射頻組織焊接技術(shù)用于結(jié)直腸吻合的探索性研究

趙靈犀 周 宇 卓長華 李心翔 李殿立 鄢盛杰 嚴(yán)博文 歐孔武 宋成利*

1(上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093)

2(復(fù)旦大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院大腸外科，上海 200032)

3(復(fù)旦大學(xué)上海醫(yī)學(xué)院腫瘤學(xué)系，上海 200032)

4(福建醫(yī)科大學(xué)教學(xué)醫(yī)院，福建省腫瘤醫(yī)院腹外科，福州 350014)

5(重慶大學(xué)生物工程學(xué)院，重慶 400044)

引言

結(jié)直腸癌的發(fā)病率近年來有迅猛增高的趨勢，在我國已居惡性腫瘤的第4或5位［1］。目前治療該疾病的方法，主要采用切除病變腸段，對合余下的正常組織，重新形成結(jié)構(gòu)完整、功能正常的腸道。由于吻合器吻合與手工縫合同樣屬于非連續(xù)性的組織對合，會(huì)殘留異物，術(shù)后吻合口瘺、出血等并發(fā)癥的發(fā)生率并未降低［2］。近年來，新型的吻合方法如鎳鈦記憶合金加壓吻合夾(nickel-titanium shape memory alloy compression anastomosis clip，CAC)或吻合環(huán)(nickel-titanium shapememoryalloy compression anastomosis ring，CAR)［3－4］和磁加壓吻合法(magnetic compression anastomosis，MCA)［5－6］等陸續(xù)成功實(shí)施，但在吻合環(huán)或吻合夾未脫離及排出體外前，如果發(fā)生吻合口泄漏、破裂等，會(huì)導(dǎo)致更為嚴(yán)重的后果，故尚未在臨床上廣泛應(yīng)用。

曾經(jīng)有學(xué)者嘗試通過激光能量焊接生物組織，以迅速完成無異物殘留的腔道吻合［7－8］。但由于激光儀器價(jià)格昂貴，又沒有精細(xì)的配套器械，該技術(shù)并未得到推廣。

近年來電外科(electrosurgery)技術(shù)的發(fā)展，為生物組織焊接提供了可能性。由于結(jié)直腸組織擁有一定的膠原蛋白［9］，在射頻能量加熱組織時(shí)，膠原變性產(chǎn)生粘連，結(jié)合機(jī)械壓力，可以使腸漿膜層組織緊緊粘連在一起，于是有學(xué)者在這方面進(jìn)行了積極的探索。2006年 Salameh等［10］使用 Valleylab公司的儀器，對離體的豬小腸進(jìn)行了焊接閉合，但爆破壓明顯低于金屬釘閉合組，且發(fā)現(xiàn)破裂多發(fā)生于吻合口中部。2007年Smulders等利用4例活體豬回腸組織對比了側(cè)－側(cè)焊接吻合與手工縫合的效果差異［11］。通過組織病理切片，他們發(fā)現(xiàn)手工縫合處出現(xiàn)大量炎癥細(xì)胞增生及異物性肉芽腫，但射頻焊接部位卻出現(xiàn)了無炎性浸潤的肉芽組織愈合，在黏膜下層更是出現(xiàn)了新合成的膠原蛋白，并在愈合邊界處可見組織重新上皮化。除上述研究外，國際上還有幾個(gè)團(tuán)隊(duì)也開展了該領(lǐng)域的研究［12－14］。

射頻能量焊接生物組織的機(jī)理尚未完全闡明，組織焊接的關(guān)鍵技術(shù)還有待進(jìn)一步的深入研究。本研究利用特殊設(shè)計(jì)的焊接器械、射頻能量發(fā)生平臺和溫度測控系統(tǒng)，完成了8次豬的離體結(jié)直腸端-端吻合實(shí)驗(yàn)。通過組織病理切片研究了壓合壓強(qiáng)、射頻能量輸出功率、溫度對結(jié)直腸焊接吻合的牢固程度及熱損傷影響，為開展活體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)，同時(shí)為研發(fā)無異物殘留的腸道吻合技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 裝置結(jié)構(gòu)及功能

射頻結(jié)直腸吻合裝置結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。射頻能量發(fā)生平臺由能量發(fā)生模塊、數(shù)據(jù)采集分析模塊、溫度測量模塊組成。射頻能量發(fā)生模塊(見圖2)、溫度測量模塊和焊接器械由上海理工大學(xué)微創(chuàng)醫(yī)療器械工程研究中心自主研發(fā)。溫度測量模塊采集焊接區(qū)域的溫度變化，將信號傳輸至數(shù)據(jù)采集分析模塊(PCI 6221，National Instrument Inc，美國)，控制能量發(fā)生模塊的開閉，實(shí)施閉環(huán)控制。壓力夾持裝置(5965，Instron Inc，美國)用于提供不同的初始壓力，壓力數(shù)值預(yù)先設(shè)定，通過液晶屏幕顯示。焊接器械的上、下緊固件采用絕緣耐高溫材料制成，金屬電極有安放熱電偶(Type K，Omega Engineering Inc，美國)的孔，熱電偶直接與焊接區(qū)域接觸。

