肛管直腸環(huán)肌群有限元模型應(yīng)力分析

權(quán)隆芳，李宇飛，孫 杰，貝紹生

肛管直腸環(huán)肌作為盆底重要肌群[1-3]，在排控便中具有重要作用[4-6]，本課題組前期成功進行了人肛管直腸環(huán)肌群的力學(xué)特性研究[7-8]，并建立基于核磁共振（MRI）人肛管直腸環(huán)三維有限元模型[9]，本研究擬在上述研究基礎(chǔ)上，將三維有限元轉(zhuǎn)入ABAQUS有限元仿真軟件進行仿真分析，研究肛管直腸環(huán)肌群在不同排便條件下所承受的應(yīng)力情況。

1 材料與方法

1.1 研究對象 本實驗標(biāo)本取自山東大學(xué)第二醫(yī)院1例直腸癌（低分化腺癌）患者（男，48歲，CT2N0M0，腫瘤位于右后位、齒線處，約1 cm×1 cm，位置固定），行腹會陰聯(lián)合直腸癌切除術(shù)（Miles）后的完整腫瘤標(biāo)本。本研究采用模型的肌肉各項參數(shù)基于既往相關(guān)研究結(jié)果，具體參見文獻“人肛管直腸環(huán)肌群的力學(xué)特性實驗研究”[8]。

1.2 方法

1.2.1 基于ABAQUS的肛管直腸環(huán)肌群 由于MIMICS軟件處理的模型還沒法滿足ABAQUS有限元仿真軟件的分析要求[10-12]，還需要將三維模型導(dǎo)入逆向工程三維檢測軟件Geomagic Studio中，對模型進行修正優(yōu)化，進行修補、降噪及曲面化等處理，同時進行剪裁只研究肛門括約肌部分，最終生成的三維幾何模型如圖1。

圖1 肛門括約肌幾何模型

應(yīng)用Pro/ENGINEER軟件測量模型中間圓孔直徑大約為12 mm，新建一個如圖2中白色部件所示的解析剛體，將解析剛體的圓柱部分的直徑從12 mm開始逐漸增大，模擬該剛體穿過圓孔時肛管直腸環(huán)肌群的應(yīng)力狀態(tài)，根據(jù)作用力與反作用力原理，該應(yīng)力狀態(tài)可理解為人體排便過程中腹壓的應(yīng)力狀態(tài)，從而進行不同直徑的解析體對肛管直腸環(huán)肌群的壓力大小分析[13]。

圖2 肛管直腸環(huán)肌群仿真模型

將構(gòu)建完成的模型轉(zhuǎn)化成.igs格式的文件，導(dǎo)入到ABAQUS中；對肛管直腸環(huán)肌群賦予材料屬性，彈性模量為0.95 kPa，泊松比為0.45，密度為1.12×10-9kg/mm3，并將實驗得到的肛管直腸環(huán)肌群的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系輸入材料力學(xué)屬性中。創(chuàng)建如圖3所示的解析剛體，裝配部件將剛體和肛管直腸環(huán)肌群移動到如圖4所示位置。剛體與肛管直腸環(huán)肌群的接觸類型選擇“Surface-to-surface contact (Explicit)”，選擇解析剛體為主接觸面，肛管直腸環(huán)肌群為負(fù)接觸面[14-16]。

圖3 三維肛腸超聲盆底肌灰階圖像

圖4 肛管直腸環(huán)圖示(紅色區(qū)域)

1.2.2 網(wǎng)格劃分 解析剛體不需要劃分網(wǎng)格，可只對肛管直腸環(huán)肌群劃分[17]?！癆pproximate global size”設(shè)為“5”；網(wǎng)格屬性定義為四面體“Tet”自由化網(wǎng)格；單元類型定義為顯式非線性，“Geometric Order” 選 擇“Quadratic”，“Family”選擇“3D Stress”。

1.2.3 載荷及邊界條件定義 如圖5所示在“Initial”分析步中將肛管直腸環(huán)肌群兩側(cè)面的6個自由度全部約束；對剛體約束全部6個自由度；然后在“Step-1”中將“U3”改為“-20”，即使解析剛體沿z軸向下移20 mm穿過圓孔[18]。

圖5 約束兩側(cè)面的模型

按上述方法設(shè)置完成后，提交作業(yè)進行分析，可得到不同剛體直徑條件下肛管直腸環(huán)肌群的應(yīng)力狀態(tài)[19]。

2 結(jié)果

剛體直徑為12、13、14、15 mm時仿真的應(yīng)力云圖見圖6～9。

圖6 圓柱直徑為12 mm時應(yīng)力云圖

圖7 圓柱直徑為13 mm時應(yīng)力云圖

圖8 圓柱直徑為14 mm時應(yīng)力云圖

圖9 圓柱直徑為15 mm時應(yīng)力云圖

在肛管直腸環(huán)肌群圓孔部位創(chuàng)建一條節(jié)點路徑Path1，輸出路徑Path1上的應(yīng)力曲線和應(yīng)力值見圖10中紅色曲線。

