近端胃切除人工三角瓣成形抗反流術的力學機理仿真分析

趙少昆，郜永順，孫建剛，曹偉，易玲，郭攀

1.鄭州大學橡塑模具國家工程研究中心，河南鄭州 450002；2.鄭州大學第一附屬醫(yī)院胃腸外科，河南鄭州 450052；3.鄭州大學力學與安全工程學院，河南鄭州 450001

前言

盡管Siewert 等［1］提出了I～III 型的食管胃結合部腺 癌（Adenocarcinoma of the Esophagogastric Junction,AEG）分類體系來幫助臨床醫(yī)生決定手術方式，但AEG 病例的手術策略仍存在爭議。全胃切除術（Total Gastrectomy,TG）被認為是一種標準的手術方式，它能切除足夠的切緣，是更徹底的淋巴結切除術［2］。最近的一些研究報道，近端胃切除手術（Proximal Gastrectomy, PG）在保留殘胃生理功能的同時，其生存率與TG 相當［3-7］。然而，PG 術后明顯影響患者的生活質量［8-9］。針對AEG 切除手術方案，Gao 等［10］通過臨床上的多年經(jīng)驗制定一套全新的人工三角瓣成形抗反流手術方案，該方案已經(jīng)在臨床上應用多年，效果顯著。相比于傳統(tǒng)直接切除整個胃或切除胃底的手術方案，該方案是將AEG 患者胃底和賁門直接切除，保留胃體和胃竇部分，在胃小彎上通過折疊術形成“三角瓣”一樣的膜瓣來阻擋胃內食糜的反流。該手術方案不僅能在人體站立情況下胃消化蠕動時起到抗反流的作用，當人平臥時，折疊術形成的“三角瓣”樣式的膜瓣能夠在重力作用下貼在胃壁上，起到一定的抗反流效果，這在手術方案上具有突破性的創(chuàng)新。

為了更好地應用并不斷優(yōu)化這類全新的三角瓣成形抗反流手術方案，文章擬從生物力學角度定性、定量的研究其抗反流的力學機制。目前，生物力學在胃功能［11-15］及相關疾病機理［16-21］研究中有著廣泛的應用。由于胃腸道和消化過程中生物學、生理及神經(jīng)系統(tǒng)的復雜性，實驗往往不能很好地探討人體胃的混合和消化過程，在體監(jiān)測不僅昂貴，而且具有局限性，仿真方法則較好地解決了以上問題，因而得到了學者們的廣泛關注。目前，已經(jīng)出現(xiàn)諸多的數(shù)學物理模型和數(shù)值模擬方法針對胃內流體混合、胃排空及胃消化功能等問題進行描述和求解［22-28］。雖然仿真已經(jīng)運用到胃內各種混合、蠕動及消化的研究中，但是針對抗反流手術后胃內食糜流動的模擬還有所欠缺。

本研究針對常規(guī)PG 手術成形方案和人工三角瓣成形抗反流手術方案，建立不同手術方案術后胃的三維幾何模型，運用計算流體力學Fluent軟件模擬患者術后站立和平臥姿態(tài)胃內食糜流動過程，比較分析不同粘度的胃內食糜流動特征及不同手術方案抗反流力學機制。為人工三角瓣成形抗反流手術方案的有效性機理分析、臨床患者術后飲食及手術方案的進一步改進提供理論及數(shù)值依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 不同手術方案對應的幾何模型

根據(jù)手術方案運用三維建模軟件SolidWorks（美國）分別創(chuàng)建常規(guī)PG 術后胃模型、人工三角瓣成形抗反流手術后站立姿態(tài)胃模型（圖1）。人工三角瓣成形抗反流手術后患者處于平臥姿態(tài)時，膜瓣在重力作用下會貼于胃壁內側，如圖2所示。

圖2 人工三角瓣成形抗反流手術術后患者平臥時胃模型Figure 2 Stomach model of the patient in supine posture after proximal gastrectomy with anti-reflux anastomosis using triangle-valve technique(PG-TVT)

1.2 胃內食糜物性參數(shù)

本文將食糜按粘度大小分成5 類（N1～N5），其流體粘度和密度值見表1［28］。

表1 算例中的胃內食糜流體粘度及其密度Table 1 Fluid viscosity and density of gastric chyme in the calculation example

