Uterine rupture is an intrinsically biomechanical process associated with high maternal and fetal mortality. A previous Cesarean section (C-section) is the main risk factor for uterine rupture in a subsequent pregnancy due to tissue failure at the scar region. Finite element modeling of the uterus and scar tissue presents a promising method to further understand and predict uterine ruptures. Using patient dimensions of an at-term uterus, a C-section scar was modeled with an applied intrauterine pressure to study how scars affect uterine stress. The scar positioning and uterine thickness were varied, and a defect was incorporated into the scar region. The modeled stress distributions confirmed clinical observations as the increased regions of stress due to scar positioning, thinning of the uterine walls, and the presence of a defect are consistent with clinical observations of features that increase the risk of uterine rupture.

The coordinated biomechanical performance, such as uterine stretch and cervical barrier function, within maternal reproductive tissues facilitates healthy human pregnancy and birth. Quantifying normal biomechanical function and detecting potentially detrimental biomechanical dysfunction (e.g., cervical insufficiency, uterine overdistention, premature rupture of membranes) is difficult, largely due to minimal data on the shape and size of maternal anatomy and material properties of tissue across gestation. This study quantitates key structural features of human pregnancy to fill this knowledge gap and facilitate three-dimensional modeling for biomechanical pregnancy simulations to deeply explore pregnancy and childbirth. These measurements include the longitudinal assessment of uterine and cervical dimensions, fetal weight, and cervical stiffness in 47 low-risk pregnancies at four time points during gestation (late first, middle second, late second, and middle third trimesters). The uterine and cervical size were measured via 2-dimensional ultrasound, and cervical stiffness was measured via cervical aspiration. Trends in uterine and cervical measurements were assessed as time-course slopes across pregnancy and between gestational time points, accounting for specific participants. Patient-specific computational solid models of the uterus and cervix, generated from the ultrasonic measurements, were used to estimate deformed uterocervical volume. Results show that for this low-risk cohort, the uterus grows fastest in the inferior-superior direction from the late first to middle second trimester and fastest in the anterior-posterior and left-right direction between the middle and late second trimester. Contemporaneously, the cervix softens and shortens. It softens fastest from the late first to the middle second trimester and shortens fastest between the late second and middle third trimester. Alongside the fetal weight estimated from ultrasonic measurements, this work presents holistic maternal and fetal patient-specific biomechanical measurements across gestation.

Abstract Tissue mechanics is central to pregnancy, during which maternal anatomic structures undergo continuous remodeling to serve a dual function to first protect the fetus in utero while it develops and then facilitate its passage out. In this study of normal pregnancy using biomechanical solid modeling, we used standard clinical ultrasound images to obtain measurements of structural dimensions of the gravid uterus and cervix throughout gestation. 2-dimensional ultrasound images were acquired from the uterus and cervix in 30 pregnant subjects in supine and standing positions at four time points during pregnancy (8-14, 14-16, 22-24, and 32-34 weeks). Offline, three observers independently measured from the images of multiple anatomic regions. Statistical analysis was performed to evaluate inter-observer variance, as well as effect of gestational age, gravity, and parity on maternal geometry. A parametric solid model developed in the Solidworks computer aided design (CAD) software was used to convert ultrasonic measurements to a 3-dimensional solid computer model, from which estimates of uterine and cervical volumes were made. This parametric model was compared against previous 3-dimensional solid models derived from magnetic resonance frequency images in pregnancy. In brief, we found several anatomic measurements easily derived from standard clinical imaging are reproducible and reliable, and provide sufficient information to allow biomechanical solid modeling. This structural dataset is the first, to our knowledge, to provide key variables to enable future computational calculations of tissue stress and stretch in pregnancy, making it possible to characterize the biomechanical milieu of normal pregnancy. This vital dataset will be the foundation to understand how the uterus and cervix malfunction in pregnancy leading to adverse perinatal outcomes.