趙少昆，郜永順，孫建剛，曹偉，易玲，郭攀

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

前言

盡管Siewert 等［1］提出了I～I(xiàn)II 型的食管胃結(jié)合部腺 癌（Adenocarcinoma of the Esophagogastric Junction,AEG）分類體系來(lái)幫助臨床醫(yī)生決定手術(shù)方式，但AEG 病例的手術(shù)策略仍存在爭(zhēng)議。全胃切除術(shù)（Total Gastrectomy,TG）被認(rèn)為是一種標(biāo)準(zhǔn)的手術(shù)方式，它能切除足夠的切緣，是更徹底的淋巴結(jié)切除術(shù)［2］。最近的一些研究報(bào)道，近端胃切除手術(shù)（Proximal Gastrectomy, PG）在保留殘胃生理功能的同時(shí)，其生存率與TG 相當(dāng)［3-7］。然而，PG 術(shù)后明顯影響患者的生活質(zhì)量［8-9］。針對(duì)AEG 切除手術(shù)方案，Gao 等［10］通過(guò)臨床上的多年經(jīng)驗(yàn)制定一套全新的人工三角瓣成形抗反流手術(shù)方案，該方案已經(jīng)在臨床上應(yīng)用多年，效果顯著。相比于傳統(tǒng)直接切除整個(gè)胃或切除胃底的手術(shù)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(guò)折疊術(shù)形成“三角瓣”一樣的膜瓣來(lái)阻擋胃內(nèi)食糜的反流。該手術(shù)方案不僅能在人體站立情況下胃消化蠕動(dòng)時(shí)起到抗反流的作用，當(dāng)人平臥時(shí)，折疊術(shù)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(shù)方案上具有突破性的創(chuàng)新。

為了更好地應(yīng)用并不斷優(yōu)化這類全新的三角瓣成形抗反流手術(shù)方案，文章擬從生物力學(xué)角度定性、定量的研究其抗反流的力學(xué)機(jī)制。目前，生物力學(xué)在胃功能［11-15］及相關(guān)疾病機(jī)理［16-21］研究中有著廣泛的應(yīng)用。由于胃腸道和消化過(guò)程中生物學(xué)、生理及神經(jīng)系統(tǒng)的復(fù)雜性，實(shí)驗(yàn)往往不能很好地探討人體胃的混合和消化過(guò)程，在體監(jiān)測(cè)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(wèn)題，因而得到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。目前，已經(jīng)出現(xiàn)諸多的數(shù)學(xué)物理模型和數(shù)值模擬方法針對(duì)胃內(nèi)流體混合、胃排空及胃消化功能等問(wèn)題進(jìn)行描述和求解［22-28］。雖然仿真已經(jīng)運(yùn)用到胃內(nèi)各種混合、蠕動(dòng)及消化的研究中，但是針對(duì)抗反流手術(shù)后胃內(nèi)食糜流動(dòng)的模擬還有所欠缺。

本研究針對(duì)常規(guī)PG 手術(shù)成形方案和人工三角瓣成形抗反流手術(shù)方案，建立不同手術(shù)方案術(shù)后胃的三維幾何模型，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)Fluent軟件模擬患者術(shù)后站立和平臥姿態(tài)胃內(nèi)食糜流動(dòng)過(guò)程，比較分析不同粘度的胃內(nèi)食糜流動(dòng)特征及不同手術(shù)方案抗反流力學(xué)機(jī)制。為人工三角瓣成形抗反流手術(shù)方案的有效性機(jī)理分析、臨床患者術(shù)后飲食及手術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)提供理論及數(shù)值依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 不同手術(shù)方案對(duì)應(yīng)的幾何模型

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

圖2 人工三角瓣成形抗反流手術(shù)術(shù)后患者平臥時(shí)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(nèi)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(jiàn)表1［28］。

表1 算例中的胃內(nèi)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(shè)置

由于術(shù)后胃形狀不規(guī)則，采用四面體及六面體混合網(wǎng)格對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行離散，其中正常PG 術(shù)后胃模型離散后網(wǎng)格數(shù)為28 869、節(jié)點(diǎn)數(shù)為5 174。人工三角瓣成形抗反流手術(shù)后患者站立姿態(tài)模型離散后網(wǎng)格數(shù)為44 124、節(jié)點(diǎn)數(shù)為7 929。人工三角瓣成形抗反流手術(shù)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(diǎn)數(shù)為3 093（圖3）。胃內(nèi)食糜均假定為不可壓流體，采用SIMPLE方法對(duì)問(wèn)題求解。

