單側(cè)經(jīng)肛提肌外腹會陰聯(lián)合切除術(shù)對盆底影響的有限元分析

王捷夫，柳建中

單側(cè)經(jīng)肛提肌外腹會陰聯(lián)合切除術(shù)對盆底影響的有限元分析

王捷夫，柳建中

目的應(yīng)用有限元分析方法比較單側(cè)經(jīng)肛提肌外腹會陰聯(lián)合切除術(shù)（ELAPE）和ELAPE手術(shù)對于盆底生物力學(xué)影響的差異。方法建立女性盆底的3種有限元分析模型：正常模型，ELAPE模型和單側(cè)（右）ELAPE模型，測量3種模型在相同載荷作用下的各組織最大應(yīng)力，并觀察應(yīng)力分布。結(jié)果在肛提肌保留側(cè)，單側(cè)ELAPE模型非肛提肌組織內(nèi)的最大應(yīng)力低于ELAPE模型，而與正常模型比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；在肛提肌切除側(cè)，其最大應(yīng)力也低于ELAPE模型，但高于正常模型；其肛提肌保留側(cè)的整體應(yīng)力低于切除側(cè)。結(jié)論相比于ELAPE手術(shù)，單側(cè)ELAPE手術(shù)可降低盆底雙側(cè)的非肛提肌組織內(nèi)的應(yīng)力，在肛提肌保留側(cè)更為明顯。

腹部；會陰；骨盆底；生物力學(xué)；有限元分析；ELAPE手術(shù)

腹會陰聯(lián)合切除術(shù)（abdominoperineal resection，APR）的腫瘤學(xué)效果較直腸低位前切除術(shù)（anterior resection，AR）差［1-2］。這是由于按照全直腸系膜切除（total mesorectal excision，TME）的要求，標(biāo)本形成狹窄的外科腰，腫瘤環(huán)周切緣（circumferential resection margin，CRM）陽性率較高。經(jīng)肛提肌外腹會陰聯(lián)合切除術(shù)（extralevator abdominalperineal excision，ELA?PE）切除全部肛提肌，可降低CRM陽性率［3］，但切除過多組織可導(dǎo)致神經(jīng)損傷、切口感染、盆腔器官脫垂等并發(fā)癥［4］。因此，在提高根治性的基礎(chǔ)上，減少術(shù)后并發(fā)癥，成為新的研究方向，針對于腫瘤局限于一側(cè)直腸壁的特定病例，術(shù)中切除該側(cè)肛提肌，保留對側(cè)，可達(dá)到與ELAPE手術(shù)接近的腫瘤學(xué)效果［5］。有限元分析方法是一種新型生物力學(xué)測試方法，可逼真地模擬人體各組織的生物力學(xué)狀態(tài)。本研究通過比較3種模型在女性盆腔器官脫垂時(shí)的臨界腹壓狀態(tài)下的組織應(yīng)力，來探討對于特定病例保留單側(cè)肛提肌對于術(shù)后盆腔器官脫垂等盆底功能障礙性疾病的預(yù)防作用。

1 對象與方法

1.1 研究對象選擇21例身體健康，體型勻稱的未育女性志愿者，平均年齡27.2歲，簽署知情同意書后，均采用美國通用電氣（GE）醫(yī)療集團(tuán)生產(chǎn)的1.5 T磁共振掃描儀對其盆底組織進(jìn)行層厚為0.8 mm的超薄橫截面位磁共振掃描，始于膀胱中部，止于陰道外口，獲取MRI圖像保存為DICOM格式。

1.2 研究方法將1例志愿者DICOM格式數(shù)據(jù)導(dǎo)入MIM?ICS 10.01軟件，逐層選中肛提肌組織，生成肛提肌的三維立體幾何模型。將其導(dǎo)入GeoMagic Studio 12軟件，經(jīng)點(diǎn)階段和多邊形階段處理后，生成肛提肌的三維實(shí)體模型。再將其導(dǎo)入ANSYS Workbench 14.0軟件，在肛提肌下方生成盆底非肛提肌組織的等效模型后，對兩者進(jìn)行網(wǎng)格劃分并賦予文獻(xiàn)公認(rèn)的力學(xué)參數(shù)［6-8］，肛提肌的楊氏模量為0.95 MPa，泊松比為0.45，非肛提肌組織的楊氏模量為1.0 MPa，泊松比為0.49，得到正常模型，見圖1。隨后在正常模型的基礎(chǔ)上，分別切除完整和單側(cè)（右）的肛提肌組織，分別得到ELAPE模型和單側(cè)ELAPE模型，見圖2、3。對3種模型的外側(cè)緣，即與骨盆壁等結(jié)構(gòu)的連接處施加約束。再對3種模型施加垂直于上表面的均勻載荷，設(shè)定為女性盆腔器官脫垂時(shí)的臨界腹壓狀態(tài)。根據(jù)文獻(xiàn)［6，9-10］，盆腔器官脫垂時(shí)最大逼尿肌壓力為（38±14）cmH2O（1 cmH2O=0.098 kPa），腹壓漏尿點(diǎn)壓為（94±35）cmH2O，因此載荷大小設(shè)定為56 cmH2O。隨后同理對其余20例志愿者數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計(jì)算。觀察指標(biāo)：3種模型非肛提肌組織內(nèi)的最大應(yīng)力及單側(cè)ELAPE模型肛提肌保留側(cè)的最大應(yīng)力；正常模型及單側(cè)ELAPE模型肛提肌內(nèi)的最大應(yīng)力。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法利用SPSS 21.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析。計(jì)量資料數(shù)據(jù)以表示，多組間比較采用方差分析，多重比較行LSD-t檢驗(yàn)。2組間比較采用成組t檢驗(yàn)。檢驗(yàn)水準(zhǔn)為α=0.05。

