基于射頻能量的小腸組織焊接算法優(yōu)化研究

楊思航 周宇 臧連儒 林海嘯 康佳 丁紅雪

摘要：利用基于自制的射頻能量設(shè)備對胃腸組織焊接算法進(jìn)行優(yōu)化研究，通過改變終止電壓衰減量降低組織熱損傷，以防止組織結(jié)痂、碳化現(xiàn)象發(fā)生。在實(shí)驗(yàn)過程中，通過控制單一變量，完成豬小腸焊接實(shí)驗(yàn)，對終止電壓進(jìn)行不同系數(shù)的衰減，分別取衰減量（DV）為60%、80%和100%，采用爆破壓和熱損傷評估焊接結(jié)果。經(jīng)過爆破壓和熱損傷實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)果：當(dāng)調(diào)整電壓衰減量為60%、80%和100%時，爆破壓分別為9.387±0.4237KPa、10.17±0.5013KPa、9.286±0.4279KPa;熱損傷分別為0.3769±0.01948em、0.3988±0.01025cm、0.4194±0.01501cm。實(shí)驗(yàn)表明，在合適的電壓衰減系數(shù)算法下，熱損傷及爆破壓均有優(yōu)化。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該選取適當(dāng)?shù)碾妷核p系數(shù)，才可保證管腔組織閉合后具有較大的爆破壓和較小的熱損傷范圍。

關(guān)鍵詞：小腸吻合;射頻技術(shù);組織焊接;爆破壓;熱損傷;電外科

DOI：10.11907/rjdk.182920開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

中圖分類號：TP312文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2019）010-0065-04

0引言

隨著微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的高端醫(yī)療器械被應(yīng)用于手術(shù)，射頻能量設(shè)備在眾多電外科醫(yī)療器械中占有舉足輕重的地位。射頻能量設(shè)備是一類利用高頻電流熱效應(yīng)治療組織的器械。射頻能量發(fā)生器被廣泛用于醫(yī)院各類外科手術(shù)中，如皮膚科、五官科、泌尿科及內(nèi)窺鏡手術(shù)。

射頻能量焊接設(shè)備主要用于血管吻合焊接。在血管焊接過程中，由于血管壁富含膠原蛋白，在焊接設(shè)備作用時，可以使血管壁膠原蛋白和纖維蛋白溶解變性，血管壁融合形成透明帶，使血管閉合。但該設(shè)備較少用于腸道組織焊接，腸道組織焊接不僅需保證焊接部位具有足夠強(qiáng)度，周圍還需有更多存活的細(xì)胞，以便后期吻合口可自然愈合，將周圍組織的熱損傷需降到最低。研究發(fā)現(xiàn)，胃腸道主要組成部分有淋巴管網(wǎng)及大量膠原蛋白，與血管組織對比，胃腸組織結(jié)構(gòu)與其類似。

我國結(jié)直腸癌發(fā)病率、死亡例數(shù)分別占全世界發(fā)病和死亡總例數(shù)的18.6%和20.1%，均居第1位。根據(jù)國家癌癥中心全國腫瘤登記數(shù)據(jù)報(bào)告，我國城市和農(nóng)村地區(qū)結(jié)直腸癌發(fā)病率分別列所有惡性腫瘤的第3位及第5位，病死率分別居第4位和第5位。在世界范圍內(nèi)，結(jié)直腸癌發(fā)病率在男性惡性腫瘤中排名第3位，在女性惡性腫瘤排名第2位。傳統(tǒng)腸道吻合包括手工縫合和吻合器吻合。1908年，Hultl設(shè)計(jì)了第一個具有現(xiàn)代意義的吻合器，并在一次胃切除手術(shù)中取得了成功。Oprescu等對患有腸道炎的患者進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，吻合器吻合發(fā)生與吻合口裂開的概率比手工縫合分別高出29.4%和5.5%，因此不應(yīng)該認(rèn)為吻合器吻合優(yōu)于手工縫合。吻合器吻合和手工吻合之間的差異并不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。射頻焊接早在2006年即被應(yīng)用于腸道吻合的研究，Salameh等使用LigaSure對豬小腸進(jìn)行閉合，雖然研究結(jié)果并不理想，但為探索胃腸焊接技術(shù)提供了一個很好的思路。如果射頻焊接可成功應(yīng)用于腸道吻合，將會大大縮短手術(shù)時間。通過射頻能量使蛋白質(zhì)變性，并在壓力作用下使組織重新黏連在一起，可以極大彌補(bǔ)傳統(tǒng)手術(shù)缺點(diǎn)。所以研究如何通過射頻設(shè)備對腸道進(jìn)行焊接具有十分重要的意義。