圖3 不同手術(shù)方案術(shù)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(shè)置如下。（1）流動(dòng)類型。流動(dòng)類型設(shè)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(wú)滑移壁面wall。（3）重力加速度。根據(jù)術(shù)后患者站立時(shí)胃的姿態(tài)，將重力加速度方向設(shè)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(jié)果

2.1 站立位常規(guī)PG 手術(shù)及人工三角瓣成形抗反流手術(shù)術(shù)后不同粘性流體對(duì)比

圖4和圖5分別是3.5 s 時(shí)刻常規(guī)PG 手術(shù)和人工三角瓣成形手術(shù)后患者胃內(nèi)食糜流線圖。從圖4a～圖4c 可以發(fā)現(xiàn)，胃內(nèi)食糜粘度為0.001、0.01、0.145 2 Pa·s時(shí)，胃內(nèi)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(nèi)形成渦流，當(dāng)胃內(nèi)食糜達(dá)到賁門處時(shí)，易形成反流。胃內(nèi)食糜粘度為1、10 Pa·s時(shí)（圖4d、圖4e），隨著胃內(nèi)容粘度的逐漸增大，由于流體粘滯作用，此時(shí)流速較低，射流逐漸消失，胃內(nèi)渦流也逐漸消失，當(dāng)胃內(nèi)食糜較少時(shí)，不易形成反流。

圖4 常規(guī)PG手術(shù)后站立時(shí)胃內(nèi)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(nèi)渦流，因此，在胃內(nèi)食糜總量低于人工三角瓣位置時(shí)，胃內(nèi)食糜總量較少，不易形成反流，人工三角瓣成形手術(shù)方案對(duì)胃內(nèi)反流具有明顯的抑制作用。當(dāng)胃內(nèi)食糜粘度較大時(shí)（1、10 Pa·s），由于流體粘滯作用，流速較低，胃內(nèi)渦流逐漸消失，當(dāng)胃內(nèi)食糜較少時(shí)，不易形成反流。

圖5 人工三角瓣成形抗反流手術(shù)后站立時(shí)胃內(nèi)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(shù)及人工三角瓣成形抗反流手術(shù)術(shù)后不同粘性流體對(duì)比

圖6與圖7分別是0.2、0.3、0.5、1.2、2.2 s時(shí)刻常規(guī)PG手術(shù)及人工三角瓣成形抗反流手術(shù)后患者平臥姿態(tài)不同粘性胃內(nèi)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(lán)色代表胃內(nèi)食糜，紅色代表空氣。圖8和圖9分別是兩種手術(shù)方案后患者發(fā)生反流時(shí)對(duì)應(yīng)時(shí)刻胃內(nèi)食糜流線圖。從圖6和圖8可以看出，對(duì)于常規(guī)PG手術(shù)，當(dāng)胃內(nèi)食糜粘度為0.001、0.01 Pa·s時(shí)，由于胃內(nèi)食糜粘度低、速度大，常規(guī)PG 手術(shù)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(gè)胃腔內(nèi)形成渦流，易形成反流。當(dāng)粘度增大（粘度為0.145 2、1、10 Pa·s）時(shí)，由于流體的粘滯作用，隨著粘度的增大，射流現(xiàn)象減弱，當(dāng)粘度為0.1452 Pa·s時(shí)，渦流存在于入口處；當(dāng)粘度為1、10 Pa·s時(shí)，胃內(nèi)部渦流消失。從圖7和圖9可以看出，對(duì)于人工三角瓣成形抗反流手術(shù)，當(dāng)食糜黏度為0.001、0.01 Pa·s時(shí)，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(shí)沿胃壁流動(dòng)，食糜在三角瓣前方?jīng)]有聚集。當(dāng)食糜到達(dá)三角瓣時(shí)，一部分在三角瓣阻擋下返回到胃體內(nèi)，在胃體內(nèi)形成渦流，另一部分食糜越過(guò)三角瓣向賁門流動(dòng)。當(dāng)黏度為0.1452、1、10 Pa·s時(shí)，食糜黏滯性增大慣性力逐漸減小，食糜呈均勻流動(dòng)。當(dāng)食糜達(dá)到三角瓣前方時(shí)被阻擋，只有當(dāng)食糜聚集高度超過(guò)三角瓣高度時(shí)，食糜才能繼續(xù)向賁門流動(dòng)，因此三角瓣起到阻擋作用。

