個體化經(jīng)肛提肌外腹會陰聯(lián)合切除術(shù)治療低位直腸后壁腫瘤對盆底影響的有限元分析*

郭建生 陳柯蓉 劉嘉 戰(zhàn)陽 鄭磊 胡冬至 田斐 孔大陸 王捷夫

有研究顯示經(jīng)肛提肌外腹會陰聯(lián)合切除術(shù)（ex?tralevator abdominoperineal excision，ELAPE）切除了全部肛提肌、直腸系膜和肛管，擴大了腫瘤周圍組織的切除范圍，可降低術(shù)中腸穿孔（intra-operative perforation，IOP）率、環(huán)周切緣（circumferential resection margin，CRM）陽性率，從而降低直腸腫瘤局部復(fù)發(fā)率，腫瘤根治性得到有效的提高［1-2］。然而，隨著切除范圍的擴大，盆底疝等并發(fā)癥的發(fā)生也隨之增加［3-4］。因此，在提高腫瘤根治性的基礎(chǔ)上，針對不同病例采取減少肛提肌切除范圍的個體化ELAPE術(shù)，從而降低盆底所承受的組織應(yīng)力、減少術(shù)后盆底疝等并發(fā)癥的發(fā)生成為新的研究方向［5-8］。有限元分析是一種新型生物力學研究方法，可逼真地模擬各組織的生物力學狀態(tài)。本研究就低位直腸后壁腫瘤的病例模擬了一種保留全部恥骨陰道肌、直腸前方的部分恥骨直腸肌與恥尾肌的個體化ELAPE術(shù)，并建立了3種相關(guān)的有限元模型，通過模擬各模型在發(fā)生盆底疝時臨界腹壓下的各組織應(yīng)力來探討該個體化ELAPE術(shù)對降低術(shù)后盆底應(yīng)力的作用。

1 材料與方法

1.1 研究對象

選取2014年7月至2015年1月天津醫(yī)科大學腫瘤醫(yī)院招募的身體健康且體型勻稱的未育女性志愿者27例，年齡23～32歲，平均年齡（25.9±2.1）歲，均簽署知情同意書，并通過天津醫(yī)科大學腫瘤醫(yī)院倫理委員會審批。采用1.5 T核磁共振（MRI）掃描儀（購于美國通用電氣醫(yī)療集團）對志愿者盆底組織進行始于膀胱中部、止于陰道外口的層厚為0.8 mm的超薄橫截面位磁共振掃描，并將獲取的MRI圖像保存為DICOM格式。

1.2 方法

1.2.1 個體化ELAPE術(shù) 針對腫瘤局限于低位直腸后壁的病例［5-6］，其前部的切除平面應(yīng)盡可能的貼近直腸，保留全部恥骨陰道肌、直腸前方的部分恥骨直腸肌與恥尾肌，其腫瘤學預(yù)后與經(jīng)典ELAPE術(shù)接近，而切除肛提肌組織則更少。

1.2.2 有限元模型的建立 將1例志愿者DICOM格式數(shù)據(jù)導入MIMICS 10.01軟件（購于比利時Materialise公司），逐層選中肛提肌組織，生成肛提肌的三維幾何模型。將其導入GeoMagic Studio 12軟件（購于美國Geomagic公司），經(jīng)點階段和多邊形階段處理后，生成肛提肌的實體模型。再將其導入ANSYS Workbench 14.0軟件（購于美國ANSYS公司），在肛提肌下方生成盆底非肛提肌組織的等效模型后，對兩者進行網(wǎng)格劃分并賦予文獻公認的力學參數(shù)［9-11］，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，將各模型之間的接觸關(guān)系定義為面-面綁定接觸，接觸行為設(shè)置為反對稱約束，接觸面單元類型為Contact 174，目標面的單元類型為Target 170，得到正常模型（圖1A）。

