生物固體流變學(xué)在外科吻合器設(shè)計(jì)及臨床中的應(yīng)用

吳惟民，董文瑞

（健瑞寶醫(yī)療器械有限公司研發(fā)部，江蘇常州213022）

0 引言

外科消化道重建和臟器切除手術(shù)中手工吻合與器械吻合主要的區(qū)別是：手工吻合中被縫合組織幾乎不承受任何壓榨力，但器械吻合時(shí)吻合器對(duì)組織存在一定的壓榨力，組織上壓榨力的大小，壓榨的時(shí)間，壓榨的形式對(duì)組織將產(chǎn)生何影響？在壓榨下組織將會(huì)發(fā)生怎樣的變化？這些問(wèn)題是器械設(shè)計(jì)人員和臨床醫(yī)生都必須要深刻了解的。器械夾持生物固體時(shí)具有一定的壓力，許多設(shè)計(jì)人員錯(cuò)誤地認(rèn)為組織上加壓是為了得到更好的止血效果。筆者認(rèn)為對(duì)組織加壓主要是在釘合時(shí)確保組織不移動(dòng)，確保縫釘能正確成型，器械的鉗口對(duì)組織過(guò)度的加壓絲毫沒(méi)有止血的效果，反而會(huì)造成組織的壓力性損傷或壓力性爆破損傷。

用各類縫（吻）合器來(lái)完成消化道重建和臟器的切除手術(shù)時(shí)，會(huì)經(jīng)常碰到臨床上的三大并發(fā)癥：出血、吻合口漏/瘺、吻合口狹窄。這些并發(fā)癥與病人本身的原因及醫(yī)生手技有關(guān)外，與吻合器也有直接的關(guān)系。

目前很少有吻合器設(shè)計(jì)人員關(guān)注這類問(wèn)題。在器械的設(shè)計(jì)或在臨床上所見(jiàn)，器械使用上的概念也比較混亂。例如器械對(duì)組織的快速壓榨或過(guò)度壓榨，快速擊發(fā)，不考慮組織厚度變化，統(tǒng)一以一個(gè)厚度來(lái)應(yīng)對(duì)所有厚度的生物固體，一個(gè)藍(lán)釘倉(cāng)（指吻合器的固定間隙在1.5 mm左右）應(yīng)用在所有厚度的組織上，或無(wú)器械上的最小間隙設(shè)定等錯(cuò)誤設(shè)計(jì)屢見(jiàn)不鮮。究其原因是在吻合器行業(yè)中絕大多數(shù)都是“依葫蘆畫瓢”，但很多時(shí)候也并沒(méi)畫好，國(guó)外的有些設(shè)計(jì)并沒(méi)有真正理解，很少有自己的創(chuàng)新。主要體現(xiàn)在缺乏生物固體受壓后，因壓榨方式、壓榨速度、壓力大小等不同而流變不同的觀察與理解。在吻合器研發(fā)過(guò)程中缺少一個(gè)理論的支持。筆者認(rèn)為建立一個(gè)外科吻合器研發(fā)的基礎(chǔ)理論體系來(lái)指導(dǎo)吻合器的設(shè)計(jì)工作越發(fā)顯得重要，即生物固體流變學(xué)。

生物固體受壓后流變的特點(diǎn)和愈合過(guò)程是怎樣的？這些問(wèn)題不僅臨床醫(yī)生需要了解，同樣吻合器的研發(fā)人員也要予以高度重視，才能設(shè)計(jì)出更能符合臨床使用要求的器械。為此筆者提出建立生物固體流變學(xué)的概念，該觀念的建立是初步的，可能還不完整，甚至有缺陷。健瑞寶公司開(kāi)創(chuàng)吻合器行業(yè)中的先河，為提升國(guó)內(nèi)吻合器行業(yè)的整體研發(fā)水平奠定基礎(chǔ)。

首先必須對(duì)手術(shù)中所涉及組織的特性有清晰理解。常見(jiàn)的胃腸、血管、脂肪結(jié)締組織的特性，其所屬生物固體類別及物理特性，在受壓榨變化時(shí)將遵循的原則等，在吻合器設(shè)計(jì)或應(yīng)用中應(yīng)盡可能避免這些特性帶來(lái)的負(fù)面影響。并在器械設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮和利用這些組織的固有物理特性，以達(dá)到理想的組織縫合效果，減少各類并發(fā)癥的發(fā)生。

