基于有限元模型探討消痔靈注射液對直腸黏膜內(nèi)脫垂型排便困難的作用機制

柯敏輝，李雪玉，鄭霞霞，鄭鳴霄

（福建中醫(yī)藥大學附屬第二人民醫(yī)院，福建 福州350003）

直腸黏膜內(nèi)脫垂（internal rectal prolapsed，IRP）是誘發(fā)出口梗阻型便秘的常見病因之一，多有排便困難、排便不盡感、肛門墜脹感等臨床表現(xiàn)，且癥狀的輕重與內(nèi)脫垂程度呈正比。隨著人口老年化不斷加劇，IRP發(fā)病率也逐年升高，嚴重影響人們的生活質(zhì)量［1-4］。消痔靈注射術具有費用低廉、操作簡便、創(chuàng)傷小等優(yōu)點［5］，是目前應用較廣的治療方法。本團隊前期研究證明直腸組織生物力學性質(zhì)的改變是消痔靈注射治療IRP的機制之一［6］，故而本研究將基于有限元模型進行直腸黏膜的生物力學分析，探討消痔靈注射液對IRP型排便困難的可能作用機制，現(xiàn)將結(jié)果報告如下。

1 實驗材料

1.1 實驗動物1月齡健康新西蘭兔，體質(zhì)量0.7～0.8 kg，雄性，分別編號，由上海松聯(lián)實驗動物養(yǎng)殖場提供，許可證號：SCXK（滬）2017-0008，實驗期間飼養(yǎng)于福建省中醫(yī)藥科學院比較醫(yī)學研究中心動物房。

1.2 實驗藥品 消痔靈注射液（吉林省集安益盛藥業(yè)股份有限公司）；0.5%利多卡因注射液（浙江誠意藥業(yè)有限公司）；無水酒精（上海南翔試劑有限公司）；生大黃液、番瀉葉液由福建中醫(yī)藥大學附屬第二人民醫(yī)院提供。

1.3 實驗儀器AGIC-20KN萬能材料試驗機（日本島津公司）；JXB-D 50倍讀數(shù)顯微鏡（上海長方光學儀器有限公司）；SUPER-SAP有限元軟件（美國ALGOR公司）。

2 實驗方法

2.1 分組 將90只兔按隨機數(shù)字表法分為空白組、模型組和治療組，每組各30只，各組再隨機分為20、40、60 d組各10只。

2.2 造模 空白組兔正常飼養(yǎng)，模型組和治療組均需進行IRP兔造模。參照文獻［7］中IRP兔造模方法與評定標準，采用中藥生大黃液和番瀉葉液灌胃、站立與無水酒精肛周注射聯(lián)合造模，并選取造模時間為20、40、60 d分別對應直腸黏膜內(nèi)脫垂的初期、中期和晚期。具體操作如下：①中藥灌胃：根據(jù)兔糞便質(zhì)調(diào)節(jié)大黃與番瀉葉灌胃量，運用12號硅膠管灌胃致兔緩瀉，各組分別連續(xù)灌胃20、40、60 d。②兔站立：將兔置于與其腹圍相近、高度是兔長度3倍的圓筒塑料管中，將塑料管斜置，兔后肢末端能接觸地面，造模前2周每只兔每日站立4 h，造模期間每日站立6 h，各組分別連續(xù)站立20、40、60 d。③無水酒精肛周注射：在中藥灌胃前1天，將兔固定，碘伏消毒兔肛周組織，于截石位3、9點距肛緣0.5 cm，平行于肛管方向注射，每點無水酒精注射量0.3 mL（注射前需回抽，勿將藥液注入血管，注射深度以1 cm為宜）。

2.3 干預 空白組與模型組予正常飼養(yǎng)，治療組造模后進行消痔靈注射術。消痔靈注射術操作：術前常規(guī)肛周備皮，水合氯醛兔耳緣靜脈麻醉后，固定四肢取仰臥位，常規(guī)碘伏消毒肛周及直腸黏膜后鋪無菌洞巾，緩慢納入涂有凡士林的肛門鏡（兩葉內(nèi)窺鏡），暴露兔直腸黏膜，用2.5 mL注射器抽取1∶1消痔靈注射液（消痔靈10 mL與0.5%利多卡因10 mL配置），于不同點位的脫垂黏膜處，沿平行于肛管直腸方向，以5號長針頭于脫垂隆起中點位置進針（黏膜下層處），回抽無血液后，注入消痔靈至黏膜呈蒼白充盈為度，每點注射0.2～0.5 mL，注射總量0.8～1.5 mL，注射完畢棉簽納入肛內(nèi)按摩，使藥液均勻充分吸收。術畢，消毒肛周及直腸黏膜，將兔送回兔籠。