影響焊接結(jié)果的兩個重要因素是吻合口強(qiáng)度與焊接過后的熱損傷范圍。本文通過爆破壓實(shí)驗(yàn)測試吻合口強(qiáng)度，通過紅外熱感成像儀測量熱損傷區(qū)域，在不同終止電壓衰減系數(shù)下，閉合豬小腸，探究不同終止電壓系數(shù)對吻合口爆破壓與熱損傷的影響。利用本文提出算法得出吻合口爆破壓強(qiáng)度高于正常人體胃腸壓力3倍以上，對比其他研究者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，熱損傷范圍降低至0.44cm。

1硬件介紹

本文實(shí)驗(yàn)使用自主研發(fā)的電外科射頻焊接設(shè)備。該系統(tǒng)硬件部分包括射頻板、低壓電源板、開關(guān)電源板和反饋板，并通過外部連接LigaSure手術(shù)器械作用在生物管腔組織上，設(shè)備結(jié)構(gòu)與實(shí)物如圖1所示。

本系統(tǒng)硬件工作原理為：通過低壓電源給設(shè)備主板各個模塊供電，開關(guān)電源將市電220V交流電轉(zhuǎn)換為0-200V可調(diào)的直流電;主板射頻放大器模塊可將開關(guān)電源的高壓直流電轉(zhuǎn)換為射頻信號，射頻信號為450K的正弦波，通過輸出變壓器隔離，作用到生物組織上;反饋板實(shí)時檢測生物組織狀態(tài)、阻抗的變化情況，通過實(shí)時判斷組織狀態(tài)，調(diào)整輸出模式，其中包括恒流模式、恒功率模式和恒壓模式，反饋板控制信號作用于開關(guān)電源，通過控制開關(guān)電源的直流電壓輸出，實(shí)現(xiàn)輸出能量控制;主板和人機(jī)界面互相通信，實(shí)時顯示組織阻抗信息和系統(tǒng)工作狀態(tài)，并可以通過人機(jī)交互界面對系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)配置。

2算法介紹

本文實(shí)驗(yàn)算法設(shè)計(jì)為：首先系統(tǒng)判斷生物組織的起始阻抗，由于生物組織細(xì)胞含水量各異，所以起始生物組織阻抗不同，系統(tǒng)對于不同的生物阻抗，施加不同的初始射頻能量，例如生物組織阻抗較小時，系統(tǒng)需要施加一個較大的起始能量，反之亦然。實(shí)時檢測生物組織阻抗時，系統(tǒng)輸出狀態(tài)會隨之改變，用PID算法對輸出參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，系統(tǒng)能量從起始的恒流模式到恒功率模式再到恒壓模式，防止系統(tǒng)對生物組織一直施加高額射頻能量引起樣本組織過度脫水，避免發(fā)生組織碳化和黏連、造成實(shí)驗(yàn)失敗。為控制吻合時間，可設(shè)置輸出能量截至?xí)r間。能量正常輸出達(dá)到截至?xí)r間時，人機(jī)界面提示焊接成功，設(shè)備未在截至?xí)r間完成焊接，則提示焊接失敗。

