Constitutive modeling of female pelvic floor dysfunctions and reconstructive surgeries using prosthetic mesh implants

Bhattarai, Aroj GND

Female pelvic floor dysfunctions (PFDs) such as incontinence and prolapse are observed in multiparous elderly females caused by denervation injuries during childbirth and progressive tissue remodeling after menopause. With continuously increasing average life expectancy, these disorders have become an important public health issue that require high costs for the treatment and a standardized study. Minimally invasive surgery has become a more frequent repair procedure for which more than 20 million implants are implanted worldwide every year. However, serious postoperative mesh relative complications are reported. This thesis reviews the static, functional and dynamic anatomy of the female pelvic floor. A detail methodology to construct a realistic computer model from sheet plastination of a female cadaver pelvic floor has been described. Based on the published literature and multi-disciplinary communication with surgeons and urologist, a most complete form of 3D finite element (FE) model has been constructed, which considers smoothed NURBS based surfaces for frictionless contacts between organs and internal self-contact of the hollow organs. Further, an isotropic, hyperelastic, incompressible multiscale modeling of the soft connective tissues is adopted. In addition, transversely isotropic and non-linear Humphrey's constitutive model has been implemented to describe the passive stretching of the pelvic skeletal muscle without neural excitation. Similarly, for the experimented surgical meshes with different pore characteristics and stress-strain curves, linearly elastic orthotropic and non-linear hyperelastic models are fitted and used in the numerical study. Various FE analyses are performed to investigate pathophysiological situations and surgical treatments using mesh implants to compare their biofunctionality and to optimize the preferred surgery. Hence, the presented models and the modeling approaches included in this thesis facilitate the work of surgeons and urologists by a biomechanical study of female PFDs.

Weibliche Beckenbodendysfunktionen (PFDs) wie Inkontinenz und Prolaps werden bei mehrgebährende älteren Frauen beobachtet, die durch Denervierungsverletzungen während der Geburt und progressiven Gewebeumbau nach der Menopause verursacht werden. Mit einer kontinuierlich steigenden durchschnittlichen Lebenserwartung sind diese Erkrankungen zu einem wichtigen Problem der öffentlichen Gesundheit geworden, das hohe Behandlungskosten und eine standardisierte Studie erfordert. Die minimal-invasive Chirurgie ist zu einem häufigeren Reparaturverfahren geworden, bei dem jedes Jahr mehr als 20 Millionen Implantate weltweit implantiert werden. Es werden jedoch schwerwiegende postoperative Netzkomplikationen berichtet. Diese Arbeit untersucht die statische, funktionelle und dynamische Anatomie des weiblichen Beckenbodens. Eine detaillierte Methodik zur Konstruktion eines realistischen Computermodells aus der Schichtplastination eines weiblichen Beckenbodens wird beschrieben. Basierend auf der veröffentlichten Literatur und der multidisziplinären Kommunikation mit Chirurgen und Urologen wurde eine vollständige Form des 3D Finite Element (FE) Modells erstellt, wobei die geglätteten NURBS-basierten Oberflächen für reibungsfreien Kontakt zwischen Organen und den inneren Eigenkontakt der Hohlrorgane berücksichtigt. Ferner wird eine isotrope, hyperelastische, inkompressible Multiskalenmodellierung des weichen Bindegewebes verwendet. Außerdem wurde ein transversal isotropes und nichtlineares konstitutives Modell von Humphrey implementiert, um die passive Dehnung des Becken-Skelettmuskels ohne neurale Erregung zu beschreiben. In ähnlicher Weise werden für die experimentellen chirurgischen Netze mit unterschiedlichen Poreneigenschaften und Spannungs-Dehnungs-Kurven linear elastische orthotrope und nichtlineare hyperelastische Modelle eingesetzt und in den numerischen Studien verwendet. Verschiedene FE-Analysen werden durchgeführt, um pathophysiologische Situationen und chirurgische Behandlungen mit Netzimplantaten zu untersuchen, um ihre Biofunktionalität zu vergleichen und die bevorzugte Operation zu optimieren. Die in dieser Arbeit vorgestellten Modelle und Modellierungsansätze erleichtern somit die Arbeit von Chirurgen und Urologen durch eine biomechanische Untersuchung weiblicher PFDs.

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Bhattarai, Aroj: Constitutive modeling of female pelvic floor dysfunctions and reconstructive surgeries using prosthetic mesh implants. 2019.

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