圖1 射頻結(jié)直腸吻合裝置結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structurediagram ofradio-frequency colorectal anastomosis device

圖2 射頻能量發(fā)生模塊Fig.2 Radio-frequency energy generator module

1.2 材料與方法

1.2.1 取材與分組

自屠宰場采集成年豬的結(jié)直腸，用0.9%的生理鹽水略微沖洗腸道內(nèi)部去除糞便，置于標(biāo)本袋中以PBS浸泡，保持0～4℃環(huán)境在2 h內(nèi)運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室。

樣本長約50 mm，一端用1號縫合線制作成荷包，共8對樣本隨機(jī)平均分為4組。每次實(shí)驗(yàn)將成對的2個(gè)樣本分別套在上、下緊固件，用壓力夾持裝置壓緊，如圖3所示。共完成了8次豬的離體結(jié)直腸端-端吻合實(shí)驗(yàn)。

1.2.2 方法與參數(shù)設(shè)置

圖3 結(jié)直腸組織焊接實(shí)驗(yàn)Fig.3 Experiment of colorectal tissue fusion

所有實(shí)驗(yàn)的射頻能量頻率為450 kHz，在以預(yù)設(shè)的功率輸出過程中，焊接部位持續(xù)加壓240 s。利用溫度進(jìn)行閉環(huán)控制，使焊接區(qū)域的最高溫度始終維持在一定范圍。當(dāng)溫度高于設(shè)定溫度上限時(shí)，自動(dòng)停止能量輸出，直至溫度低于下限值，能量重新開始輸出。本次實(shí)驗(yàn)所有最高焊接溫度均維持在(95±5)℃。

詳細(xì)參數(shù)設(shè)置見表1。第Ⅰ、Ⅱ組樣本壓合壓強(qiáng)為1125 kPa［12］，第Ⅲ、Ⅳ組2658 kPa，該壓強(qiáng)參數(shù)通過計(jì)算預(yù)設(shè)壓力與焊接電極表面積之比獲得。

第Ⅰ、Ⅲ組射頻能量輸出功率為50 W，第Ⅱ、Ⅳ組輸出功率為70 W，整個(gè)過程維持恒定輸出功率。

表1 實(shí)驗(yàn)分組及參數(shù)設(shè)置Tab.1 The experiment group and parameters setting

2 結(jié)果

2.1 組織焊接效果

圖4是第Ⅱ組樣本焊接完成后的實(shí)物圖。圖4(a)為漿膜面，方框內(nèi)區(qū)域焊接縫清晰可見，無開裂。焊接縫周圍的組織顏色偏白，為熱損傷區(qū)域。圖4(b)為同一樣本的黏膜面，方框內(nèi)焊接縫的周圍熱損傷不明顯。

2.2 吻合部位病理切片結(jié)果

圖4 焊接后腸組織實(shí)物圖(第Ⅱ組)。(a)漿膜面;(b)黏膜面Fig.4 Pictures of fusion colorectal tissue(Group Ⅱ).(a)Serosal layer;(b)Mucosal layer

圖5(a)為第Ⅱ組HE染色結(jié)果，星標(biāo)記的腸黏膜組織清晰可見，與被焊接部位組織分界明顯。實(shí)心箭頭所指為吻合口焊接區(qū)域，漿膜層融合在一起，其間的分界完全消失?？招募^所指的焊接區(qū)域到非焊接區(qū)域的過渡部位不明顯，黏膜保存完好。圖5(b)為第Ⅳ組HE染色結(jié)果，星標(biāo)記區(qū)域?yàn)榉呛附訁^(qū)域，黏膜組織形態(tài)完整。實(shí)心箭頭所指為吻合口焊接區(qū)域，有部分殘余的黏膜組織附著，漿膜層貼合在一起，但其間仍存在一定縫隙，未完全融合，焊接失敗。此外，空心箭頭所指的焊接區(qū)域與正常組織交界部位存在較大空隙，該部位腸黏膜受損較為嚴(yán)重。對比圖5中(a)和(b)可以發(fā)現(xiàn)，焊接區(qū)域與正常組織交界部位的空隙，后者明顯大于前者。