2.4 標本取材 治療組術后正常飼養(yǎng)10 d后與空白組和模型組同時取材。水合氯醛兔耳緣靜脈麻醉后，以組織剪于IRP兔肛門直腸外緣周圍分離出直腸，沿直腸縱軸取部分直腸組織，用特制刀片清除直腸黏膜層與黏膜下層以外的組織后，制成長10 mm、寬2 mm的標本。

2.5 檢測方法與指標 參照文獻［8］，先通過萬能材料試驗機和50倍讀數(shù)顯微鏡測算出標本的楊氏彈性模量、泊松比與剪切彈性模量等力學指標，再將數(shù)據(jù)輸入由SUPER-SAP有限元軟件建立的兔肛門直腸有限元模型（該模型由15層平面圖組成，內(nèi)含1 342個單元、1 800個節(jié)點），設定施加1 N方向平行于直腸黏膜表面與垂直向下的力，計算出肛管直腸角平面附近不同節(jié)點在直腸縱軸的綜合應力與位移量。節(jié)點選擇：①肛管直腸角平面的節(jié)點，在第11層于腹側(cè)、中間位與背側(cè)選擇同一橫斷位不同冠狀位的3個節(jié)點，分別對應為651、657與663節(jié)點；②肛管直腸角平面上層的節(jié)點，在第14層（黏膜內(nèi)脫垂相對顯著處）于腹側(cè)、中間位與背側(cè)選擇同一橫斷位不同冠狀位的3個節(jié)點，分別對應為846、852與858節(jié)點，具體節(jié)點位置見圖1。

圖1 兔肛門直腸有限元模型圖

2.6 統(tǒng)計學方法 采用SPSS 21.0統(tǒng)計學軟件進行數(shù)據(jù)處理。計量資料符合正態(tài)分布以（x±s）表示，采用t檢驗；計數(shù)資料采用χ2檢驗。

3 結(jié) 果

3.1 3 組在肛管直腸角平面附近不同節(jié)點的綜合應力比較 見表1與表2。

表1 3組在第11層的綜合應力比較（x±s）MPa

表2 3組在第14層的綜合應力比較（x±s）MPa

3.2 3 組在肛管直腸角平面附近不同節(jié)點的位移量比較 見表3和表4。

表3 3組在第11層的位移量比較（x±s）mm

表4 3組在第14層的位移量比較（x±s）mm

4 討 論

IRP是指排便時近心側(cè)直腸黏膜全部或部分折入遠心側(cè)直腸腔或肛管內(nèi)而不出肛門［9］，屬中醫(yī)學“脫肛”范疇，主要病機為氣虛下陷，固攝失職［10］。消痔靈注射液主要作用成分為五倍子、明礬，二者味酸、澀，依據(jù)“酸可收斂，澀可固脫”的特性，從而具有收斂、固脫的作用［11-12］，治療IRP的療效顯著［13-14］。目前對消痔靈作用機制的研究，主要從組織結(jié)構(gòu)改變方向研究，認為消痔靈通過注射至直腸黏膜下層，因其產(chǎn)生的無菌性炎癥使周圍組織發(fā)生纖維化，進而脫垂的黏膜與肌層粘連固定，使直腸黏膜復位，解除梗阻因素，從而起到治療作用［15-16］。而今尚未有從生物力學角度分析消痔靈治療IRP型便秘的作用機制，這也是本次實驗的研究目的。