圖6 常規(guī)PG術(shù)后平臥姿態(tài)下胃內(nèi)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(shù)后平臥姿態(tài)下胃內(nèi)食糜分布Figure 7 Distribution of gastric chyme in supine posture after PG-TVT

圖8 常規(guī)PG術(shù)后平臥姿態(tài)胃內(nèi)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(shù)后平臥時(shí)胃內(nèi)食糜流線圖Figure 9 Streamline diagram of gastric chyme in supine posture after PG-TVT

3 討論

對(duì)于AEG，傳統(tǒng)的近端胃癌根治手術(shù)，患者術(shù)后會(huì)出現(xiàn)胃食管反流癥狀，這會(huì)明顯影響患者的術(shù)后生活質(zhì)量。臨床實(shí)踐表明，PG 手術(shù)后最常見(jiàn)的問(wèn)題是反流，PG 手術(shù)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(shù)后沒(méi)有觀察到嚴(yán)重的反流性食管炎，但由于瓣膜成形術(shù)復(fù)雜，需要熟練地縫合技術(shù)，手術(shù)時(shí)間明顯長(zhǎng)于TG。本文PG術(shù)后人工三角瓣成形抗反流術(shù)與傳統(tǒng)的全胃切除手術(shù)相比有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：手術(shù)時(shí)間減少、術(shù)后營(yíng)養(yǎng)狀況更佳，而且不增加術(shù)后相關(guān)并發(fā)癥［10］。從本研究的結(jié)果來(lái)看，更進(jìn)一步證明了該人工三角瓣成形抗反流手術(shù)的安全性和可靠性。當(dāng)手術(shù)后患者處于平臥姿態(tài)下，胃內(nèi)食糜粘度較低時(shí)，近端胃三角瓣抗反流手術(shù)設(shè)置的膜瓣并不能很好地起到抗反流的作用，要解決這一問(wèn)題還需要進(jìn)一步優(yōu)化該手術(shù)方案。本文下一步的工作是要在現(xiàn)有手術(shù)后胃的模型基礎(chǔ)上改變?cè)撌中g(shù)三角瓣位置，通過(guò)仿真計(jì)算對(duì)該手術(shù)方案的改進(jìn)提供數(shù)值依據(jù)。

本文在所構(gòu)建的常規(guī)PG 手術(shù)成形方案及人工三角瓣成形方案術(shù)后患者站立姿態(tài)和平臥姿態(tài)仿真模型基礎(chǔ)上，針對(duì)不同粘度胃內(nèi)食糜反流過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。計(jì)算結(jié)果表明：（1）胃內(nèi)食糜粘度對(duì)其反流過(guò)程具有明顯的影響作用，無(wú)論患者站立或平臥姿態(tài)，胃內(nèi)食糜粘度較大時(shí)，胃內(nèi)食糜流動(dòng)較為緩慢，不易形成射流，在胃內(nèi)食糜較少的情況下，難以到達(dá)賁門。因此，胃內(nèi)食糜粘度較大時(shí)，不易形成反流。（2）患者站立姿態(tài)條件下，當(dāng)胃內(nèi)食糜粘度較低時(shí)，常規(guī)PG 手術(shù)方案不能很好地抑制射流，射流容易到達(dá)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(nèi)食糜較少的情況下，人工三角瓣成形抗反流手術(shù)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(dāng)胃內(nèi)食糜粘度較低時(shí)，常規(guī)PG 手術(shù)方案由于胃內(nèi)食糜粘滯性較小，射流速度較大，胃內(nèi)食糜易沿著胃壁沖向賁門，易形成反流。對(duì)于人工三角瓣成形方案，胃內(nèi)食糜粘度為0.001、0.01 Pa·s 條件下，由于較大的慣性力，胃內(nèi)食糜沿壁面越過(guò)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(dāng)粘度增大（粘度為0.145 2、1、10 Pa·s）時(shí)，在胃內(nèi)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(shù)方案表現(xiàn)出較好的抑制反流作用。從仿真結(jié)果可以看出，人工三角瓣成形抗反流術(shù)后患者需控制飲食量，適當(dāng)增加食物粘度，PG術(shù)后人工三角瓣成形抗反流手術(shù)效果會(huì)更為明顯。

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