1 生物流變學(xué)

生物流變學(xué)（Biorheology)是研究生物系統(tǒng)的流動(dòng)及變化特性、變形及其在生命活動(dòng)中意義的邊緣學(xué)科力學(xué)的一個(gè)分支［1］。例如有人將人體的血液黏度，血壓及血管內(nèi)壁的粗糙程度結(jié)合起來(lái)研究血液的流變來(lái)解釋血栓及血管破裂的相互關(guān)系。

吻合器使用中會(huì)涉及人體胃腸道的肌性組織，肝、脾、胰的實(shí)質(zhì)性組織，脂肪結(jié)締組織等，這些組織是不同于體液的一種組織，既有固體也有液體，如膠原蛋白等。將這些組織定義為生物固體，也有人稱其為軟固體，它不同于一般固體（固體具有彈性特征F=E×ΔX），是一種非胡克彈性體。而生物固體其應(yīng)變特性為：應(yīng)力和應(yīng)變曲線不僅不是直線的，而且應(yīng)力和加荷曲線不重合形成滯回曲線［2］（見(jiàn)圖1）。研究這些非胡克生物彈性體的特異變形性和各向異性及其產(chǎn)生原因，條件和影響因素及之間的關(guān)系，則被稱為是生物固體流變學(xué)（Biologic Solid Rheology)。

圖1 滯回曲線

總應(yīng)變是彈性應(yīng)變+黏性應(yīng)變之和：

σ=E×ε+μ×（dε/dt）

式中：E為彈性模量（組織所固有的）；ε為變形量；μ為黏度系數(shù)（組織所固有的）；dε/dt為變形量對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)關(guān)系。

1.1 生物固體的黏彈性

生物固體的一個(gè)顯著特性——黏彈性（Viscoelasticity），用直線切割吻合器作生物固體黏彈性實(shí)驗(yàn)。在器械的鉗口中夾一個(gè)生物固體（豬胃），在夾持組織的0 s時(shí)有一個(gè)組織的厚度值，隨著時(shí)間的推移（約15 s），壓榨的厚度發(fā)生了壓縮0.55 mm的變化（見(jiàn)圖2），該變化與壓力值及時(shí)間有關(guān)系，稱之為生物固體的黏彈性。

圖2 壓榨0～15 s，生物固體的厚度發(fā)生了0.55 mm變化

常見(jiàn)具有黏彈性的物質(zhì)有混凝土、高聚合材料、生物組織等。生物固體的組成主要由水、彈性蛋白、膠原質(zhì)體等組成。生物固體既具有彈性性質(zhì)，又具有黏性性質(zhì)。通常服從于胡克定律和非牛頓黏性定律。黏彈性體在一定外力的作用下，產(chǎn)生彈性變形，且變形隨一定的時(shí)間而變化,稱之為生物固體的黏彈性（Viscoelasticity）。其變形的特征呈滯后性（Hysteresis），是黏彈性體的一個(gè)基本特征。由試驗(yàn)可知，當(dāng)器械在生物固體上（離體豬胃）加壓時(shí)，壓力基本保持不變，15 s后其厚度隨時(shí)間的推移而發(fā)生變化（0.50～0.55 mm），但過(guò)了變化期，其厚度又基本保持不變（見(jiàn)圖1）。即在消化道重建和臟器的切除手術(shù)中所涉及的各類組織都具有黏彈性特征，并由黏彈性導(dǎo)出的其他生物固體變形的特征，其3個(gè)特性都是生物固體受壓后其黏彈性的具體表現(xiàn)形式（見(jiàn)圖3）。

