肛管直肠环肌群有限元模型应力分析

权隆芳，李宇飞，孙 杰，贝绍生

肛管直肠环肌作为盆底重要肌群[1-3]，在排控便中具有重要作用[4-6]，本课题组前期成功进行了人肛管直肠环肌群的力学特性研究[7-8]，并建立基于核磁共振（MRI）人肛管直肠环三维有限元模型[9]，本研究拟在上述研究基础上，将三维有限元转入ABAQUS有限元仿真软件进行仿真分析，研究肛管直肠环肌群在不同排便条件下所承受的应力情况。

1 材料与方法

1.1 研究对象 本实验标本取自山东大学第二医院1例直肠癌（低分化腺癌）患者（男，48岁，CT2N0M0，肿瘤位于右后位、齿线处，约1 cm×1 cm，位置固定），行腹会阴联合直肠癌切除术（Miles）后的完整肿瘤标本。本研究采用模型的肌肉各项参数基于既往相关研究结果，具体参见文献“人肛管直肠环肌群的力学特性实验研究”[8]。

1.2 方法

1.2.1 基于ABAQUS的肛管直肠环肌群 由于MIMICS软件处理的模型还没法满足ABAQUS有限元仿真软件的分析要求[10-12]，还需要将三维模型导入逆向工程三维检测软件Geomagic Studio中，对模型进行修正优化，进行修补、降噪及曲面化等处理，同时进行剪裁只研究肛门括约肌部分，最终生成的三维几何模型如图1。

图1 肛门括约肌几何模型

应用Pro/ENGINEER软件测量模型中间圆孔直径大约为12 mm，新建一个如图2中白色部件所示的解析刚体，将解析刚体的圆柱部分的直径从12 mm开始逐渐增大，模拟该刚体穿过圆孔时肛管直肠环肌群的应力状态，根据作用力与反作用力原理，该应力状态可理解为人体排便过程中腹压的应力状态，从而进行不同直径的解析体对肛管直肠环肌群的压力大小分析[13]。

图2 肛管直肠环肌群仿真模型

将构建完成的模型转化成.igs格式的文件，导入到ABAQUS中；对肛管直肠环肌群赋予材料属性，弹性模量为0.95 kPa，泊松比为0.45，密度为1.12×10-9kg/mm3，并将实验得到的肛管直肠环肌群的应力-应变关系输入材料力学属性中。创建如图3所示的解析刚体，装配部件将刚体和肛管直肠环肌群移动到如图4所示位置。刚体与肛管直肠环肌群的接触类型选择“Surface-to-surface contact (Explicit)”，选择解析刚体为主接触面，肛管直肠环肌群为负接触面[14-16]。

图3 三维肛肠超声盆底肌灰阶图像

图4 肛管直肠环图示(红色区域)

1.2.2 网格划分 解析刚体不需要划分网格，可只对肛管直肠环肌群划分[17]。“Approximate global size”设为“5”；网格属性定义为四面体“Tet”自由化网格；单元类型定义为显式非线性，“Geometric Order” 选 择“Quadratic”，“Family”选择“3D Stress”。

1.2.3 载荷及边界条件定义 如图5所示在“Initial”分析步中将肛管直肠环肌群两侧面的6个自由度全部约束；对刚体约束全部6个自由度；然后在“Step-1”中将“U3”改为“-20”，即使解析刚体沿z轴向下移20 mm穿过圆孔[18]。

