基于有限元模型探讨消痔灵注射液对直肠黏膜内脱垂型排便困难的作用机制

柯敏辉，李雪玉，郑霞霞，郑鸣霄

（福建中医药大学附属第二人民医院，福建 福州350003）

直肠黏膜内脱垂（internal rectal prolapsed，IRP）是诱发出口梗阻型便秘的常见病因之一，多有排便困难、排便不尽感、肛门坠胀感等临床表现，且症状的轻重与内脱垂程度呈正比。随着人口老年化不断加剧，IRP发病率也逐年升高，严重影响人们的生活质量［1-4］。消痔灵注射术具有费用低廉、操作简便、创伤小等优点［5］，是目前应用较广的治疗方法。本团队前期研究证明直肠组织生物力学性质的改变是消痔灵注射治疗IRP的机制之一［6］，故而本研究将基于有限元模型进行直肠黏膜的生物力学分析，探讨消痔灵注射液对IRP型排便困难的可能作用机制，现将结果报告如下。

1 实验材料

1.1 实验动物1月龄健康新西兰兔，体质量0.7～0.8 kg，雄性，分别编号，由上海松联实验动物养殖场提供，许可证号：SCXK（沪）2017-0008，实验期间饲养于福建省中医药科学院比较医学研究中心动物房。

1.2 实验药品 消痔灵注射液（吉林省集安益盛药业股份有限公司）；0.5%利多卡因注射液（浙江诚意药业有限公司）；无水酒精（上海南翔试剂有限公司）；生大黄液、番泻叶液由福建中医药大学附属第二人民医院提供。

1.3 实验仪器AGIC-20KN万能材料试验机（日本岛津公司）；JXB-D 50倍读数显微镜（上海长方光学仪器有限公司）；SUPER-SAP有限元软件（美国ALGOR公司）。

2 实验方法

2.1 分组 将90只兔按随机数字表法分为空白组、模型组和治疗组，每组各30只，各组再随机分为20、40、60 d组各10只。

2.2 造模 空白组兔正常饲养，模型组和治疗组均需进行IRP兔造模。参照文献［7］中IRP兔造模方法与评定标准，采用中药生大黄液和番泻叶液灌胃、站立与无水酒精肛周注射联合造模，并选取造模时间为20、40、60 d分别对应直肠黏膜内脱垂的初期、中期和晚期。具体操作如下：①中药灌胃：根据兔粪便质调节大黄与番泻叶灌胃量，运用12号硅胶管灌胃致兔缓泻，各组分别连续灌胃20、40、60 d。②兔站立：将兔置于与其腹围相近、高度是兔长度3倍的圆筒塑料管中，将塑料管斜置，兔后肢末端能接触地面，造模前2周每只兔每日站立4 h，造模期间每日站立6 h，各组分别连续站立20、40、60 d。③无水酒精肛周注射：在中药灌胃前1天，将兔固定，碘伏消毒兔肛周组织，于截石位3、9点距肛缘0.5 cm，平行于肛管方向注射，每点无水酒精注射量0.3 mL（注射前需回抽，勿将药液注入血管，注射深度以1 cm为宜）。

2.3 干预 空白组与模型组予正常饲养，治疗组造模后进行消痔灵注射术。消痔灵注射术操作：术前常规肛周备皮，水合氯醛兔耳缘静脉麻醉后，固定四肢取仰卧位，常规碘伏消毒肛周及直肠黏膜后铺无菌洞巾，缓慢纳入涂有凡士林的肛门镜（两叶内窥镜），暴露兔直肠黏膜，用2.5 mL注射器抽取1∶1消痔灵注射液（消痔灵10 mL与0.5%利多卡因10 mL配置），于不同点位的脱垂黏膜处，沿平行于肛管直肠方向，以5号长针头于脱垂隆起中点位置进针（黏膜下层处），回抽无血液后，注入消痔灵至黏膜呈苍白充盈为度，每点注射0.2～0.5 mL，注射总量0.8～1.5 mL，注射完毕棉签纳入肛内按摩，使药液均匀充分吸收。术毕，消毒肛周及直肠黏膜，将兔送回兔笼。

