基于血管組織保護的微細水刀切割豬肝臟實驗研究

盧萍，張宇，侯榮國，王湘田，呂哲

(山東理工大學 機械工程學院，山東 淄博 255049)

在臨床外科手術中切除壞死和失去活力的組織時，需按一定要求保留血管、肝膽、神經(jīng)等組織; 因此，精準的去除切割技術在外科領域有著重要的作用[1]。但傳統(tǒng)的醫(yī)用手術刀、電刀，不僅容易發(fā)生“一刀切”的現(xiàn)象，而且會伴隨熱損傷等二次傷害，從而影響手術成功率和術后恢復[2]。20世紀90年代初，Papachristou等[3]首次將水射流技術引入醫(yī)學領域用于肝臟外科手術?？紤]到外科手術中血管損壞、修復和止血等問題，Rau等[4]開始將專業(yè)設計的醫(yī)用水刀運用到臨床中。從此，水刀在外科手術的臨床醫(yī)用中逐漸得到普及。2014年，日本東北大學Nakanishi等[5]、Kunikata等[6]研發(fā)了一種由壓電致動器驅動的醫(yī)用脈沖水射流裝置(ADPJ)用于臨床試驗。將ADPJ裝置在不同壓力下分別應用于動物眼、腦、肝、神經(jīng)的外科手術，還能夠起到組織選擇性分離的作用，組織出血量比剛性分離術少[7-9]。經(jīng)過近30年的發(fā)展，醫(yī)用水刀在臨床的應用經(jīng)驗越來越豐富，但總的來看醫(yī)用水刀技術在國內(nèi)還不夠成熟，在不同韌性和彈性的人體組織結構選擇性分離切除方面還未形成完整的理論體系，仍需進行深入研究。

本文選擇豬肝臟為實驗樣本，豬肝臟的泊松比為0.40，與人體的肝臟組織比較接近[10]，且形狀結構、血管分布、厚度與人體相似，并且容易獲取。肝臟是由傳入、傳出的導管系統(tǒng)和血管系統(tǒng)組成的三維網(wǎng)格系統(tǒng)，由于膠原蛋白和彈性蛋白含量較高， 所以這些導管和血管系統(tǒng)的結構和阻力與肝實質(zhì)有著本質(zhì)上的不同。在使用微細水射流從肝實質(zhì)不同位置機械地分離導管和血管系統(tǒng)時，表現(xiàn)出來的分離效果是不一樣的[11-12]。因此，本文在微細水刀切割肝臟組織單因素實驗的基礎上進行了不同射流壓力和不同切割方式的實驗對比研究，旨在通過豬肝臟切割實驗研究微細水刀對組織切割的選擇性和保護性，為微細水刀在醫(yī)學領域的開發(fā)利用提供相關依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗設備

使用自主研制的微細水刀加工裝置對新鮮的豬肝臟右葉進行切割分離實驗，實驗加工系統(tǒng)如圖1所示。該實驗加工裝置主要由氣液增壓系統(tǒng)、射流系統(tǒng)、多軸運動控制系統(tǒng)等組成，其中微細水刀的增壓方式為氣液增壓。

(a)試驗平臺

實驗所用的微細水刀噴頭是經(jīng)過結構優(yōu)化后的過渡圓角噴嘴，如圖2所示。噴嘴直線段長度L=2 mm，平直段長度I=0.5 mm，過渡圓角直徑φ=0.4 mm，噴嘴直徑d=0.1 mm，該噴嘴設計為過渡圓角，能夠確保在切割過程中，射流具有良好的集束性和穩(wěn)定的壓力值，從而減緩在噴嘴出口處軸向動壓力和軸向速度的衰減；并且0.1 mm的噴嘴直徑，能夠獲得極其細小的切割寬度，從而減小微細射流對組織的損傷性。

圖2 過渡圓角噴嘴

經(jīng)高壓噴嘴后射流速度為

(1)

噴嘴的實際流量為

q=vdAd,

(2)

式中：ρ為流體密度(kg/m3)；Ad為出口截面積(m2)；pD為射流入口壓力(MPa)；vd為射流出口速度(m/s)即收縮面速度；ξ為阻力系數(shù)。

本文所用微細水刀射流壓力范圍為3～7 MPa，水的密度為998 kg/m3，流體粘度為10-3Pa/s，噴嘴出口流速和流量見表1。

表1 噴嘴出口系列參數(shù)

1.2 實驗材料

本文選用新鮮完整的豬肝臟做為實驗材料。其要求條件為：生豬死亡時間在2～4 h，并保持室溫24 ℃。在實驗過程中需定時噴灑Kreb溶液，以盡量減少肝臟組織的降解和脫水問題，從而保證實驗結果的準確性。