圖3 由生物固體的黏彈性導(dǎo)出的基本變形特征

1.1.1 生物固體的雙階段性（Biphasic）

當(dāng)生物固體受外力擠壓時(shí)，要產(chǎn)生黏彈性變形，在一定的時(shí)間作用下，由于流變，被擠壓生物固體會(huì)趨于固體特性，呈現(xiàn)彈性體特征，遵循虎克定律（ΔF=k×ΔX）。生物固體受壓的初始階段其變形是瞬間發(fā)生的，與加壓的時(shí)間無(wú)關(guān)，呈現(xiàn)出彈性特征，繼續(xù)變形與時(shí)間有關(guān)，呈現(xiàn)出黏彈性特征。當(dāng)變形達(dá)到一定量時(shí)，如外力保持不變，它將趨于一個(gè)平衡態(tài)。時(shí)間將與平衡態(tài)無(wú)關(guān)，即當(dāng)處于一個(gè)平衡態(tài)時(shí)，在組織上壓榨的時(shí)間并不影響組織的壓榨厚度。

由該特性可知，在使用吻合器時(shí)，夾持生物固體后應(yīng)等待一段時(shí)間，讓生物固體充分發(fā)生流變。實(shí)驗(yàn)證明等待15～20 s最佳，等待時(shí)間太久也沒(méi)必要，因?yàn)樯锕腆w的雙階段性，受壓達(dá)到平衡時(shí)，其壓榨的厚度幾乎不再變化。這就是吻合器夾持生物固體后要等待一段時(shí)間（10～15 s）的原因。但太多的等待時(shí)間不會(huì)使生物固體壓榨厚度進(jìn)一步變化，且在臨床上過(guò)多時(shí)間的等待也是不現(xiàn)實(shí)的。

1.1.2 生物固體的蠕變性（Creeping）

蠕變即為緩慢地流動(dòng)變化。當(dāng)生物固體受外力擠壓時(shí)，其組織內(nèi)的液體（如血液、淋巴液、黏液等）發(fā)生流變，與該物體的固有特性和力作用的時(shí)間有關(guān)。生物固體的流變需要足夠的流變時(shí)間及空間，生物固體的蠕變直接與時(shí)間有關(guān)，與生物固體的雙階段性也有內(nèi)在的聯(lián)系。當(dāng)過(guò)大外力的瞬間施加或流變過(guò)快時(shí)，生物固體內(nèi)的液體流動(dòng)變化跟不上生物固體上壓力的變化，被擠壓的物質(zhì)會(huì)找生物固體最薄弱之處爆破，即造成壓力性爆破損傷，其原因是加壓過(guò)快，超出其蠕變所需要的足夠時(shí)間（見(jiàn)圖4）。如，用手緩慢擠壓氣球，它不會(huì)爆破，但非?？焖俚?cái)D壓，內(nèi)在的氣體來(lái)不及流變，氣球很可能爆破。

圖4 加壓過(guò)快造成生物固體的壓力性爆破損傷

當(dāng)被壓榨生物固體的周邊缺少流變空間時(shí)，雖然沒(méi)有快速施加壓力但因?yàn)闆](méi)有足夠空間來(lái)容納被擠出的液體，同樣也有可能會(huì)對(duì)生物固體造成壓力性爆破損傷（見(jiàn)圖5）。如吻合器對(duì)生物固體的壓縮比過(guò)大（大于3倍以上），過(guò)大的壓縮比會(huì)造成生物固體的黏膜斷裂。

圖5 缺少流變空間造成生物固體的壓力性爆破損傷

由該特性可知，對(duì)生物固體的壓榨不能太快且還要有足夠的流變空間。吻合口間應(yīng)保持足夠的距離（要有足夠的流變空間），否則也會(huì)造成生物固體的壓力性爆破損傷。

在器械設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能避免組織的急速變形，給組織厚度突然間的變化，這是器械設(shè)計(jì)時(shí)必定要考慮的問(wèn)題之一。