2.4 标本取材 治疗组术后正常饲养10 d后与空白组和模型组同时取材。水合氯醛兔耳缘静脉麻醉后，以组织剪于IRP兔肛门直肠外缘周围分离出直肠，沿直肠纵轴取部分直肠组织，用特制刀片清除直肠黏膜层与黏膜下层以外的组织后，制成长10 mm、宽2 mm的标本。

2.5 检测方法与指标 参照文献［8］，先通过万能材料试验机和50倍读数显微镜测算出标本的杨氏弹性模量、泊松比与剪切弹性模量等力学指标，再将数据输入由SUPER-SAP有限元软件建立的兔肛门直肠有限元模型（该模型由15层平面图组成，内含1 342个单元、1 800个节点），设定施加1 N方向平行于直肠黏膜表面与垂直向下的力，计算出肛管直肠角平面附近不同节点在直肠纵轴的综合应力与位移量。节点选择：①肛管直肠角平面的节点，在第11层于腹侧、中间位与背侧选择同一横断位不同冠状位的3个节点，分别对应为651、657与663节点；②肛管直肠角平面上层的节点，在第14层（黏膜内脱垂相对显著处）于腹侧、中间位与背侧选择同一横断位不同冠状位的3个节点，分别对应为846、852与858节点，具体节点位置见图1。

图1 兔肛门直肠有限元模型图

2.6 统计学方法 采用SPSS 21.0统计学软件进行数据处理。计量资料符合正态分布以（x±s）表示，采用t检验；计数资料采用χ2检验。

3 结 果

3.1 3 组在肛管直肠角平面附近不同节点的综合应力比较 见表1与表2。

表1 3组在第11层的综合应力比较（x±s）MPa

表2 3组在第14层的综合应力比较（x±s）MPa

3.2 3 组在肛管直肠角平面附近不同节点的位移量比较 见表3和表4。

表3 3组在第11层的位移量比较（x±s）mm

表4 3组在第14层的位移量比较（x±s）mm

4 讨 论

IRP是指排便时近心侧直肠黏膜全部或部分折入远心侧直肠腔或肛管内而不出肛门［9］，属中医学“脱肛”范畴，主要病机为气虚下陷，固摄失职［10］。消痔灵注射液主要作用成分为五倍子、明矾，二者味酸、涩，依据“酸可收敛，涩可固脱”的特性，从而具有收敛、固脱的作用［11-12］，治疗IRP的疗效显著［13-14］。目前对消痔灵作用机制的研究，主要从组织结构改变方向研究，认为消痔灵通过注射至直肠黏膜下层，因其产生的无菌性炎症使周围组织发生纤维化，进而脱垂的黏膜与肌层粘连固定，使直肠黏膜复位，解除梗阻因素，从而起到治疗作用［15-16］。而今尚未有从生物力学角度分析消痔灵治疗IRP型便秘的作用机制，这也是本次实验的研究目的。

