个体化经肛提肌外腹会阴联合切除术治疗低位直肠后壁肿瘤对盆底影响的有限元分析*

郭建生 陈柯蓉 刘嘉 战阳 郑磊 胡冬至 田斐 孔大陆 王捷夫

有研究显示经肛提肌外腹会阴联合切除术（ex⁃tralevator abdominoperineal excision，ELAPE）切除了全部肛提肌、直肠系膜和肛管，扩大了肿瘤周围组织的切除范围，可降低术中肠穿孔（intra-operative perforation，IOP）率、环周切缘（circumferential resection margin，CRM）阳性率，从而降低直肠肿瘤局部复发率，肿瘤根治性得到有效的提高［1-2］。然而，随着切除范围的扩大，盆底疝等并发症的发生也随之增加［3-4］。因此，在提高肿瘤根治性的基础上，针对不同病例采取减少肛提肌切除范围的个体化ELAPE术，从而降低盆底所承受的组织应力、减少术后盆底疝等并发症的发生成为新的研究方向［5-8］。有限元分析是一种新型生物力学研究方法，可逼真地模拟各组织的生物力学状态。本研究就低位直肠后壁肿瘤的病例模拟了一种保留全部耻骨阴道肌、直肠前方的部分耻骨直肠肌与耻尾肌的个体化ELAPE术，并建立了3种相关的有限元模型，通过模拟各模型在发生盆底疝时临界腹压下的各组织应力来探讨该个体化ELAPE术对降低术后盆底应力的作用。

1 材料与方法

1.1 研究对象

选取2014年7月至2015年1月天津医科大学肿瘤医院招募的身体健康且体型匀称的未育女性志愿者27例，年龄23～32岁，平均年龄（25.9±2.1）岁，均签署知情同意书，并通过天津医科大学肿瘤医院伦理委员会审批。采用1.5 T核磁共振（MRI）扫描仪（购于美国通用电气医疗集团）对志愿者盆底组织进行始于膀胱中部、止于阴道外口的层厚为0.8 mm的超薄横截面位磁共振扫描，并将获取的MRI图像保存为DICOM格式。

1.2 方法

1.2.1 个体化ELAPE术 针对肿瘤局限于低位直肠后壁的病例［5-6］，其前部的切除平面应尽可能的贴近直肠，保留全部耻骨阴道肌、直肠前方的部分耻骨直肠肌与耻尾肌，其肿瘤学预后与经典ELAPE术接近，而切除肛提肌组织则更少。

1.2.2 有限元模型的建立 将1例志愿者DICOM格式数据导入MIMICS 10.01软件（购于比利时Materialise公司），逐层选中肛提肌组织，生成肛提肌的三维几何模型。将其导入GeoMagic Studio 12软件（购于美国Geomagic公司），经点阶段和多边形阶段处理后，生成肛提肌的实体模型。再将其导入ANSYS Workbench 14.0软件（购于美国ANSYS公司），在肛提肌下方生成盆底非肛提肌组织的等效模型后，对两者进行网格划分并赋予文献公认的力学参数［9-11］，肛提肌的杨氏模量为0.95 MPa、泊松比为0.45，非肛提肌组织的杨氏模量为1.0 MPa、泊松比为0.49，将各模型之间的接触关系定义为面-面绑定接触，接触行为设置为反对称约束，接触面单元类型为Contact 174，目标面的单元类型为Target 170，得到正常模型（图1A）。

随后在正常模型的基础上，完整切除肛提肌组织，得到ELAPE模型（图1B）；同样在正常模型的基础上，按照前述个体化ELAPE术部分切除肛提肌组织，得到个体化ELAPE模型（图1C）。对3种模型的外侧缘，即与盆壁等结构的连接处施加约束。再对3种模型施加垂直于上表面的均匀载荷，设定为女性盆底疝时的临界腹压。盆底疝时最大逼尿肌压力为（38±14）cm H2O（1 cm H2O=0.098 kPa），腹压漏尿点压为（94±35）cm H2O，因此载荷大小设定为56 cm H2O［9-11］。随后同理对其余26例志愿者数据进行处理和计算。

图1 3种有限元模型Figure 1 Three types of finite element models

观察指标为3种模型非肛提肌组织内的最大应力；正常模型及个体化ELAPE模型肛提肌内的最大应力。

1.3 统计学分析

采用SPSS 21.0软件进行统计学分析。符合正态分布的计量资料数据以表示，多组间比较采用方差分析，组间多重比较行LSD-t检验。两组间比较采用配对t检验。检验水准为α=0.05。以P＜0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 3种模型的基本数据

本研究建立3种有限元模型，共81个，其中正常模型平均包括（470 434.1±18 210.9）个节点，（328 763.1±16 412.1）个单元；ELAPE模型平均包括（10 912.1±885.2）个节点，（10 390.5±826.8）个单元；个体化ELAPE模型包括（198 998.8±4 385.1）个节点，（137 408.3±2 166.9）个单元。