1.3 網(wǎng)格、控制參數(shù)及邊界條件設置

由于術后胃形狀不規(guī)則，采用四面體及六面體混合網(wǎng)格對流場進行離散，其中正常PG 術后胃模型離散后網(wǎng)格數(shù)為28 869、節(jié)點數(shù)為5 174。人工三角瓣成形抗反流手術后患者站立姿態(tài)模型離散后網(wǎng)格數(shù)為44 124、節(jié)點數(shù)為7 929。人工三角瓣成形抗反流手術后患者平臥姿態(tài)胃模型離散后網(wǎng)格數(shù)為16 808、節(jié)點數(shù)為3 093（圖3）。胃內食糜均假定為不可壓流體，采用SIMPLE方法對問題求解。

圖3 不同手術方案術后胃模型網(wǎng)格劃分Figure 3 Mesh generation of gastric models after different surgical procedures

求解條件設置如下。（1）流動類型。流動類型設置為層流。（2）邊界條件。幽門入口邊界條件：速度入口，速度大小為1 m/s。賁門出口邊界條件：outflow出口。壁面條件：無滑移壁面wall。（3）重力加速度。根據(jù)術后患者站立時胃的姿態(tài)，將重力加速度方向設置為X 軸偏Y 軸30°，大小為-9.8 m/s2，分解到X 軸為-8.486 8 m/s2、Y軸上為-4.9 m/s2。

2 結果

2.1 站立位常規(guī)PG 手術及人工三角瓣成形抗反流手術術后不同粘性流體對比

圖4和圖5分別是3.5 s 時刻常規(guī)PG 手術和人工三角瓣成形手術后患者胃內食糜流線圖。從圖4a～圖4c 可以發(fā)現(xiàn)，胃內食糜粘度為0.001、0.01、0.145 2 Pa·s時，胃內幽門入流呈現(xiàn)射流狀態(tài)射流直接向賁門口噴射，在胃內形成渦流，當胃內食糜達到賁門處時，易形成反流。胃內食糜粘度為1、10 Pa·s時（圖4d、圖4e），隨著胃內容粘度的逐漸增大，由于流體粘滯作用，此時流速較低，射流逐漸消失，胃內渦流也逐漸消失，當胃內食糜較少時，不易形成反流。

圖4 常規(guī)PG手術后站立時胃內不同黏度食糜流線圖Figure 4 Streamline diagram of gastric chyme with different viscosities in standing posture after conventional PG

從圖5可以觀察到，同樣粘度條件下，由于人工三角瓣的存在，幽門射流遇到阻擋后，在三角瓣下部區(qū)域更易形成胃內渦流，因此，在胃內食糜總量低于人工三角瓣位置時，胃內食糜總量較少，不易形成反流，人工三角瓣成形手術方案對胃內反流具有明顯的抑制作用。當胃內食糜粘度較大時（1、10 Pa·s），由于流體粘滯作用，流速較低，胃內渦流逐漸消失，當胃內食糜較少時，不易形成反流。

圖5 人工三角瓣成形抗反流手術后站立時胃內食糜流線圖Figure 5 Streamline diagram of gastric chyme in standing posure after PG-TVT

2.2 平臥位常規(guī)PG 手術及人工三角瓣成形抗反流手術術后不同粘性流體對比

圖6與圖7分別是0.2、0.3、0.5、1.2、2.2 s時刻常規(guī)PG手術及人工三角瓣成形抗反流手術后患者平臥姿態(tài)不同粘性胃內食糜與空氣分布圖，其中右邊為幽門入口，左邊為賁門出口，藍色代表胃內食糜，紅色代表空氣。圖8和圖9分別是兩種手術方案后患者發(fā)生反流時對應時刻胃內食糜流線圖。從圖6和圖8可以看出，對于常規(guī)PG手術，當胃內食糜粘度為0.001、0.01 Pa·s時，由于胃內食糜粘度低、速度大，常規(guī)PG 手術后幽門入流形成的射流沖向胃大彎，沿著胃壁直接沖擊到賁門，射流在整個胃腔內形成渦流，易形成反流。當粘度增大（粘度為0.145 2、1、10 Pa·s）時，由于流體的粘滯作用，隨著粘度的增大，射流現(xiàn)象減弱，當粘度為0.1452 Pa·s時，渦流存在于入口處；當粘度為1、10 Pa·s時，胃內部渦流消失。從圖7和圖9可以看出，對于人工三角瓣成形抗反流手術，當食糜黏度為0.001、0.01 Pa·s時，由于初始速度較大且黏度較小，在慣性力的作用下食糜反流時沿胃壁流動，食糜在三角瓣前方?jīng)]有聚集。當食糜到達三角瓣時，一部分在三角瓣阻擋下返回到胃體內，在胃體內形成渦流，另一部分食糜越過三角瓣向賁門流動。當黏度為0.1452、1、10 Pa·s時，食糜黏滯性增大慣性力逐漸減小，食糜呈均勻流動。當食糜達到三角瓣前方時被阻擋，只有當食糜聚集高度超過三角瓣高度時，食糜才能繼續(xù)向賁門流動，因此三角瓣起到阻擋作用。