图5 约束两侧面的模型

按上述方法设置完成后，提交作业进行分析，可得到不同刚体直径条件下肛管直肠环肌群的应力状态[19]。

2 结果

刚体直径为12、13、14、15 mm时仿真的应力云图见图6～9。

图6 圆柱直径为12 mm时应力云图

图7 圆柱直径为13 mm时应力云图

图8 圆柱直径为14 mm时应力云图

图9 圆柱直径为15 mm时应力云图

在肛管直肠环肌群圆孔部位创建一条节点路径Path1，输出路径Path1上的应力曲线和应力值见图10中红色曲线。

图10 路径Path1

不同刚体直径条件下，Path1路径上的应力曲线见图11～14。

图11 圆柱直径为12 mm时Path1上的应力曲线

图12 圆柱直径为13 mm时Path1上的应力曲线

图13 圆柱直径为14 mm时Path1上的应力曲线

图14 圆柱直径为15 mm时Path1上的应力曲线

根据ABAQUS仿真得出的不同直径刚体的应力结果可以得出：刚体直径为12 mm时最大应力值为104.201 kPa，最小应力值为12.299 5 kPa，平均应力值为32.496 kPa；刚体直径为13 mm时最大应力值为227.335 kPa，最小应力值为39.608 kPa，平均应力值为89.179 kPa；刚体直径为14 mm时最大应力值为282.524 kPa，最小应力值为75.125 kPa，平均应力值为146.967 kPa；刚体直径为15 mm时最大应力值为443.390 kPa，最小应力值为122.027 kPa，平均应力值为244.132 kPa。刚体直径从12 mm增大到15 mm时的应力平均值变化见图15。从肛管直肠环肌群应力平均值随刚体直径变化曲线可以看出：随着刚体直径的增大，肛管直肠环肌群所承受的平均应力也增大。

图15 肛管直肠环肌群应力平均值随刚体直径变化曲线

3 讨论

目前治疗肛瘘的最有效的方法就是手术，而手术成功的关键在于彻底处理病灶及保存肛管内外括约肌的功能[20-21]。损伤部分肛门内括约肌病并不会引起肛门完全失禁。在手术过程中，切除外部括约肌的皮下部分不会影响肛门括约肌的功能，同时切断浅部、深部可导致肛门控便功能失调。但是，术中同时损伤肛管外括约肌浅部、肛管直肠管可引起完全性肛门失禁[1-3]。因而术前的评估和诊断对于肛瘘挂线疗法及预防术后肛门失禁具有重要意义。有限元技术多集中于盆底肌，对于肛提肌有了一定的研究[22-24]，因此本研究采用有项元技术，基于获得的直肠癌经腹会阴联合切除术后标本，进行二次采集肛管直肠环肌群下缘的肛管直肠环标本肌肉力学行为分析，获得应力应变关系。

近年来在肛瘘手术术式改良中，对于肛管直肠环的保护，在术后肛门功能保护上取得一定的临床疗效，对其力学作用机制的研究也越发受到重视，通过有限元法解析手法的力学作用机制也成为新的研究方向之一。基于前期临床研究的数据，进一步解析肛管直肠环的力学机制。

本实验采用不同直径的圆柱作用于肛管直肠环，模仿人静息状态、强忍状态，力排初状态、以及增大腹压的各种活动状态如喷嚏、咳嗽、负重活动。当载荷从0增大到20 N的过程中，肛管直肠环肌群样本的位移基本上呈线性增大；而当载荷达到20 N后，即使载荷逐渐减小，而位移却急剧增大。当应力从0逐渐增大到350 mPa时，肛管直肠环肌群样本的应变基本上呈直接增大；而当应力达到350 mPa后，即使应力逐渐减小，应变仍急剧增大。从仿真结果来看，当刚体直径从12 mm逐渐增大到15 mm时，肛管直肠环肌群所承受的最大应力、最小应力以及平均应力均逐渐增大。

通过肛管直肠环有限元模型的建立，可以解析挂线和手术切割等的力学机制。因有限元分析的局限性，其所建立的模型也只能是接近肛管直肠环解剖结构，并不能完全代表人体的生物组织特性，因此本研究也只是从运动轨迹这一个角度阐述了肛管直肠环的作用机制。在标本方面，标本取材于早期癌患者，肿瘤位于肛管直肠环以上，没有影响到肌群功能。这个研究是一种探索和尝试，在研究肛瘘挂线对肛门功能的影响后，才发现建模对研究其它肛门疾病的益处。关于肛管直肠环的其他生物学作用机制，有待实验和临床的进一步探索和研究，以期为临床的推广和应用提供更有力的数据支持。该模型建立可以有效地对肛门控便进行评估研究；其次，该模型的深入研究对于其他肛肠疾病研究，如出口梗阻便秘、肛门良性肿物、盆底下降等疾病也有重要意义。