1.1.3 生物固體的順應(yīng)性（Compliance）

當(dāng)生物固體在外界的一定壓力下壓榨時(shí)，卸荷后（類似吻合器完成擊發(fā)后，從組織上移開(kāi)），生物固體回復(fù)至原先狀態(tài)的程度及所需時(shí)間的長(zhǎng)短，稱之為組織的順應(yīng)性（如肌性組織的順應(yīng)性應(yīng)大于實(shí)質(zhì)性組織）。如過(guò)度、持續(xù)擠壓造成生物固體的缺血、缺氧、毛細(xì)血管通透性增加，當(dāng)外界壓力解除后，局部血液循環(huán)重建，組織間隙出血。很多時(shí)候雖然生物固體有很強(qiáng)的自我修復(fù)功能，也能愈合，但往往也會(huì)是一種疤痕性愈合過(guò)程。生物固體壓榨性損傷與生物固體的順應(yīng)性（回復(fù)性）與外界壓力大小、外力作用的時(shí)間長(zhǎng)短及生物固體的本身結(jié)構(gòu)有關(guān)。生物固體的順應(yīng)性強(qiáng)弱在臨床上的意義為：應(yīng)清楚地知道哪些組織不能過(guò)分壓榨，它們間的差別是很明顯的。對(duì)生物固體的壓榨必須要有一個(gè)度，生物固體壓榨的壓縮比過(guò)大（指生物固體原始厚度與被壓榨后的厚度之比）、時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、壓榨過(guò)程變化過(guò)快，都將對(duì)生物固體造成不可逆的壓榨性損傷。如何避免生物固體的壓榨性損傷，盡可能消除疤痕性愈合過(guò)程是吻合器設(shè)計(jì)者必須要考慮的重要問(wèn)題。

由該特性可知，在實(shí)質(zhì)性組織上（肝、脾、胰等）因?yàn)闆](méi)有肌性組織，缺少膠原蛋白，經(jīng)不起過(guò)度或長(zhǎng)時(shí)間的壓榨。吻合器在實(shí)質(zhì)組織上應(yīng)用要慎重，絕對(duì)不能壓榨過(guò)度。同樣使用吻合器時(shí)并不是將生物固體擠壓得越緊密越好，當(dāng)超出組織所能承受的極限后，壓力釋放后它也不可能恢復(fù)原狀，造成不可逆的壓榨性損傷。如豬的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，對(duì)豬胃過(guò)度壓榨后，組織被縫合上了，但其胃黏膜被壓斷，造成黏膜下出血，如圖6所示。

圖6 過(guò)度壓榨造成胃組織的黏膜斷裂損傷

這種壓榨性損傷雖然也可能愈合，但也是疤痕性愈合，會(huì)有造成吻合口狹窄的可能。

2 外科吻合器研發(fā)中的關(guān)注點(diǎn)及應(yīng)該遵循的生物固體流變學(xué)基本原則

在吻合器的設(shè)計(jì)工作中必須要很好地理解生物固體組織在受壓狀態(tài)下的各種變化及其特點(diǎn)，例如吻合器設(shè)計(jì)時(shí)器械的最小壓榨間隙的設(shè)定是必要的。沒(méi)有該最小間隙的設(shè)計(jì)，加上使用者對(duì)生物固體流變學(xué)的不理解，一定會(huì)對(duì)生物固體造成一些不可逆的組織損傷。設(shè)計(jì)人員除了要有很好的機(jī)械工程學(xué)、材料學(xué)、工藝學(xué)等知識(shí)外，也應(yīng)具備較強(qiáng)的外科學(xué)、人體解剖學(xué)的知識(shí)。

2.1 消化道重建時(shí)吻合口或縫合口的六大基本要求

（1）適當(dāng)?shù)奈呛峡趶剑ú⒎强趶皆酱笤胶茫?/p>

（2）組織間無(wú)張力（器械上無(wú)法保證，這是手術(shù)對(duì)術(shù)者的基本要求）。

（3）最小的組織損傷（盡可能不讓組織造成疤痕性愈合）。

（4）無(wú)組織的出血。

（5）良好的血供（能有效地將營(yíng)養(yǎng)輸送到切端）。

（6）無(wú)吻合/縫合口漏或瘺的發(fā)生（手工縫合與機(jī)械縫合的臨床要求相同）。

2.2 吻合器設(shè)計(jì)中的基本技術(shù)參數(shù)