在排便过程中，直肠及周围组织的协同作用促使粪便向下移动，但因粪便与直肠黏膜紧密接触，彼此间产生向上的阻力，即摩擦力，而综合应力是指截面单位面积上（节点）的摩擦力之和［17］。当粪便与直肠间的综合应力增大，为使粪便顺利排出，则需要加大排便作用力，因而患者感觉排便困难。而摩擦力的大小与摩擦系数密切相关，参考《理论力学》中关于“库仑摩擦定律”的论述［18］，即两个相互接触的物体，其中一个物体的弹性模量增大，那么它们之间的摩擦系数减小，使另一个物体更容易通过其表面；反之，弹性模量减小，摩擦系数增大，两物体之间更难移动。根据此理论，通过改变直肠黏膜的弹性模量，可影响节点综合应力的大小。前期研究结果显示，造模后直肠黏膜的弹性模量减少，而在消痔灵注射后弹性模量增大；并且，直肠黏膜的位移量与弹性模量呈负相关，而位移量的变化也反应了脱垂的轻重程度，位移量增大，脱垂病情加重，位移量减少，脱垂病情好转［19-20］。本研究结果显示，与空白组比较，造模后直肠黏膜的位移量均增大，651节点的综合应力降低，其余节点的综合应力均升高。其中651节点位于肛管直肠角腹侧转折点，其促进排便的作用力与摩擦力方向一致，当651节点的综合用力下降，排便推力也下降；其余节点的综合应力升高表示相较于正常兔，IRP兔排便时阻力更高，粪便更难排出。而在消痔灵注射治疗IRP兔后，直肠黏膜的位移量均减少，降低的综合应力（651节点）出现升高，其余节点的综合应力均降低，即治疗后排便推力升高，阻力下降，粪便更容易通过直肠，因而便秘症状得到改善。

本研究还发现，IRP兔经过消痔灵注射液治疗后大多数节点的生物力学表现较空白组更优，这也表明消痔灵近期的治疗效果较好。但仍有少数节点高于空白组，如治疗组在20 d和40 d的852节点综合应力高于空白组；治疗组与空白组在60 d的858节点综合应力差异无统计学意义，846和852节点综合应力高于空白组。其结果表明，消痔灵的疗效在不同节点有差异，这可能与注射的方法、部位、剂量等因素有关，或可影响后期的复发情况，因而对消痔灵的注射技术有一定要求，也可结合生物力学引导临床治疗，有利于提高疗效和降低复发率。因研究时间限制，本研究尚无法比较消痔灵的远期疗效，尚待后续深入探索。

空白组不同造模时间的各节点综合应力及位移量的比较，651节点的综合应力比较为20 d＜40 d＜60 d，其余节点的综合应力及位移量比较为60 d＜40 d＜20 d。因实验期间兔年龄为1～3个月，相当于人的1～10岁儿童阶段，直肠组织还处于生长发育期［17］，所以651节点的综合应力呈增长趋势，其他节点的综合应力和位移量呈下降趋势。并且在造模后或治疗后，其相关生物力学指标仍呈增长或下降趋势，但在造模后期因直肠黏膜层出现重度炎细胞浸润、黏膜下层血管重度扩张等病理改变，直肠黏膜的弹性模量下降趋势大于增长趋势［24］。而不同造模时间模型组的651节点综合应力比较为20 d＜60 d＜40 d，其他节点的综合应力及位移量比较为40 d＜60 d＜20 d，其中20 d组651节点综合应力最低，但其余节点的综合应力和位移量最高，40 d组的情况正好相反，这也解释了建立IRP兔模型的时长为何选择60 d。同时，不同造模时间治疗组651节点的综合应力比较为20 d＜40 d＜60 d，其余节点的综合应力及位移量比较为60 d＜40 d＜20 d，即结合直肠的生长发育因素，消痔灵的治疗效果逐渐提高。基于此，对于青少年儿童的IRP患者，或可考虑优先选择消痔灵注射疗法，不仅治疗效果显著，还可避免其他术式对直肠结构、功能的损伤。因本次实验未有中老年阶段动物，对验证消痔灵治疗中老年患者的疗效方面有一定局限性。

基于有限元模型分析直肠黏膜的生物力学变化，为造模后脱垂情况和治疗后恢复情况提供客观指标，因IRP患者排便费力、排便不尽感及肛门坠胀等症多为患者主观感受，而实验动物无法自由表达，若需研究某方法对IRP的治疗效果，可从调节直肠的生物力学指标方向研究。

综上所述，消痔灵对IRP兔有较好的疗效，其作用机制可能是通过调节直肠组织的力学性质来缓解排便困难、排便不尽感、肛门坠胀感等症状，起到治疗IRP型排便困难的作用。