在排便過程中，直腸及周圍組織的協(xié)同作用促使糞便向下移動，但因糞便與直腸黏膜緊密接觸，彼此間產(chǎn)生向上的阻力，即摩擦力，而綜合應力是指截面單位面積上（節(jié)點）的摩擦力之和［17］。當糞便與直腸間的綜合應力增大，為使糞便順利排出，則需要加大排便作用力，因而患者感覺排便困難。而摩擦力的大小與摩擦系數(shù)密切相關，參考《理論力學》中關于“庫侖摩擦定律”的論述［18］，即兩個相互接觸的物體，其中一個物體的彈性模量增大，那么它們之間的摩擦系數(shù)減小，使另一個物體更容易通過其表面；反之，彈性模量減小，摩擦系數(shù)增大，兩物體之間更難移動。根據(jù)此理論，通過改變直腸黏膜的彈性模量，可影響節(jié)點綜合應力的大小。前期研究結(jié)果顯示，造模后直腸黏膜的彈性模量減少，而在消痔靈注射后彈性模量增大；并且，直腸黏膜的位移量與彈性模量呈負相關，而位移量的變化也反應了脫垂的輕重程度，位移量增大，脫垂病情加重，位移量減少，脫垂病情好轉(zhuǎn)［19-20］。本研究結(jié)果顯示，與空白組比較，造模后直腸黏膜的位移量均增大，651節(jié)點的綜合應力降低，其余節(jié)點的綜合應力均升高。其中651節(jié)點位于肛管直腸角腹側(cè)轉(zhuǎn)折點，其促進排便的作用力與摩擦力方向一致，當651節(jié)點的綜合用力下降，排便推力也下降；其余節(jié)點的綜合應力升高表示相較于正常兔，IRP兔排便時阻力更高，糞便更難排出。而在消痔靈注射治療IRP兔后，直腸黏膜的位移量均減少，降低的綜合應力（651節(jié)點）出現(xiàn)升高，其余節(jié)點的綜合應力均降低，即治療后排便推力升高，阻力下降，糞便更容易通過直腸，因而便秘癥狀得到改善。

本研究還發(fā)現(xiàn)，IRP兔經(jīng)過消痔靈注射液治療后大多數(shù)節(jié)點的生物力學表現(xiàn)較空白組更優(yōu)，這也表明消痔靈近期的治療效果較好。但仍有少數(shù)節(jié)點高于空白組，如治療組在20 d和40 d的852節(jié)點綜合應力高于空白組；治療組與空白組在60 d的858節(jié)點綜合應力差異無統(tǒng)計學意義，846和852節(jié)點綜合應力高于空白組。其結(jié)果表明，消痔靈的療效在不同節(jié)點有差異，這可能與注射的方法、部位、劑量等因素有關，或可影響后期的復發(fā)情況，因而對消痔靈的注射技術有一定要求，也可結(jié)合生物力學引導臨床治療，有利于提高療效和降低復發(fā)率。因研究時間限制，本研究尚無法比較消痔靈的遠期療效，尚待后續(xù)深入探索。

空白組不同造模時間的各節(jié)點綜合應力及位移量的比較，651節(jié)點的綜合應力比較為20 d＜40 d＜60 d，其余節(jié)點的綜合應力及位移量比較為60 d＜40 d＜20 d。因?qū)嶒炂陂g兔年齡為1～3個月，相當于人的1～10歲兒童階段，直腸組織還處于生長發(fā)育期［17］，所以651節(jié)點的綜合應力呈增長趨勢，其他節(jié)點的綜合應力和位移量呈下降趨勢。并且在造模后或治療后，其相關生物力學指標仍呈增長或下降趨勢，但在造模后期因直腸黏膜層出現(xiàn)重度炎細胞浸潤、黏膜下層血管重度擴張等病理改變，直腸黏膜的彈性模量下降趨勢大于增長趨勢［24］。而不同造模時間模型組的651節(jié)點綜合應力比較為20 d＜60 d＜40 d，其他節(jié)點的綜合應力及位移量比較為40 d＜60 d＜20 d，其中20 d組651節(jié)點綜合應力最低，但其余節(jié)點的綜合應力和位移量最高，40 d組的情況正好相反，這也解釋了建立IRP兔模型的時長為何選擇60 d。同時，不同造模時間治療組651節(jié)點的綜合應力比較為20 d＜40 d＜60 d，其余節(jié)點的綜合應力及位移量比較為60 d＜40 d＜20 d，即結(jié)合直腸的生長發(fā)育因素，消痔靈的治療效果逐漸提高?；诖耍瑢τ谇嗌倌陜和腎RP患者，或可考慮優(yōu)先選擇消痔靈注射療法，不僅治療效果顯著，還可避免其他術式對直腸結(jié)構(gòu)、功能的損傷。因本次實驗未有中老年階段動物，對驗證消痔靈治療中老年患者的療效方面有一定局限性。

基于有限元模型分析直腸黏膜的生物力學變化，為造模后脫垂情況和治療后恢復情況提供客觀指標，因IRP患者排便費力、排便不盡感及肛門墜脹等癥多為患者主觀感受，而實驗動物無法自由表達，若需研究某方法對IRP的治療效果，可從調(diào)節(jié)直腸的生物力學指標方向研究。

綜上所述，消痔靈對IRP兔有較好的療效，其作用機制可能是通過調(diào)節(jié)直腸組織的力學性質(zhì)來緩解排便困難、排便不盡感、肛門墜脹感等癥狀，起到治療IRP型排便困難的作用。