算控制参数中主要参数：实体单元控制(四面体单元的干涉点个数NIPTETS=4)、计算时间控制(比例因子TSSFAC=0.9)、时间步长控制(ENDTIM=120 ms)、输出时间间隔控制(时间间隔DT=5.0)。
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图 10 时间-载荷曲线 Fig. 10 Time-load curve |
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表 1 计算控制参数 Table 1 Calculation of control parameters |
通过对瘤胃实体模型的网格划分、材料赋予及沙漏控制、建立单元集和时间-载荷加载曲线、施加载荷和约束、设置计算控制参数等操作后形成了可用于Ls_dyna求解的有限元模型。模型的Collectol面板(面板中包含对瘤胃模型创建的所有项目及参数)见图 11。
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图 11 瘤胃模型的Collectol面板 Fig. 11 Collectol panel of rumen model |
山羊瘤胃模型经过前处理后形成了有30 028个节点、141 624个有限单元的瘤胃有限元模型。由Hypermesh输出K文件用于Ls-dyna的求解计算，在进行求解计算时根据个人的电脑配置选择CPU为2，内存(memoru)选择200 M。求解完毕后用Hyper view查看生成的d3plot结果文件。结果表明：在对瘤胃模型中的瘤胃背部和瘤胃腹部施加方向为x轴负向、大小为20 N的加载力时，整体瘤胃模型的等效应力图、等效应变图、位移云图见图 12~14。由图 12~14可知，在相同压缩条件下瘤胃模型的不同部位应力、应变有差异。其中最大应力为2.437 MPa，最大应变值为1.662×10-1。最大位移为8.577 mm。
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图 12 不同部位等效应力图 Fig. 12 Isogram of different sites |
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图 13 不同部位等效应变图 Fig. 13 Equivalent strain diagram of different positions |
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图 14 瘤胃模型位移云图 Fig. 14 Displacement cloud diagram of rumen model |
瘤胃的几何模型是基于CT图像建立的虚拟立体模型。瘤胃的真实空间结构分为背囊、腹囊、后背盲囊和后腹盲囊[27]。在瘤胃几何相似性上，瘤胃模型的四个囊腔空间结构明显，与真实的山羊瘤胃形状相似度极高，说明利用Mimics构建的瘤胃模型在外型上较精准。基于Mimics软件对人体心[28]、肾[29]、心肌[30]、面部软组织[31]三维模型重建的研究中都有较好的应用效果，且有高度的模型相似度。这也证明了瘤胃三维重建方法的可实现性和精准性。瘤胃的蠕动是一个复杂的过程，有研究表明瘤胃蠕动规律先由瘤胃前庭收缩开始、沿着背囊扩布到盲囊，再由腹盲囊由后向前收缩[32]。在瘤胃力学相似性上，本研究使用Hyperworks、Ls_dyna联合仿真，依据大量相关的研究基础为该瘤胃模型赋上合适的材料，设定合适的参数及约束，对模型进行载荷求解，通过优化模型的材料参数以及应力应变模拟瘤胃的蠕动规律，达到更好的力学相似性。
3.2 山羊瘤胃体外重构的应用意义在反刍动物瘤胃体外研究中，食糜的运动规律对试验结果的影响是至关重要的。有研究表明瘤胃的蠕动使瘤胃内食糜按照从前囊→背囊→腹囊→后腹盲囊→腹囊→背囊和前囊的顺序运动，且在山羊处于休息时食糜运转一次需30~50 s[32]。本研究可以利用有限元法对瘤胃模型的应力应变加以优化，打造一个全新的柔性瘤胃体外发酵装置，使得柔性瘤胃模型内食糜的运动规律更接近于山羊瘤胃体内真实的运动规律，使瘤胃体外模拟装置更加完善，体外研究的结果更加精确可靠。在山羊瘤胃疾病以及瘤胃瘘管手术方面，瘤胃三维可视化模型在手术预演方面是特别理想的虚拟模型，完全可以满足临床应用和基础研究的需要。在瘤胃解剖方面，有限元法可以让研究者从不同角度更加清楚地了解自然状态下山羊瘤胃的形态结构以及受力形变等，很好地替代了平面、静态的二维模式，具有直观、立体、多维度、多层次的特点。
4 结论 4.1 构建的瘤胃几何模型相似性高。 4.2通过有限元法对瘤胃模型进行应力应变分析能更好地反映瘤胃蠕动状态。且在载荷点的应力应变最大，接近加载点的区域次之。
4.3有限元法对瘤胃模型的体外重构是可行的且精确可靠的。利用三维重建和有限元分析技术重现了自然状态下山羊瘤胃的真实形状，在动物医疗和动物组织学研究方面有着重要的应用价值。瘤胃模型的构建为柔性人工瘤胃的开发奠定了良好的基础，同时使反刍动物瘤胃体外研究过程更加严谨和完善，研究结果更加可靠。填补了反刍动物软组织体外重构方面的空白，为动物组织模型的构建和动物虚拟仿真开辟了新的途径。
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