隨后在正常模型的基礎(chǔ)上，完整切除肛提肌組織，得到ELAPE模型（圖1B）；同樣在正常模型的基礎(chǔ)上，按照前述個體化ELAPE術(shù)部分切除肛提肌組織，得到個體化ELAPE模型（圖1C）。對3種模型的外側(cè)緣，即與盆壁等結(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)定為女性盆底疝時的臨界腹壓。盆底疝時最大逼尿肌壓力為（38±14）cm H2O（1 cm H2O=0.098 kPa），腹壓漏尿點壓為（94±35）cm H2O，因此載荷大小設(shè)定為56 cm H2O［9-11］。隨后同理對其余26例志愿者數(shù)據(jù)進行處理和計算。

圖1 3種有限元模型Figure 1 Three types of finite element models

觀察指標為3種模型非肛提肌組織內(nèi)的最大應(yīng)力；正常模型及個體化ELAPE模型肛提肌內(nèi)的最大應(yīng)力。

1.3 統(tǒng)計學分析

采用SPSS 21.0軟件進行統(tǒng)計學分析。符合正態(tài)分布的計量資料數(shù)據(jù)以表示，多組間比較采用方差分析，組間多重比較行LSD-t檢驗。兩組間比較采用配對t檢驗。檢驗水準為α=0.05。以P＜0.05為差異具有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

2.1 3種模型的基本數(shù)據(jù)

本研究建立3種有限元模型，共81個，其中正常模型平均包括（470 434.1±18 210.9）個節(jié)點，（328 763.1±16 412.1）個單元；ELAPE模型平均包括（10 912.1±885.2）個節(jié)點，（10 390.5±826.8）個單元；個體化ELAPE模型包括（198 998.8±4 385.1）個節(jié)點，（137 408.3±2 166.9）個單元。

2.2 3種模型非肛提肌組織內(nèi)的應(yīng)力比較

三者的高應(yīng)力區(qū)均出現(xiàn)在盆底左右兩側(cè)與骨盆內(nèi)側(cè)壁的連接處，圖中由藍到紅為應(yīng)力逐漸升高，最大應(yīng)力均出現(xiàn)在左右兩側(cè)最前端與恥骨連接處，正常模型、ELAPE模型及個體化ELAPE模型的最大應(yīng)力分別為（1.963±0.061）、（5.127±0.070）、（3.667±0.126）MPa（F=8 244.731，P＜0.01），個體化ELAPE模型最大應(yīng)力低于ELAPE模型，但高于正常模型（均P＜0.01），通過應(yīng)力云圖對整體應(yīng)力進行定性分析，其趨勢與之大致相同（圖2）。

2.3 正常模型與個體化ELAPE模型肛提肌內(nèi)的應(yīng)力比較

兩者的高應(yīng)力區(qū)均出現(xiàn)在左右兩側(cè)與肛提肌腱弓連接處的前部，最大應(yīng)力均出現(xiàn)在左右兩側(cè)最前端與恥骨連接處，后者的最大應(yīng)力（1.437±0.043）MPa高于前者（0.812±0.042）MPa（t=63.154，P＜0.01），通過應(yīng)力云圖對整體應(yīng)力做定性分析，其趨勢與之大致相同（圖3）。

圖2 3種模型非肛提肌組織內(nèi)的應(yīng)力云圖Figure 2 Stress nephogram of the non levator ani tissue in three types of finite element models

圖3 正常模型和個體化ELAPE模型肛提肌內(nèi)的應(yīng)力云圖Figure 3 Stress nephogram of the levator ani in intact models and individual ELAPE models

