赵少昆1，曹伟1，郭攀2
1.郑州大学橡塑模具国家工程研究中心 郑州 450002
2.郑州大学力学与安全工程学院 郑州 450001
【摘要】 本文旨在食管胃结合部腺癌(Adenocarcinoma of the esophagogastric junction, AEG)改进PG-TVT抗返流手术后胃反流问题的计算流体动力学数值模拟和不同性质胃内容物的流动特征分析。在所构建的患者术后胃蠕动时仿真模型基础上，运用Fluent对不同粘度胃内容物反流问题进行了数值模拟。计算结果表明，胃内容物粘度较小时，改进PG-TVT抗反流手术方案表现出较好的抗反流作用。当粘度较大时，合理控制饮食量，胃内容物不易产生反流。问题的研究为改进PG-TVT抗返流手术方案的有效性机理分析、临床患者术后饮食提供理论及数值依据。
【关键词】 食管胃结合部腺癌；改进PG-TVT抗返流手术；计算流体力学
1引言
尽管Siewert提出了I - III型的AEG分类体系来帮助临床医生决定手术方式[1]，但AEG病例的手术策略仍存在争议。全胃切除术(Total gastrectomy, TG)被认为是一种标准的手术方式，它具有切除足够的切缘和更彻底的淋巴结切除术的优点[2]。近端胃切除术(Proximal gastrectomy, PG)在保留残胃生理功能的同时，其生存率与TG相当。然而，PG术后明显影响患者的生活质量。针对AEG切除手术方案，郑州大学第一附属医院郜永顺教授通过临床上的多年经验制定了一种简单、安全的PG抗反流吻合术--三角瓣吻合术(Triangle-valve technique ,TVT)[3]，该手术方案已经在临床上应用多年，效果显著。
为了优化该手术方案，近期该团队又在原手术方案的基础上，提出了改进PG-TVT抗反流手术方案。改进PG-TVT抗反流手术方案是将AEG患者胃底和贲门直接切除，保留胃体和胃窦部分，分别在胃大弯和胃内侧处通过折叠术形成两个“横切片”一样的横向瓣来阻挡胃内容物的反流。其中，胃内侧处横向瓣临近贲门，胃大弯处横向瓣设置在胃体处。该手术方案设置的胃大弯横向瓣能够阻挡人体站立情况下胃消化蠕动时引起的反流，而当人平卧时，胃内侧手术设置的横向瓣能够起到阻挡胃内反流的作用，这在手术方案上具有突破性的创新。
为了探究改进PG-TVT抗返流手术方案的可行性，文章拟从生物力学角度定性、定量的研究其抗反流的力学机制。目前，生物力学在胃功能及相关疾病机理研究中有着广泛的应用。在这类问题研究中，由于胃模型的复杂性，采用理论分析方法较难以实现，通常采用实验、在体监测、仿真计算等方法。由于胃肠道和消化过程中生物学、生理及神经系统的复杂性，实验往往不能很好的探讨人体胃的混合和消化过程，在体监测不仅昂贵，而且具有局限性，仿真方法则较好解决了以上问题，因而得到了学者们的广泛关注。
本文针对近端胃改进PG-TVT抗返流手术方案，建立手术方案术后站立姿态和平卧姿态下胃的三维几何模型，运用计算流体力学Fluent软件模拟患者术后站立和平卧姿态胃蠕动时胃内容物流动过程，比较分析不同粘度的胃内容物流动特征及不同手术方案抗反流力学机制。问题的研究为改进PG-TVT抗返流手术方案的有效性机理分析、临床患者术后饮食及手术方案的进一步改进提供理论及数值依据。
2 材料和方法
2.1几何模型
Pal[4]和Ferrua[5]研究了胃窦收缩波（Antral contraction wave，ACW）的数值模型。ACW起始于距幽门约15cm处，以2.5mm/s的恒定速度向幽门传播。ACW每20秒启动一次，1min内会有3个ACW存在。
根据改进PG-TVT抗反流手术方案运用三维建模软件SolidWorks建立手术后胃蠕动时模型如图1所示，站立姿态时，胃大弯横向瓣起到阻挡作用，当患者平卧姿态时，胃内侧横向瓣起到阻挡作用。
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图1 不同姿态下改进PG-TVT抗返流手术后手术后胃蠕动几何模型
2.2胃内容物物性参数
本文将食糜按粘度大小分成5类N1-N5，粘度范围为10-3（水）~10（蜂蜜），表1为对应的五种流体粘度及其密度值。
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2.3 网格、控制参数及边界条件设置
由于术后胃形状不规则，采用四面体及六面体混合网格对流场进行离散，离散后节点数为14249、网格数为80219。胃内食糜均假定为不可压流体，采用SIMPLE方法对问题求解。胃内初始设置为空气，幽门入口为液体，速度值为1m/s。计算过程中，重力加速度设置为-9.8m/s2。
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图 2 改进PG-TVT抗返流手术后胃蠕动模行网格划分
3 结果与讨论
3.1站立位改进PG-TVT抗返流手术不同粘性流体对比
图3分别是2.4s时刻改进PG-TVT抗返流手术不同粘性流体胃内流动的流线图。从图3（a）和（b）可以发现，胃内容物粘度为0.001、0.01时，胃蠕动产生的反向射流从幽门呈射流状冲向胃大弯壁面并沿着胃大弯壁向前流动。当胃内容物流经胃大弯壁处手术设置的横向瓣时，流体需绕过横向瓣沿着横向瓣壁面经胃小弯继续向前流动。当流体绕过胃大弯横向瓣后，会再次遇到胃内侧横向瓣的阻挡，一部分流体经胃内侧横向瓣阻挡产生涡流，另一部分流体绕过横向瓣流向贲门口。