圖6 常規(guī)PG術后平臥姿態(tài)下胃內食糜分布Figure 6 Distribution of gastric chyme in supine posture after conventional PG

圖7 人工三角瓣成形抗反流術后平臥姿態(tài)下胃內食糜分布Figure 7 Distribution of gastric chyme in supine posture after PG-TVT

圖8 常規(guī)PG術后平臥姿態(tài)胃內食糜流線圖Figure 8 Streamline diagram of gastric chyme in supine posture after conventional PG

圖9 人工三角瓣成形抗反流手術后平臥時胃內食糜流線圖Figure 9 Streamline diagram of gastric chyme in supine posture after PG-TVT

3 討論

對于AEG，傳統(tǒng)的近端胃癌根治手術，患者術后會出現(xiàn)胃食管反流癥狀，這會明顯影響患者的術后生活質量。臨床實踐表明，PG 手術后最常見的問題是反流，PG 手術后100%的患者出現(xiàn)反流癥狀［29］，發(fā)生反流性食管炎的概率為48%［30］。最近，Masaru等［31］在使用新型雙瓣LPG-DFT技術后沒有觀察到嚴重的反流性食管炎，但由于瓣膜成形術復雜，需要熟練地縫合技術，手術時間明顯長于TG。本文PG術后人工三角瓣成形抗反流術與傳統(tǒng)的全胃切除手術相比有幾個優(yōu)點：手術時間減少、術后營養(yǎng)狀況更佳，而且不增加術后相關并發(fā)癥［10］。從本研究的結果來看，更進一步證明了該人工三角瓣成形抗反流手術的安全性和可靠性。當手術后患者處于平臥姿態(tài)下，胃內食糜粘度較低時，近端胃三角瓣抗反流手術設置的膜瓣并不能很好地起到抗反流的作用，要解決這一問題還需要進一步優(yōu)化該手術方案。本文下一步的工作是要在現(xiàn)有手術后胃的模型基礎上改變該手術三角瓣位置，通過仿真計算對該手術方案的改進提供數(shù)值依據(jù)。

本文在所構建的常規(guī)PG 手術成形方案及人工三角瓣成形方案術后患者站立姿態(tài)和平臥姿態(tài)仿真模型基礎上，針對不同粘度胃內食糜反流過程進行了數(shù)值模擬。計算結果表明：（1）胃內食糜粘度對其反流過程具有明顯的影響作用，無論患者站立或平臥姿態(tài)，胃內食糜粘度較大時，胃內食糜流動較為緩慢，不易形成射流，在胃內食糜較少的情況下，難以到達賁門。因此，胃內食糜粘度較大時，不易形成反流。（2）患者站立姿態(tài)條件下，當胃內食糜粘度較低時，常規(guī)PG 手術方案不能很好地抑制射流，射流容易到達賁門。而人工三角瓣成形抗反流方案由于三角瓣阻擋作用，在三角瓣下部更易形成渦流，在胃內食糜較少的情況下，人工三角瓣成形抗反流手術方案表現(xiàn)出較好地抑制反流作用。（3）患者平臥姿態(tài)條件下，當胃內食糜粘度較低時，常規(guī)PG 手術方案由于胃內食糜粘滯性較小，射流速度較大，胃內食糜易沿著胃壁沖向賁門，易形成反流。對于人工三角瓣成形方案，胃內食糜粘度為0.001、0.01 Pa·s 條件下，由于較大的慣性力，胃內食糜沿壁面越過三角瓣，人工三角瓣成形抗反流方案抗反流的作用較弱。但當粘度增大（粘度為0.145 2、1、10 Pa·s）時，在胃內食糜較少的情況下，由于三角瓣阻擋作用，人工三角瓣成形抗反流手術方案表現(xiàn)出較好的抑制反流作用。從仿真結果可以看出，人工三角瓣成形抗反流術后患者需控制飲食量，適當增加食物粘度，PG術后人工三角瓣成形抗反流手術效果會更為明顯。

本研究通過仿真計算，定量探究了人工三角瓣成形抗反流手術方案術后患者飲食粘度及不同姿態(tài)對反流現(xiàn)象的影響，為術后患者飲食及近端胃人工三角瓣成形抗反流方案改進提供了數(shù)值依據(jù)。