在禁食狀態(tài)下消化道各段節(jié)律活動(dòng)時(shí)腔內(nèi)壓力的平均值不超過(guò)5.33 kPa。這是所有吻合器的設(shè)計(jì)都必須遵循的基本設(shè)計(jì)參數(shù)。消化道重建恢復(fù)腸、胃蠕動(dòng)后，消化腔內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一定的壓力。如果重建的消化道吻合口不能承受所產(chǎn)生的壓力值（可能達(dá)5.33 kPa）會(huì)造成吻合口（重建處）崩裂而導(dǎo)致吻合口漏的嚴(yán)重并發(fā)癥，消化道重建手術(shù)后常規(guī)在腔內(nèi)放置減壓管減壓也是這一道理。

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的腸腔壓強(qiáng)是3.6 kPa（2.7 cmHg柱），該壓強(qiáng)值是因一些非技術(shù)原因而定得過(guò)低。該數(shù)值的出現(xiàn)無(wú)科學(xué)依據(jù)，因此會(huì)存在一定問(wèn)題。筆者建議在進(jìn)行吻合器設(shè)計(jì)驗(yàn)證確認(rèn)階段時(shí)，按5.33 kPa壓強(qiáng)值進(jìn)行會(huì)更可靠、更安全，如果能按破壞性試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行確認(rèn)會(huì)更可靠。

雙排縫釘錯(cuò)列的設(shè)計(jì)比單排縫釘?shù)脑O(shè)計(jì)更安全，有學(xué)者做過(guò)二者的比較。單排縫釘縫合后在腔內(nèi)壓力達(dá)到1.60 kPa時(shí)，吻合口即發(fā)生滲漏。另一種雙排縫釘縫合后，它能達(dá)到6.00 kPa而無(wú)滲漏［3］。

2.3 生物固體流變學(xué)指導(dǎo)下吻合器的設(shè)計(jì)制造

學(xué)會(huì)從生物固體流變學(xué)角度來(lái)分析問(wèn)題，辨別器械設(shè)計(jì)制造中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)。在設(shè)計(jì)中盡可能地避免二大因生物固體流變而產(chǎn)生的壓力性爆破損傷和壓榨性損傷的弊端。

生物固體壓榨間隙可調(diào)節(jié)的器械設(shè)計(jì)是一個(gè)針對(duì)生物固體不同厚度變化的好方法，可以有效防止生物固體發(fā)生壓榨性損傷。當(dāng)有些器械的設(shè)計(jì)其間隙不能調(diào)節(jié)時(shí)，應(yīng)將器械設(shè)計(jì)成有不同間隙的規(guī)格器械來(lái)適應(yīng)生物固體的不同厚度。用一種間隙尺寸來(lái)應(yīng)對(duì)不同厚度的生物固體會(huì)造成組織的壓榨性損傷或縫合釘成型過(guò)高而產(chǎn)生的吻合口耐壓值過(guò)低，從而發(fā)生吻合口漏/瘺或出血并發(fā)癥。

認(rèn)真編寫吻合器的使用說(shuō)明書，能將生物固體流變學(xué)的原理在說(shuō)明書里用文字表達(dá)清楚（目前的說(shuō)明書大多描述不清楚），一定是清晰、易懂、具有可操作性，讓使用者參照說(shuō)明書即能正確操作器械。

在市場(chǎng)上應(yīng)對(duì)醫(yī)生進(jìn)行外科吻合器概論及使用方法的專業(yè)教育，最大限度地減低因吻合器使用問(wèn)題而發(fā)生的手術(shù)并發(fā)癥。這項(xiàng)工作是長(zhǎng)期要做的工作，永遠(yuǎn)不會(huì)過(guò)時(shí)。美國(guó)強(qiáng)生與柯惠公司專業(yè)教育的工作是相當(dāng)成功的。

3 生物固體流變學(xué)指導(dǎo)下的臨床應(yīng)用

3.1 生物固體的厚度多樣性

外科解剖學(xué)明確了各段的消化道器官其壁厚是不盡相同的，相同器官其部位不同，厚度也會(huì)不同，例如胃體從胃竇向胃底方向，其厚度逐漸變薄，胃小彎向大灣方向，其厚度逐漸變薄。此外因人種、性別及病患的營(yíng)養(yǎng)狀況都會(huì)造成生物固體的壁厚有不同的變化。