2 結(jié)果

2.1 3種模型的基本數(shù)據(jù)本研究建立了3種生物力學(xué)模型，共63個(gè)，其中，正常模型平均包括899 680.8個(gè)節(jié)點(diǎn)，625 842.3個(gè)單元，ELAPE模型平均包括14 470.8個(gè)節(jié)點(diǎn)，14 362.0個(gè)單元，單側(cè)ELAPE模型包括456 579.0個(gè)節(jié)點(diǎn)，324 146.8個(gè)單元。

2.2 3種模型非肛提肌組織內(nèi)的應(yīng)力比較正常模型和ELAPE模型的非肛提肌組織內(nèi)的高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)的位置一致，均左右對稱地出現(xiàn)在兩側(cè)與周圍結(jié)構(gòu)的連接處，圖中由藍(lán)到紅為應(yīng)力逐漸升高，最大應(yīng)力均出現(xiàn)在左右兩側(cè)與前方結(jié)構(gòu)的連接處，見圖4、5。單側(cè)ELAPE模型的高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在肛提肌切除側(cè)與周圍結(jié)構(gòu)的連接處，最大應(yīng)力出現(xiàn)在該側(cè)與前方結(jié)構(gòu)的連接處，見圖6。正常模型、ELAPE模型、單側(cè)ELAPE模型的肛提肌切除側(cè)和保留側(cè)的最大應(yīng)力分別為（0.867 0±0.060 3）、（3.375 5±0.317 8）、（2.297 3±0.223 8）和（0.872 6±0.055 0）MPa，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（F=789.738，P＜0.05）。在肛提肌保留側(cè)，單側(cè)ELAPE模型非肛提肌組織內(nèi)的最大應(yīng)力低于ELAPE模型（P＜0.01），而與正常模型比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。在肛提肌切除側(cè)，其最大應(yīng)力也低于ELAPE模型，但高于正常模型；肛提肌保留側(cè)的整體應(yīng)力低于切除側(cè)（均P＜0.01）。

2.3 正常模型與單側(cè)ELAPE模型肛提肌內(nèi)的應(yīng)力比較正常模型的肛提肌內(nèi)的高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在左右兩側(cè)與周圍結(jié)構(gòu)的連接處，見圖7，最大應(yīng)力出現(xiàn)在左右兩側(cè)與前方結(jié)構(gòu)的連接處。單側(cè)ELAPE模型的肛提肌內(nèi)的高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在肛提肌保留側(cè)與周圍結(jié)構(gòu)的連接處，見圖8，最大應(yīng)力出現(xiàn)在該側(cè)與前方結(jié)構(gòu)的連接處。2個(gè)模型的最大應(yīng)力的平均值分別為（0.180 7±0.020 5）和（0.184 0±0.021 0）MPa，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=0.525，P＞0.05）。

3 討論

有限元分析方法基于影像學(xué)資料重建肛提肌的幾何結(jié)構(gòu)，可最大程度地保留組織的幾何學(xué)特征，還原組織的解剖學(xué)形態(tài)，使結(jié)果更加真實(shí)。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)生物力學(xué)方法通過表面應(yīng)變來計(jì)算內(nèi)部應(yīng)力的方式不同，有限元分析方法可直接測量肛提肌等組織的內(nèi)部應(yīng)力，有效地減小計(jì)算誤差，使結(jié)果更加精確。此外，有限元分析方法還具有無損傷、可重復(fù)、多工況等優(yōu)勢，均使其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。