由于不斷施加射頻能量，LigaSurea手術(shù)器械鉗口電壓過高，可能造成組織碳化黏連，擴(kuò)大熱損傷區(qū)域。為避免因鉗口電壓過高導(dǎo)致組織受損情況嚴(yán)重，所以改進(jìn)電壓衰減算法。在組織受到射頻能量作用時，組織的水分不斷蒸發(fā)減少，組織阻抗不斷增加，如果持續(xù)施加大功率射頻能量，會使組織上的電壓越來越大，極易造成組織碳化，增大熱損傷范圍，造成不可逆后果。所以通過不斷改變電壓衰減量（DV）以減少組織熱損傷。終止電壓衰減量的調(diào)節(jié)方式為：感知到生物阻抗變化后，在恒功率條件下，隨著組織阻抗的減小，電壓會不斷增加，為避免電壓過高對組織造成損害，通過算法設(shè)計(jì)，控制下一秒輸出電壓幅值，使其按比例衰減。算法流程如圖2所示。

3實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1材料及分組

在屠宰場解剖豬后，將新鮮豬小腸取出，放在保溫箱中并用冰袋降溫，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。以豬小腸作為實(shí)驗(yàn)對象，用0.9%的生理鹽水清洗小腸，將小腸剪成50～60mm長度，使用同一根小腸，保證橫截面積相同，擺放在實(shí)驗(yàn)室的鋁盤上，準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)，剩余小腸浸泡在0.9%的生理鹽水中。實(shí)驗(yàn)分為3組，每組10個樣本。3組實(shí)驗(yàn)電壓衰減系數(shù)分別為60%、80%和100%。

3.2爆破壓平臺

爆破壓實(shí)驗(yàn)平臺包括：計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、恒流泵、三通管、注射器針頭和壓力計(jì)。壓力計(jì)、恒流泵和注射器針頭和三通管互相連接，保證三者壓強(qiáng)相同。通過恒流泵設(shè)置抽水速度為16.6rpm。將注射器針頭插入閉合過的小腸另一端，并用止血鉗夾緊，抽取0.9%的生理鹽水模擬人體血液，不斷注入小腸中。壓力計(jì)輸出的電壓值通過數(shù)據(jù)采集卡把信息傳到計(jì)算機(jī)，通過Labview編寫的程序可以觀察到小腸閉合口的壓力不斷上升，程序?qū)㈦妷褐缔D(zhuǎn)換為mmHg或者KPa，最后保存到Excel表格中。如果吻合口破裂，計(jì)算機(jī)會顯示出一個壓力峰值，將該壓強(qiáng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為壓強(qiáng)并記為該組實(shí)驗(yàn)的爆破壓。爆破壓實(shí)驗(yàn)平臺如圖3所示。

3.3熱損傷實(shí)驗(yàn)平臺

熱損傷實(shí)驗(yàn)平臺包括：FLIR A325sc紅外熱感成像儀、雙極LigaSurea手術(shù)器械、夾具臺和計(jì)算機(jī)。在系統(tǒng)對實(shí)驗(yàn)樣本進(jìn)行焊接時，夾緊需要吻合的樣本。通過設(shè)備腳踏開關(guān)，使射頻能量施加在樣本上，通過人機(jī)界面觀察實(shí)驗(yàn)完成。在計(jì)算機(jī)上觀察紅外熱成像儀采集的溫度圖像，通過計(jì)算機(jī)軟件，把實(shí)驗(yàn)過程中溫度變化信息存儲下來。熱損傷平臺如圖4所示。熱損傷溫度超過45℃的區(qū)域，在紅外熱感成像儀中顯示如圖5所示，該圖為器械作用時溫度圖，本實(shí)驗(yàn)測量區(qū)域包括以中心為對稱軸、單側(cè)高于45℃的區(qū)域。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1.1不同電壓衰減系數(shù)對豬小腸吻合口爆破壓的影響