圖10 路徑Path1

不同剛體直徑條件下，Path1路徑上的應(yīng)力曲線見圖11～14。

圖11 圓柱直徑為12 mm時Path1上的應(yīng)力曲線

圖12 圓柱直徑為13 mm時Path1上的應(yīng)力曲線

圖13 圓柱直徑為14 mm時Path1上的應(yīng)力曲線

圖14 圓柱直徑為15 mm時Path1上的應(yīng)力曲線

根據(jù)ABAQUS仿真得出的不同直徑剛體的應(yīng)力結(jié)果可以得出：剛體直徑為12 mm時最大應(yīng)力值為104.201 kPa，最小應(yīng)力值為12.299 5 kPa，平均應(yīng)力值為32.496 kPa；剛體直徑為13 mm時最大應(yīng)力值為227.335 kPa，最小應(yīng)力值為39.608 kPa，平均應(yīng)力值為89.179 kPa；剛體直徑為14 mm時最大應(yīng)力值為282.524 kPa，最小應(yīng)力值為75.125 kPa，平均應(yīng)力值為146.967 kPa；剛體直徑為15 mm時最大應(yīng)力值為443.390 kPa，最小應(yīng)力值為122.027 kPa，平均應(yīng)力值為244.132 kPa。剛體直徑從12 mm增大到15 mm時的應(yīng)力平均值變化見圖15。從肛管直腸環(huán)肌群應(yīng)力平均值隨剛體直徑變化曲線可以看出：隨著剛體直徑的增大，肛管直腸環(huán)肌群所承受的平均應(yīng)力也增大。

圖15 肛管直腸環(huán)肌群應(yīng)力平均值隨剛體直徑變化曲線

3 討論

目前治療肛瘺的最有效的方法就是手術(shù)，而手術(shù)成功的關(guān)鍵在于徹底處理病灶及保存肛管內(nèi)外括約肌的功能[20-21]。損傷部分肛門內(nèi)括約肌病并不會引起肛門完全失禁。在手術(shù)過程中，切除外部括約肌的皮下部分不會影響肛門括約肌的功能，同時切斷淺部、深部可導(dǎo)致肛門控便功能失調(diào)。但是，術(shù)中同時損傷肛管外括約肌淺部、肛管直腸管可引起完全性肛門失禁[1-3]。因而術(shù)前的評估和診斷對于肛瘺掛線療法及預(yù)防術(shù)后肛門失禁具有重要意義。有限元技術(shù)多集中于盆底肌，對于肛提肌有了一定的研究[22-24]，因此本研究采用有項元技術(shù)，基于獲得的直腸癌經(jīng)腹會陰聯(lián)合切除術(shù)后標(biāo)本，進行二次采集肛管直腸環(huán)肌群下緣的肛管直腸環(huán)標(biāo)本肌肉力學(xué)行為分析，獲得應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。

近年來在肛瘺手術(shù)術(shù)式改良中，對于肛管直腸環(huán)的保護，在術(shù)后肛門功能保護上取得一定的臨床療效，對其力學(xué)作用機制的研究也越發(fā)受到重視，通過有限元法解析手法的力學(xué)作用機制也成為新的研究方向之一。基于前期臨床研究的數(shù)據(jù)，進一步解析肛管直腸環(huán)的力學(xué)機制。

本實驗采用不同直徑的圓柱作用于肛管直腸環(huán)，模仿人靜息狀態(tài)、強忍狀態(tài)，力排初狀態(tài)、以及增大腹壓的各種活動狀態(tài)如噴嚏、咳嗽、負(fù)重活動。當(dāng)載荷從0增大到20 N的過程中，肛管直腸環(huán)肌群樣本的位移基本上呈線性增大；而當(dāng)載荷達到20 N后，即使載荷逐漸減小，而位移卻急劇增大。當(dāng)應(yīng)力從0逐漸增大到350 mPa時，肛管直腸環(huán)肌群樣本的應(yīng)變基本上呈直接增大；而當(dāng)應(yīng)力達到350 mPa后，即使應(yīng)力逐漸減小，應(yīng)變?nèi)约眲≡龃?。從仿真結(jié)果來看，當(dāng)剛體直徑從12 mm逐漸增大到15 mm時，肛管直腸環(huán)肌群所承受的最大應(yīng)力、最小應(yīng)力以及平均應(yīng)力均逐漸增大。

通過肛管直腸環(huán)有限元模型的建立，可以解析掛線和手術(shù)切割等的力學(xué)機制。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腸環(huán)解剖結(jié)構(gòu)，并不能完全代表人體的生物組織特性，因此本研究也只是從運動軌跡這一個角度闡述了肛管直腸環(huán)的作用機制。在標(biāo)本方面，標(biāo)本取材于早期癌患者，腫瘤位于肛管直腸環(huán)以上，沒有影響到肌群功能。這個研究是一種探索和嘗試，在研究肛瘺掛線對肛門功能的影響后，才發(fā)現(xiàn)建模對研究其它肛門疾病的益處。關(guān)于肛管直腸環(huán)的其他生物學(xué)作用機制，有待實驗和臨床的進一步探索和研究，以期為臨床的推廣和應(yīng)用提供更有力的數(shù)據(jù)支持。該模型建立可以有效地對肛門控便進行評估研究；其次，該模型的深入研究對于其他肛腸疾病研究，如出口梗阻便秘、肛門良性腫物、盆底下降等疾病也有重要意義。