隨著全直腸系膜切除（total mesorectal excision，TME）技術(shù)的廣泛應(yīng)用，直腸癌術(shù)后局部復(fù)發(fā)率顯著降低。由于直腸系膜向遠(yuǎn)端逐漸縮小，按照TME標(biāo)準(zhǔn)解剖間隙游離直腸，導(dǎo)致APR手術(shù)標(biāo)本形成狹窄的外科腰，此處切除組織較少，CRM陽性率和術(shù)中腸穿孔率較AR手術(shù)高，因而局部復(fù)發(fā)率較AR手術(shù)高［1-2］。近年來，Holm等［11-12］提出了一種新的術(shù)式，即切除全部肛提肌、直腸系膜和肛管，以降低CRM陽性率，稱為ELAPE或柱狀腹會陰聯(lián)合切除術(shù)（cy?lindrical abdominoperineal resection，CAPR）。肛提肌是人體盆底的重要組成結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)增強(qiáng)和提起盆底，承托盆腔器官。ELAPE手術(shù)于盆壁起始處切斷肛提肌，相比于傳統(tǒng)APR手術(shù)，增加了腫瘤周圍組織的切除量，降低了CRM陽性率，然而切除過多的盆底組織可導(dǎo)致神經(jīng)損傷、切口感染，甚至可導(dǎo)致盆腔器官脫垂等嚴(yán)重并發(fā)癥，特別是在女性患者中［4，6］，嚴(yán)重者可致腸梗阻，在男性患者中還可導(dǎo)致性功能障礙［5，13］。在本研究中，ELAPE模型的最大應(yīng)力顯著高于正常模型，通過兩者應(yīng)力云圖做定性分析，ELAPE模型的應(yīng)力也普遍高于正常模型。提示在完整切除肛提肌后，盆底非肛提肌組織的應(yīng)力明顯增加，推測術(shù)后發(fā)生盆腔器官脫垂的風(fēng)險(xiǎn)增加。除了直接縫合盆底以外，目前報(bào)道重建盆底的方法主要包括肌皮瓣重建、生物補(bǔ)片重建、網(wǎng)膜成形等方法，然而肌皮瓣重建的切口并發(fā)癥發(fā)生率較高［4，14］，生物補(bǔ)片重建雖然切口并發(fā)癥較前者低，但費(fèi)用昂貴［3，15］，網(wǎng)膜成形則可能出現(xiàn)網(wǎng)膜瓣出血、壞死及腹腔內(nèi)疝等罕見并發(fā)癥［16］，目前均存在較大爭議。

目前有研究認(rèn)為，針對于腫瘤局限于一側(cè)直腸壁的特定病例，施行個(gè)體化的單側(cè)ELAPE手術(shù)可達(dá)到與經(jīng)典ELAPE手術(shù)接近的CRM陽性率和術(shù)中腸穿孔率，且并發(fā)癥的發(fā)生率更低［5，17-18］。在本研究中，單側(cè)ELAPE模型肛提肌保留側(cè)的最大應(yīng)力與正常模型無顯著差異，肛提肌切除側(cè)則高于正常模型，單側(cè)ELAPE模型雙側(cè)的最大應(yīng)力均低于ELAPE模型，單側(cè)ELAPE模型肛提肌保留側(cè)的最大應(yīng)力低于肛提肌切除側(cè)。通過應(yīng)力云圖做定性分析，其趨勢與之大致相同。本結(jié)果提示保留單側(cè)的肛提肌對于盆底雙側(cè)的非肛提肌組織的應(yīng)力均有降低作用，在肛提肌保留側(cè)更為明顯，推測可降低術(shù)后發(fā)生盆腔器官脫垂的風(fēng)險(xiǎn)。此外，保留單側(cè)的肛提肌可保護(hù)該側(cè)坐骨直腸窩內(nèi)的神經(jīng)，有助于降低性功能障礙和排尿障礙等術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生率［5，18］。

由于肌肉組織的特殊性，本研究后續(xù)工作將進(jìn)一步考慮實(shí)驗(yàn)測定肛提肌的力學(xué)特性，提高計(jì)算精度，為臨床研究ELAPE及單側(cè)ELAPE手術(shù)等直腸術(shù)后生物力學(xué)改變提供更多的理論參考。

（圖1～8見插頁）

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（2014-12-01收稿2015-05-21修回）

（本文編輯魏杰）

Finite element analysis of the effect of unilateral extralevator abdominal-perineal excision on the pelvic floor

WANG Jiefu，LIU Jianzhong
Department of Colorectal Surgery，Tianjin Medical University Cancer Institute and Hospital，National Clinical Research Center for Cancer，Key Laboratory of Cancer Prevention and Therapy，Tianjin 300060，China

ObjectiveTo evaluate the effects of unilateral extralevator abdominal-perineal excision（ELAPE）surgery and the ELAPE surgery on the pelvic floor detected by finite element analysis.MethodsThree kinds of finite element mod?el were developed：the intact model，ELAPE model and the unilateral ELAPE model.The maximal stress and stress distribu?tions of each model under the same pressure were analyzed and compared.ResultsIn the unilateral ELAPE model，non-le?vator ani tissue's maximal stress on the levator ani reserved side was lower than that in ELAPE model，and was similar to that in the intact model.Its maximal stress on the excised side was lower than that in ELAPE model，and which was higher than that of intact model.Its maximal stress on the reserved side was lower than that of on the excised side.Conclusion Compared to the ELAPE surgery，the unilateral ELAPE surgery is able to reduce the stress of non-levator ani tissue on both sides，especially on the levator ani reserved side.

abdomen；perineum；pelvic floor；biomechanics；finite element analysis；ELAPE surgery

R615

A

10.11958/j.issn.0253-9896.2015.09.012

天津醫(yī)科大學(xué)腫瘤醫(yī)院結(jié)直腸腫瘤科，國家腫瘤臨床醫(yī)學(xué)研究中心，天津市“腫瘤防治”重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（郵編300060）

王捷夫（1987），男，博士，主要從事結(jié)直腸腫瘤及盆底生物力學(xué)方面研究