當(dāng)射頻能量輸出，電壓衰減系數(shù)分別為60%、80%和100%時，實(shí)驗(yàn)樣本豬小腸的吻合爆破壓分別為9.387±0.4237KPa、10.17±0.5013KPa和9.286±0.4279KPa。對每兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，采用GraphPad Prism軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行T檢驗(yàn)，60%和80%兩組數(shù)據(jù)P值為0.2538;80%和100%，P值為0.2021;60%和100%，P值為0.8692;P值均大于0.05。3組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)兩兩互相不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但通過均值的變化趨勢可以觀察到，在電壓衰減系數(shù)為80%時，吻合口具有最高的爆破壓。圖6為不同電壓衰減系數(shù)下豬小腸吻合口的爆破壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

4.1.2不同電壓衰減系數(shù)對豬小腸吻合口熱損傷的影響

當(dāng)射頻能量輸出，電壓衰減系數(shù)分別為60%、80%和100%時，實(shí)驗(yàn)樣本豬小腸的熱損傷區(qū)域分別為0.3769±0.01948cm、0.3988±0.01025cm和0.4194±0.01501cm。對每兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，60%和80%兩組數(shù)據(jù)P值為0.3372;80%和100%，P值為0.2756;60%和100%，P值為0.1059。3組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)兩兩互相不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但通過均值的變化趨勢可以觀察到，在電壓衰減系數(shù)低時，具有更低的熱損傷范圍。在不進(jìn)行電壓衰減時，熱損傷區(qū)域最大。圖7為不同電壓系數(shù)下豬小腸吻合口的熱損傷實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

4.2實(shí)驗(yàn)分析

通過本實(shí)驗(yàn)平臺完成對豬小腸的焊接實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示在電壓衰減系數(shù)為80%時，吻合口具有最大爆破壓為10.17±0.5013KPa，在電壓衰減系數(shù)為60%時，吻合口有最小的熱損傷為0.3769±0.01948em。在射頻能量不斷施加的過程中，隨著細(xì)胞內(nèi)水分不斷減少，組織阻抗逐漸降低，所以流過低阻抗部分的電流會隨之增加，使溫度不斷升高，在不調(diào)整電壓衰減系數(shù)情況下，組織熱損傷范圍不斷增大，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，在電壓衰減系數(shù)最低時，熱損傷范圍最小。所以為使熱損傷范圍最低，可以調(diào)整電壓衰減系數(shù)為60%，此時吻合口的爆破壓強(qiáng)度足夠高。正常人體小腸壓強(qiáng)為0.83KPa～1.03KPa，最高壓強(qiáng)不會超過2.05KPa。在電壓衰減算法下，對于3種不同電壓衰減系數(shù)，吻合口的爆破壓均大于人體小腸內(nèi)最大壓強(qiáng)3倍以上，說明本實(shí)驗(yàn)吻合口強(qiáng)度足夠高，已具有足夠的安全性。有研究者以同種實(shí)驗(yàn)方法測量熱損傷范圍，記45℃以上為熱損傷區(qū)域，采用紅外熱感成像儀測量LigaSurea器械產(chǎn)生的熱損傷范圍平均值為0.44cm，通過對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，本算法也具有較優(yōu)的結(jié)果。

5結(jié)語

目前射頻焊接吻合技術(shù)無疑是一種最具有前景的結(jié)直腸吻合技術(shù)。在消化道重建手術(shù)中，運(yùn)用電外科焊接設(shè)備對組織進(jìn)行焊接，耗時短、對醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)要求較低且成本大幅下降。這種組織焊接技術(shù)可廣泛應(yīng)用于臨床，所以本文的算法設(shè)計(jì)具有極大的研究意義。

本文不足之處在于實(shí)驗(yàn)樣本為豬小腸，不能完全比擬人體腸道組織。在安全性和操作性更加完善時，可進(jìn)行其它動物實(shí)驗(yàn)，為以后臨床實(shí)驗(yàn)提供一個更穩(wěn)定的基礎(chǔ)。