单侧经肛提肌外腹会阴联合切除术对盆底影响的有限元分析

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摘要：

目的应用有限元分析方法比较单侧经肛提肌外腹会阴联合切除术(ELAPE)和ELAPE手术对于盆底生物力学影响的差异。方法建立女性盆底的3种有限元分析模型:正常模型,ELAPE模型和单侧(右)ELAPE模型,测量3种模型在相同载荷作用下的各组织最大应力,并观察应力分布。结果在肛提肌保留侧,单侧ELAPE模型非肛提肌组织内的最大应力低于ELAPE模型,而与正常模型比较差异无统计学意义;在肛提肌切除侧,其最大应力也低于ELAPE模型,但高于正常模型;其肛提肌保留侧的整体应力低于切除侧。结论相比于ELAPE手术,单侧ELAPE手术可降低盆底双侧的非肛提肌组织内的应力,在肛提肌保留侧更为明显。

关键词：腹部;会阴;骨盆底;生物力学;有限元分析;ELAPE手术;

腹会阴联合切除术(abdominoperineal resection,APR)的肿瘤学效果较直肠低位前切除术(anterior resection, AR)差[1,2]。这是由于按照全直肠系膜切除 (total mesorectal excision, TME)的要求,标本形成狭窄的外科腰,肿瘤环周切缘(circumferential resection margin, CRM)阳性率较高。经肛提肌外腹会阴联合切除术(extralevator abdominalperineal excision, ELA-PE)切除全部肛提肌,可降低CRM阳性率[3],但切除过多组织可导致神经损伤、切口感染、盆腔器官脱垂等并发症[4]。因此,在提高根治性的基础上,减少术后并发症,成为新的研究方向,针对于肿瘤局限于一侧直肠壁的特定病例,术中切除该侧肛提肌,保留对侧,可达到与ELAPE手术接近的肿瘤学效果[5]。有限元分析方法是一种新型生物力学测试方法,可逼真地模拟人体各组织的生物力学状态。本研究通过比较3种模型在女性盆腔器官脱垂时的临界腹压状态下的组织应力,来探讨对于特定病例保留单侧肛提肌对于术后盆腔器官脱垂等盆底功能障碍性疾病的预防作用。

1对象与方法

1.1研究对象选择21例身体健康,体型匀称的未育女性志愿者,平均年龄27.2岁,签署知情同意书后,均采用美国通用电气(GE)医疗集团生产的1.5 T磁共振扫描仪对其盆底组织进行层厚为0.8 mm的超薄横截面位磁共振扫描,始于膀胱中部,止于阴道外口,获取MRI图像保存为DICOM格式。

1.2研究方法将1例志愿者DICOM格式数据导入MIM-ICS 10.01软件,逐层选中肛提肌组织,生成肛提肌的三维立体几何模型。将其导入Geo Magic Studio 12软件,经点阶段和多边形阶段处理后,生成肛提肌的三维实体模型。再将其导入ANSYS Workbench 14.0软件,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[6,7,8],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,得到正常模型,见图1。随后在正常模型的基础上,分别切除完整和单侧(右)的肛提肌组织,分别得到ELAPE模型和单侧ELAPE模型,见图2、3。对3种模型的外侧缘,即与骨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,设定为女性盆腔器官脱垂时的临界腹压状态。根据文献[6,9-10],盆腔器官脱垂时最大逼尿肌压力为(38±14)cm H2O(1 cm H2O=0.098 k Pa),腹压漏尿点压为(94±35)cm H2O,因此载荷大小设定为56 cm H2O。随后同理对其余20例志愿者数据进行处理和计算。观察指标:3种模型非肛提肌组织内的最大应力及单侧ELAPE模型肛提肌保留侧的最大应力;正常模型及单侧ELAPE模型肛提肌内的最大应力。

1.3统计学方法利用SPSS 21.0统计软件进行分析。计量资料数据以±s表示,多组间比较采用方差分析,多重比较行LSD-t检验。2组间比较采用成组t检验。检验水准为 α=0.05。

2结果

2.1 3种模型的基本数据本研究建立了3种生物力学模型,共63个,其中,正常模型平均包括899 680.8个节点,625 842.3个单元,ELAPE模型平均包括14 470.8个节点,14 362.0个单元,单侧ELAPE模型包括456 579.0个节点,324 146.8个单元。