3 討論和結(jié)論

對已有電外科器械進(jìn)行的研究中，壓合壓強(qiáng)、功率、作用時(shí)間等，是影響血管閉合牢固程度的重要因素。在本研究中，既要保證組織焊接的牢固，又要考慮吻合口的愈合條件，因此對壓合壓強(qiáng)、射頻能量的形式和溫度等條件都有更精確的要求。在器械設(shè)計(jì)時(shí)，要選擇不易粘連生物組織的材料作為焊接的電極，避免器械與組織分離時(shí)吻合口撕裂。

圖5(b)漿膜層之間的縫隙表明焊接未成功，這種情況在活體中會(huì)導(dǎo)致吻合口泄漏、出血等并發(fā)癥，提示應(yīng)考慮吻合口達(dá)到一定泄漏壓力的重要性。已有的爆破壓測量國際標(biāo)準(zhǔn)僅針對血管［15］，對于腸道焊接吻合后泄漏壓測量的標(biāo)準(zhǔn)尚無參考依據(jù)，需盡快開展相關(guān)研究。

圖5 HE染色結(jié)果(星標(biāo)記為非焊接區(qū)域，實(shí)心箭頭所指為焊接區(qū)域，空心箭頭所指為焊接區(qū)域與正常組織交界部位)。(a)第II組;(b)第Ⅳ組Fig.5 HE staining results(Star marks non-fusion area.Solid arrow marks fusion area.Hollow arrow marks boundary area between fusion and non-fusion area).(a)Group II;(b)GroupⅣ

3.1 壓合壓強(qiáng)對焊接效果的影響

為了保證術(shù)后吻合口愈合良好，壓合壓強(qiáng)并不是越大越好，有研究證明壓合壓強(qiáng)過大反而會(huì)降低焊接的牢固程度，這可能與組織結(jié)構(gòu)的過度破壞有關(guān)［11］。

圖5(a)和5(b)分別來自第II組和第IV組樣本，通過觀察焊接區(qū)域與非焊接區(qū)域分界部位可以發(fā)現(xiàn):在能量輸出功率、焊接持續(xù)時(shí)間、最高溫度范圍均相同的條件下，壓合壓強(qiáng)較大的IV組黏膜損傷更嚴(yán)重，這種損傷包括機(jī)械損傷和熱損傷。

目前尚不清楚壓強(qiáng)過大是否會(huì)導(dǎo)致熱傳導(dǎo)緩慢，引起焊接部位周圍的組織熱損傷。焊接過程中，生物組織會(huì)發(fā)生皺縮，初始壓合壓強(qiáng)會(huì)逐漸減小，對焊接效果的影響有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)討論。

3.2 功率對焊接效果的影響

在實(shí)驗(yàn)中，射頻能量輸出功率相比溫度對焊接效果造成的影響并不明顯。第I組和第II組樣本使用相同的壓合壓強(qiáng)和焊接時(shí)間，施加不同功率，通過組織病理切片觀察焊接部位組織形態(tài)并無太大差異。造成這種結(jié)果的原因可能與焊接過程中最高溫度的控制有關(guān)。但也有學(xué)者認(rèn)為，過低的射頻能量功率是無法完成組織焊接的［16］。

目前臨床運(yùn)用中較先進(jìn)的射頻能量發(fā)生器產(chǎn)品主要是針對血管閉合功能設(shè)計(jì)的，其能量控制的方式是否適用于射頻焊接腸道吻合尚未評估驗(yàn)證，組織焊接所需的射頻能量大小還需要實(shí)驗(yàn)探討。

3.3 溫度對焊接效果的影響

所有樣本焊接區(qū)域均采取了相同的溫度控制措施，但壓合壓強(qiáng)的差異仍然影響了焊接效果，可見單一用溫度參數(shù)判斷焊接效果是不全面的。需要采用生物電阻抗［17］或含水量［13－14］等參數(shù)相結(jié)合的方式進(jìn)行判斷，對于這些參數(shù)在組織焊接中的變化規(guī)律也是值得研究的。

在實(shí)驗(yàn)中，還發(fā)現(xiàn)焊接區(qū)域周圍組織溫度的分布不均勻。通常水平位置高的部位，在焊接時(shí)溫度遠(yuǎn)高于低的部位。通過觀察發(fā)現(xiàn)，該現(xiàn)象與生物組織中的水分受熱向上蒸騰有關(guān)，故在器械設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮對不同區(qū)域采取恰當(dāng)?shù)臏囟瓤刂撇呗裕?8］。尤其是焊接部位周邊的組織，盡量保證其所處溫度不高于40℃［19］，否則有可能使蛋白質(zhì)發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的變性，影響吻合口的愈合。