当胃内容物粘度为0.1452、1、10时，随着胃内容粘度的逐渐增大，由于流体粘滞作用，此时流速较低，射流逐渐消失，胃内涡流也逐渐消失，幽门处反向射流在为体内流动时逐渐趋于呈层流状。当幽门处反向射流流经手术在胃大弯以及胃内侧处设置的横向瓣时，流体需绕过横向瓣才能向贲门流动。
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图3 常规PG手术后站立时胃内流场流线图
3.2平卧位改进PG-TVT抗返流手术不同粘性流体对比
图4中（a）和（b）分别是粘度为0.001、10时不同时刻改进PG-TVT抗返流手术后患者平卧姿态胃蠕动时胃内容物与空气分布的相图，其中右边为幽门进口，左边为贲门出口，胃内容物和空气分别用蓝色和红色表示。图5中（a）和（b）分别是对应图4中（a）和（b）胃内流场流线图。
从图4可以看出，胃内容物粘度较低时（粘度为0.001），流体从幽门入口进入胃体后在惯性力下会冲向胃体内，由于胃大弯横向瓣的存在，流体沿着胃小弯向前流动。流体经过胃内侧横向瓣时遇到阻挡会聚集在胃体内，只有流体继续增加且溢满胃体时，流体才能跃过胃内侧横向瓣流向贲门处口。当胃内容物粘度较大时（粘度为10)，由于流体的粘滞性较大，幽门进口不易形成射流，当胃内容物较少时，贲门处口不易产生反流物。
从图5中（a）和（b）可以看出，当粘度较小时，流体在流经胃胃大横向瓣和胃内侧横向瓣时都会遇到阻挡并在胃大弯横向瓣前方以及胃内侧横向瓣前方形成涡流，流体只有最终跃过胃内侧横向瓣才能到达贲门。当粘度较大时胃大弯横向瓣阻挡作用消失，流体趋于层流，但当流体流经胃内侧横向瓣时还会遭遇阻挡并在胃内侧横向瓣前方形成涡流。因此，手术后患者平卧姿态下，若进食量较少，胃内容物不会流入食管而产生反流。
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图5 不同时刻粘度为0.001Pa·s胃内流场流线图
4 结论
本文在所构建的改进PG-TVT抗返流手术后患者站立姿态和平卧姿态仿真模型基础上，针对不同粘度胃内容物反流过程进行了数值模拟。计算结果表明，胃内容物粘度对其反流过程具有明显的影响作用：
（1）当胃内容物粘度较大时，无论患者站立或平卧姿态，胃内容物流动较为缓慢，不易形成射流，在胃内容物较少的情况下，难以到达贲门。因此，胃内容物粘度较大时，不易形成反流。
（2）当胃内容物粘度较小时，患者站立姿态条件下，改进PG-TVT返流手术方案中手术设置胃大弯横向瓣瓣可以阻挡入射到胃大弯壁面的射流，当胃内容物绕过胃大弯横向瓣沿胃小弯向前流动时，流体流经胃内侧横向瓣时，胃内侧横向瓣会再次对其进行阻挡，此刻流体需绕过胃内侧横向瓣才能继续向前流动。患者平卧姿态条件下，胃内容物冲到胃大弯膜瓣时被阻挡，流体绕过胃大弯横向瓣沿胃小弯继续向前流动，当流体流经胃内侧横向瓣时遇到阻挡并在胃内侧横向瓣前方聚集。随着胃内容物增多，只有当流体充满胃体后流体才能跃过胃内侧横向瓣后才能流入贲门口。
因此，若合理控制饮食量，改进PG-TVT抗反流手术方案设置的膜瓣能够阻挡食管胃结合部腺癌患者手术后出现的胃内反流。
参考文献
[1] R S J, J S H. Classification of adenocarcinoma of the oesophagogastric junction[J]. The British journal of surgery, 1998, 85(11): 1457-1459.
[2] Isguder A S, Nazli O, Tansug T, et al. Total gastrectomy for gastric carcinoma[J]. Hepato-gastroenterology, 2005, 82(61): 302-304.
[3] S G Y, G S J, Chen Y H E A. Proximal gastrectomy with anti reflux anastomosis for patients with adenocarcinoma of the esophagogastric junction: The simple and safe triangle valve technique[J]. Molecular And Clinica Oncology, 2020, 8(12): 1233-1236.
[4] Pal A, Indireshkumar K, Schwizer W, et al. Gastric flow and mixing studied using computer simulation[J]. Proc Biol Sci, 2004, 271(1557): 2587-2594.
[5] Ferrua M J, Singh R P. Modeling the fluid dynamics in a human stomach to gain insight of food digestion[J]. J Food Sci, 2010, 75(7): 151-162.
基金项目：国家自然科学基金项目（11672271）；河南省高等学校重点科研项目（21A130004）
通讯作者：郭攀，Email: panguo@zzu.edu.cn