2.2 3种模型非肛提肌组织内的应力比较

三者的高应力区均出现在盆底左右两侧与骨盆内侧壁的连接处，图中由蓝到红为应力逐渐升高，最大应力均出现在左右两侧最前端与耻骨连接处，正常模型、ELAPE模型及个体化ELAPE模型的最大应力分别为（1.963±0.061）、（5.127±0.070）、（3.667±0.126）MPa（F=8 244.731，P＜0.01），个体化ELAPE模型最大应力低于ELAPE模型，但高于正常模型（均P＜0.01），通过应力云图对整体应力进行定性分析，其趋势与之大致相同（图2）。

2.3 正常模型与个体化ELAPE模型肛提肌内的应力比较

两者的高应力区均出现在左右两侧与肛提肌腱弓连接处的前部，最大应力均出现在左右两侧最前端与耻骨连接处，后者的最大应力（1.437±0.043）MPa高于前者（0.812±0.042）MPa（t=63.154，P＜0.01），通过应力云图对整体应力做定性分析，其趋势与之大致相同（图3）。

图2 3种模型非肛提肌组织内的应力云图Figure 2 Stress nephogram of the non levator ani tissue in three types of finite element models

图3 正常模型和个体化ELAPE模型肛提肌内的应力云图Figure 3 Stress nephogram of the levator ani in intact models and individual ELAPE models

3 讨论

按照全直肠系膜切除标准来解剖间隙游离直肠时，随着直肠系膜向远端逐渐缩小，腹会阴联合切除术（abdominoperineal resection，APR）的标本将必然形成狭窄的外科腰，致APR术IOP率和CRM阳性率较前切除（anterior resection，AR）术高，因而局部复发率较AR术高［1-2］。ELAPE术通过切除全部肛提肌、直肠系膜和肛管，较APR术降低了IOP率和CRM阳性率［1-2］。然而，肛提肌是增强和提起盆底的重要结构，ELAPE术于盆壁起始处切断肛提肌，除了会增加切口感染、神经损伤的发生率外，也会导致术后盆底组织内的应力增加，甚至可能发生盆底疝等严重并发症［3-4］，而肌皮瓣重建［12-13］、生物补片重建［14-15］等盆底疝预防措施目前仍存在争议。

目前有研究认为，针对特定病例施行个体化ELAPE术可达到与经典ELAPE术接近的IOP率和CRM阳性率，且并发症发生率更低［5-6］。然而目前的临床观察研究在充分证实了个体化ELAPE术的肿瘤学预后的同时，并未对每种个体化术式进行逐一的分类研究；且关于其生物力学机制的研究亦少见。因此，本课题组利用有限元分析对各种个体化ELA⁃PE术后的盆底生物力学特点进行研究。

本课题组在之前的研究中发现，ELAPE模型的最大应力显著高于正常模型，提示在完整切除肛提肌后，非肛提肌组织内的应力显著增加，推测术后发生盆底疝的风险增加［7］；而部分针对特定病例采取的个体化ELAPE术可降低非肛提肌组织内的应力，推测可降低术后发生盆底疝的风险［8］。

在本研究中，针对肿瘤局限于低位直肠后壁的病例，保留全部耻骨阴道肌、直肠前方的部分耻骨直肠肌与耻尾肌的个体化ELAPE模型的非肛提肌组织内最大应力低于ELAPE模型，整体应力趋势与之相同，提示该术对于盆底非肛提肌组织内的应力有降低作用，推测该个体化ELAPE术可降低术后盆底疝的风险。其最大应力出现的位置与ELAPE术相同，同样在左右两侧最前端与耻骨连接处，提示该处仍然为发生盆底疝的高危区域，故针对这类病例保留全部耻骨阴道肌、直肠前方的部分耻骨直肠肌与耻尾肌十分重要。该个体化ELAPE模型的肛提肌内最大应力高于正常模型，提示所保留的肛提肌在术后对该区域仍能起到一定的支持作用，再次验证了该个体化ELAPE术对于盆底非肛提肌组织内应力的降低作用，提示其可降低术后盆底疝的风险。

本研究是一项生物力学研究，其结果是对临床观察研究的细化和补充，并探索其生物力学机制。本组结果提示针对肿瘤局限于直肠后壁的病例，保留全部耻骨阴道肌、直肠前方的部分耻骨直肠肌与耻尾肌的个体化ELAPE术较经典ELAPE术具备生物力学的优势，可在临床上推广。本研究仅就肿瘤局限于直肠后壁的病例模拟了一种个体化ELAPE术，目前还存在多种改良ELAPE术，以及肌皮瓣重建、生物补片重建等手术方式，本课题组后续也将进一步针对其他改良ELAPE术进行生物力学研究。

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