在臨床中使用單一間隙的器械來(lái)應(yīng)對(duì)不同的生物固體厚度，所謂的“一桿槍打天下”，是完全錯(cuò)誤的觀念，應(yīng)摒棄。它會(huì)造成生物固體的壓榨性損傷，要能根據(jù)生物固體厚度不同，學(xué)會(huì)不同釘倉(cāng)的規(guī)格（縫釘不同“B“型成型高度）應(yīng)對(duì)生物固體的不同厚度。對(duì)于醫(yī)生來(lái)說(shuō)，吻合器的選擇是臨床上的基本問(wèn)題。

同樣要注意的是如何防止吻合口的壓力性爆破損傷，因?yàn)樯锕腆w的流變需要空間，如果兩個(gè)吻合口離得太近，缺少流變空間，很可能在做第二個(gè)吻合口時(shí)，因缺少流變空間而導(dǎo)致吻合口的某處（生物固體的薄弱處）破裂損傷。兩個(gè)吻合口都有存在爆破損傷的可能。

3.2 外科醫(yī)生要養(yǎng)成正確使用器械的良好習(xí)慣

生物固體的黏彈性有雙階段性、蠕變性、順應(yīng)性的特征，器械夾持生物固體后要等待10～15 s后再完成器械的擊發(fā)，是一個(gè)臨床上器械操作的基本原則。

器械使用者應(yīng)注意，吻合器的工程師設(shè)計(jì)了組織間隙可調(diào)器械來(lái)應(yīng)對(duì)不同厚度的組織或?qū)⑵餍翟O(shè)計(jì)成相對(duì)應(yīng)組織厚度的不同規(guī)格的器械。器械本身無(wú)法判斷組織的厚度，這是需要外科醫(yī)生的解剖學(xué)知識(shí)對(duì)將要吻合的生物固體作一個(gè)事先判斷，決定選用何種不同的對(duì)應(yīng)器械。如果醫(yī)生對(duì)生物固體厚度判斷錯(cuò)誤將會(huì)帶來(lái)更糟糕的結(jié)果。

所以在臨床中要根據(jù)生物固體的厚度給予其適當(dāng)?shù)膲赫?，如果一個(gè)吻合器沒(méi)有被設(shè)計(jì)成有最小組織壓榨間隙，那表明其在設(shè)計(jì)的基本理念上就出現(xiàn)問(wèn)題。這類沒(méi)有最小間隙吻合器在使用時(shí)應(yīng)特別小心（是正確選擇器械的標(biāo)準(zhǔn)之一）。

4 結(jié)語(yǔ)

手工縫合有一個(gè)特點(diǎn)，它對(duì)要縫合的組織幾乎不會(huì)造成壓榨性損傷，這里就向工程技術(shù)人員提出了一個(gè)挑戰(zhàn)，如何在機(jī)械縫合時(shí)消除壓榨性損傷或降到最低，并做到對(duì)組織的壓榨像手工縫合時(shí)的一樣小。吻合器夾持生物固體是一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡：壓榨太緊密可能有生物固體壓榨損傷之虞；壓榨太松生物固體可能在吻合器的鉗口中發(fā)生不恰當(dāng)?shù)囊苿?dòng)而產(chǎn)生縫釘成型的異常（亂釘、直釘）。筆者認(rèn)為吻合器設(shè)計(jì)除了臨床的符合性外，臨床醫(yī)生對(duì)生物固體的正確判斷和如何正確選用吻合器也是確保手術(shù)成功的關(guān)鍵之一。

筆者對(duì)生物固體的研究和認(rèn)識(shí)處于起步階段，有許多研究和實(shí)驗(yàn)工作亟待完成。望有志的同道們一起來(lái)研究它，將生物固體流變學(xué)加以完善，成為吻合器研發(fā)中的理論基礎(chǔ)，讓其在各類吻合器械研發(fā)中得到實(shí)際的應(yīng)用，在吻合器設(shè)計(jì)及臨床上真正具有指導(dǎo)意義。在吻合器不斷的發(fā)展中努力趕超國(guó)外同類的先進(jìn)水平，提高中國(guó)外科吻合器研發(fā)及制造的總體水平。