綜上所述，射頻組織焊接技術(shù)用于結(jié)直腸吻合手術(shù)有一定的可行性，但現(xiàn)有研究中缺乏對射頻組織焊接的機(jī)理探索，沒有建立評估該方法安全性的標(biāo)準(zhǔn)，在熱損傷控制和能量反饋控制方面沒有明確的方法，組織愈合的效果未知。要解決以上問題，首先需要進(jìn)行大量的離體實(shí)驗(yàn)，從而建立起生物效應(yīng)與物理參數(shù)之間的量化關(guān)系。其次要開展活體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，對手術(shù)安全性和傷口愈合的情況進(jìn)行評估。除此之外，射頻能量的精確控制，手術(shù)器械的精密結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工等是工程科學(xué)需要解決的核心問題。

［1］郁寶銘.結(jié)直腸癌外科治療的現(xiàn)狀和展望［J］.中華普外基礎(chǔ)與臨床雜志，2008，15(9):631－640.

［2］Breitenstein S，Rickenbacher A，Berdajs D，et al.Systematic evaluation of surgical strategies for acute malignant left-sided colonic obstruction［J］.Br J Surg，2007，94(12):1451 －1460.

［3］Zbar AP，Nir Y，Weizman A，et al.Compression anastomoses in colorectal surgery:a review ［J］.Tech Coloproctol，2012，16(3):187－199.

［4］Song Chengli，F(xiàn)rank T，Cuschieri A.Shape memory alloy clip for compression colonic anastomosis［J］.J Biomech Eng，2005，127(2):351－354.

［5］Pichakron KO，Jelin EB，Hirose S，et al.Magnamosis II:Magnetic compression anastomosis for minimally invasive gastrojejunostomy and jejunojejunostomy［J］.J Am Coll Surg，2011，212(1):42－49.

［6］Jamshidi R，Stephenson JT，Clay JG，et al.Magnamosis:magnetic compression anastomosis with comparison to suture and staple techniques［J］.J Pediatr Surg，2009，44(1):222 －228.

［7］Guthrie CR，Murray LW，Kopchok GE，et al.Biochemical Mechanisms of Laser Vascular Tisue Fusion［J］.Journal of Investigative Surgery，1991，4(1):3－12.

［8］Bass LS，Moazami N，Pocsidio J，et al.Change in Type I Collangen Following Laser Welding［J］.Lasers in Surgery and Medice 1992，12(5):500－505.

［9］Stumpf M，Klinge U，Wilms A，et al.Change of the extraellular matrix as a risk for anastomosis leakage after large bowel surgery［J］.Surgery，2005，137(2):229 －234.

［10］Salameh JR，Schwartz JH，Hildebrandt DA.Can LigaSure seal and divide the small bowel?［J］.Am J Surg，2006，191(6):791－793.

［11］Smulders JF，de Hingh IH，Stavast J，et al.Exploring newtechnologies to facilitate laparoscopic surgery:creating intestinal anastomoses without sutures or staples，using a radio-frequencyenergy-driven bipolar fusion device ［J］.Surgical Endoscopy，2007，21(11):2105－2109.

［12］Holmer C，Winter H，Kroger M，et al.Bipolar radiofrequencyinduced thermofusion of intestinal anastomoses—feasibility of a new anastomosis technique in porcine and rat colon ［J］.Langenbecks Arch Surg，2011，396(4):529－533.

［13］Floume T，Syms RR，Darzi AW，et al.Real-time optical monitoring of radio-frequency tissue fusion by continuous wave transmission spectroscopy［J］.J Biomed Opt，2008，13(6):064006.

［14］Floume T，Syms RR，Darzi AW，et al.Optical，thermal，and electrical monitoring of radio-frequency tissue modification ［J］.J Biomed Opt，2010，15(1):018003.

［15］ASTM International Designation:F 2392 －10，Standard Test Method for Burst Strength of Surgical Sealant［S］.

［16］Hoebeke PB，Zubair S，Oosterlinck W，et al.Low-voltage coagulation for welding sutures watertight:an experimental study［J］.Urol Res，1992，20(6):452 －457.

［17］Nader NM，Ned C，Douglas PS. Electrosurgery:History，Principles，and Current and Future Uses［J］.J Am Coll Surg，2006，202(3):520－530.

［18］Song Chengli，Tang Benjie，Campbell PA，et al.Thermal spread and heat absorbance differences between open and laparoscopic surgeries during energized dissections by electrosurgical instruments［J］.Surg Endosc，2009，23(11):2480 –2487.

［19］董瑞新，閆循領(lǐng)，江山，等.膠原蛋白溫度效應(yīng)的Raman光譜研究［J］.光譜學(xué)與光譜分析，2004，24(11):1367－1369.