2.2 3种模型非肛提肌组织内的应力比较正常模型和ELAPE模型的非肛提肌组织内的高应力区出现的位置一致,均左右对称地出现在两侧与周围结构的连接处,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与前方结构的连接处,见图4、 5。单侧ELAPE模型的高应力区出现在肛提肌切除侧与周围结构的连接处,最大应力出现在该侧与前方结构的连接处,见图6。正常模型、ELAPE模型、单侧ELAPE模型的肛提肌切除侧和保留侧的最大应力分别为(0.867 0±0.060 3)、(3.375 5±0.317 8)、 (2.297 3±0.223 8)和(0.872 6±0.055 0)MPa,差异有统计学意义(F=789.738,P<0.05)。在肛提肌保留侧,单侧ELAPE模型非肛提肌组织内的最大应力低于ELAPE模型(P<0.01),而与正常模型比较差异无统计学意义(P>0.05)。在肛提肌切除侧,其最大应力也低于ELAPE模型,但高于正常模型;肛提肌保留侧的整体应力低于切除侧(均P<0.01)。

2.3正常模型与单侧ELAPE模型肛提肌内的应力比较正常模型的肛提肌内的高应力区出现在左右两侧与周围结构的连接处,见图7,最大应力出现在左右两侧与前方结构的连接处。单侧ELAPE模型的肛提肌内的高应力区出现在肛提肌保留侧与周围结构的连接处,见图8,最大应力出现在该侧与前方结构的连接处。2个模型的最大应力的平均值分别为(0.180 7±0.020 5)和(0.184 0±0.021 0)MPa,差异无统计学意义(t=0.525,P>0.05)。

3讨论

有限元分析方法基于影像学资料重建肛提肌的几何结构,可最大程度地保留组织的几何学特征,还原组织的解剖学形态,使结果更加真实。与传统实验生物力学方法通过表面应变来计算内部应力的方式不同,有限元分析方法可直接测量肛提肌等组织的内部应力,有效地减小计算误差,使结果更加精确。此外,有限元分析方法还具有无损伤、可重复、多工况等优势,均使其应用领域越来越广泛。

随着全直肠系膜切除(total mesorectal excision,TME)技术的广泛应用,直肠癌术后局部复发率显著降低。由于直肠系膜向远端逐渐缩小,按照TME标准解剖间隙游离直肠,导致APR手术标本形成狭窄的外科腰,此处切除组织较少,CRM阳性率和术中肠穿孔率较AR手术高,因而局部复发率较AR手术高[1,2]。近年来,Holm等[11,12]提出了一种新的术式, 即切除全部肛提肌、直肠系膜和肛管,以降低CRM阳性率,称为ELAPE或柱状腹会阴联合切除术(cy-lindrical abdominoperineal resection, CAPR)。肛提肌是人体盆底的重要组成结构,负责增强和提起盆底, 承托盆腔器官。ELAPE手术于盆壁起始处切断肛提肌,相比于传统APR手术,增加了肿瘤周围组织的切除量,降低了CRM阳性率,然而切除过多的盆底组织可导致神经损伤、切口感染,甚至可导致盆腔器官脱垂等严重并发症,特别是在女性患者中[4,6],严重者可致肠梗阻,在男性患者中还可导致性功能障碍[5,13]。在本研究中,ELAPE模型的最大应力显著高于正常模型,通过两者应力云图做定性分析,ELAPE模型的应力也普遍高于正常模型。提示在完整切除肛提肌后,盆底非肛提肌组织的应力明显增加,推测术后发生盆腔器官脱垂的风险增加。除了直接缝合盆底以外,目前报道重建盆底的方法主要包括肌皮瓣重建、生物补片重建、网膜成形等方法,然而肌皮瓣重建的切口并发症发生率较高[4,14],生物补片重建虽然切口并发症较前者低,但费用昂贵[3,15],网膜成形则可能出现网膜瓣出血、坏死及腹腔内疝等罕见并发症[16],目前均存在较大争议。

目前有研究认为,针对于肿瘤局限于一侧直肠壁的特定病例,施行个体化的单侧ELAPE手术可达到与经典ELAPE手术接近的CRM阳性率和术中肠穿孔率,且并发症的发生率更低[5,17,18]。在本研究中, 单侧ELAPE模型肛提肌保留侧的最大应力与正常模型无显著差异,肛提肌切除侧则高于正常模型,单侧ELAPE模型双侧的最大应力均低于ELAPE模型,单侧ELAPE模型肛提肌保留侧的最大应力低于肛提肌切除侧。通过应力云图做定性分析,其趋势与之大致相同。本结果提示保留单侧的肛提肌对于盆底双侧的非肛提肌组织的应力均有降低作用,在肛提肌保留侧更为明显,推测可降低术后发生盆腔器官脱垂的风险。此外,保留单侧的肛提肌可保护该侧坐骨直肠窝内的神经,有助于降低性功能障碍和排尿障碍等术后并发症的发生率[5,18]。

由于肌肉组织的特殊性,本研究后续工作将进一步考虑实验测定肛提肌的力学特性,提高计算精度,为临床研究ELAPE及单侧ELAPE手术等直肠术后生物力学改变提供更多的理论参考。

(图1~8见插页)