3 討論

按照全直腸系膜切除標準來解剖間隙游離直腸時，隨著直腸系膜向遠端逐漸縮小，腹會陰聯(lián)合切除術(shù)（abdominoperineal resection，APR）的標本將必然形成狹窄的外科腰，致APR術(shù)IOP率和CRM陽性率較前切除（anterior resection，AR）術(shù)高，因而局部復(fù)發(fā)率較AR術(shù)高［1-2］。ELAPE術(shù)通過切除全部肛提肌、直腸系膜和肛管，較APR術(shù)降低了IOP率和CRM陽性率［1-2］。然而，肛提肌是增強和提起盆底的重要結(jié)構(gòu)，ELAPE術(shù)于盆壁起始處切斷肛提肌，除了會增加切口感染、神經(jīng)損傷的發(fā)生率外，也會導致術(shù)后盆底組織內(nèi)的應(yīng)力增加，甚至可能發(fā)生盆底疝等嚴重并發(fā)癥［3-4］，而肌皮瓣重建［12-13］、生物補片重建［14-15］等盆底疝預(yù)防措施目前仍存在爭議。

目前有研究認為，針對特定病例施行個體化ELAPE術(shù)可達到與經(jīng)典ELAPE術(shù)接近的IOP率和CRM陽性率，且并發(fā)癥發(fā)生率更低［5-6］。然而目前的臨床觀察研究在充分證實了個體化ELAPE術(shù)的腫瘤學預(yù)后的同時，并未對每種個體化術(shù)式進行逐一的分類研究；且關(guān)于其生物力學機制的研究亦少見。因此，本課題組利用有限元分析對各種個體化ELA?PE術(shù)后的盆底生物力學特點進行研究。

本課題組在之前的研究中發(fā)現(xiàn)，ELAPE模型的最大應(yīng)力顯著高于正常模型，提示在完整切除肛提肌后，非肛提肌組織內(nèi)的應(yīng)力顯著增加，推測術(shù)后發(fā)生盆底疝的風險增加［7］；而部分針對特定病例采取的個體化ELAPE術(shù)可降低非肛提肌組織內(nèi)的應(yīng)力，推測可降低術(shù)后發(fā)生盆底疝的風險［8］。

在本研究中，針對腫瘤局限于低位直腸后壁的病例，保留全部恥骨陰道肌、直腸前方的部分恥骨直腸肌與恥尾肌的個體化ELAPE模型的非肛提肌組織內(nèi)最大應(yīng)力低于ELAPE模型，整體應(yīng)力趨勢與之相同，提示該術(shù)對于盆底非肛提肌組織內(nèi)的應(yīng)力有降低作用，推測該個體化ELAPE術(shù)可降低術(shù)后盆底疝的風險。其最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置與ELAPE術(shù)相同，同樣在左右兩側(cè)最前端與恥骨連接處，提示該處仍然為發(fā)生盆底疝的高危區(qū)域，故針對這類病例保留全部恥骨陰道肌、直腸前方的部分恥骨直腸肌與恥尾肌十分重要。該個體化ELAPE模型的肛提肌內(nèi)最大應(yīng)力高于正常模型，提示所保留的肛提肌在術(shù)后對該區(qū)域仍能起到一定的支持作用，再次驗證了該個體化ELAPE術(shù)對于盆底非肛提肌組織內(nèi)應(yīng)力的降低作用，提示其可降低術(shù)后盆底疝的風險。

本研究是一項生物力學研究，其結(jié)果是對臨床觀察研究的細化和補充，并探索其生物力學機制。本組結(jié)果提示針對腫瘤局限于直腸后壁的病例，保留全部恥骨陰道肌、直腸前方的部分恥骨直腸肌與恥尾肌的個體化ELAPE術(shù)較經(jīng)典ELAPE術(shù)具備生物力學的優(yōu)勢，可在臨床上推廣。本研究僅就腫瘤局限于直腸后壁的病例模擬了一種個體化ELAPE術(shù)，目前還存在多種改良ELAPE術(shù)，以及肌皮瓣重建、生物補片重建等手術(shù)方式，本課題組后續(xù)也將進一步針對其他改良ELAPE術(shù)進行生物力學研究。

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