多數(shù)生物材料因厚度較大，光線不易透過，且細胞內(nèi)各結構的折射率相差很小，所以難以觀察微觀形態(tài)。為便于觀察醫(yī)用手術刀和微細水刀兩種切割方式對肝臟組織損傷的影響，需將切割后的組織進行切片和染色處理。由于豬肝臟組織在零應變狀態(tài)下剛度很低，自身重力引起的變形很大，所以采用石蠟包埋切片的形式制作多組平行組織樣本，并將組織切片樣本進行脫蠟染色(H&E染色)。經(jīng)染色處理后，可以清晰觀察肝臟組織的中央靜脈結構、門管區(qū)結構、肝細胞結構及細胞形態(tài)。

1.3 實驗方法

采用壓力單因素實驗，選擇直徑為0.1 mm的過渡圓角射流噴嘴，切割靶距為6 mm，工作壓力范圍為3～7 MPa，設定射流沖擊角度為90°。因為材料的破壞發(fā)生在極為短暫的時間內(nèi)，隨著沖擊時間的增加，在組織切割槽底部易出現(xiàn)壓力水，會減弱射流的切割力，所以采用快速反復橫移的方法進行切割。在實驗過程中，記錄不同的射流沖擊壓力對豬肝臟實質(zhì)與血管的分離情況。

采用不同的切割方式進行對比實驗，分別使用23號醫(yī)用手術刀和微細水刀加工裝置切割豬肝臟(見圖3)并制作組織學切片樣本，觀察切割斷面微觀表面形貌，分析微觀結構變形情況以及是否有明顯出血點，進而判斷兩種切割方式的性能差異。

圖3 微細水刀切割豬肝臟組織實驗

2 結果與分析

2.1 實驗檢測儀器

圖4為分別采用23號醫(yī)用手術刀和微細水刀加工裝置對豬肝臟進行切割后的效果圖。

圖4 切割效果圖

使用游標卡尺測量不同壓力下對肝臟組織切割過程中所保留血管的直徑，使用Leica生物顯微鏡(型號：DM1000)檢測豬肝臟組織切片樣本的切割表面微觀形貌。

2.2 射流壓力對肝臟組織分離的影響規(guī)律

圖5是用微細水刀切割豬肝臟組織材料的實驗前后對比圖。結果表明：射流壓力為4 MPa時，豬肝臟組織出現(xiàn)明顯裂痕，組織與血管開始發(fā)生分離，但分離效果并不明顯；射流壓力為5 MPa時，能夠保留直徑為0.8 mm的血管；射流壓力為6 MPa時，微細射流束對0.8 mm的血管具有明顯的破壞作用，但能夠保留1 mm的血管；射流壓力為7 MPa時，可以完整保留直徑為1.2 mm的血管，對1 mm的血管具有一定的破壞性。

(a)豬肝臟實質(zhì)

使用游標卡尺測量本次實驗過程中所保留血管，在無應力條件下最細的血管為0.8 mm，實驗結束時能夠將5支動靜脈血管與肝臟組織分離。由此可知，對于特定的組織或器官，經(jīng)實驗研究可確定一個精準的壓力值，進行有選擇的切割去除，進而保護其他組織和器官。

2.3 微細水刀切割豬肝臟斷面微觀形貌分析

圖6是兩種切割方式下豬肝臟微觀形貌的組織切片樣本，圖6 (a)是微細水刀壓力為5 MPa時切割后的組織切片樣本,圖6 (b)是23號醫(yī)用手術刀切割后的組織切片樣本。實驗結果表明：經(jīng)微細水刀切割后的豬肝臟組織切片，肝細胞體形完整且排列整齊；由相鄰肝小葉組成的結締組織——門管區(qū)，結構清晰，但其小葉間動脈、小葉間膽管和小葉間靜脈有輕微的損傷；位于肝小葉長軸中間的中央靜脈，結構完整；相鄰肝細胞間局部質(zhì)膜凹陷形成的封閉管道——膽小管，結構無變形。由于采用包埋式制作的組織切片，致使組織失活較為嚴重，以及平行組織切片中紅細胞活性較差，所以無法觀察出血點是否明顯。

(a)微細水刀切割組織樣片

使用23號醫(yī)用手術刀切割后的豬肝臟組織切片，肝細胞形態(tài)排列紊亂，相鄰肝細胞局部形成的膽小管變形，有少量細胞核進入門管區(qū)；中央靜脈變形嚴重，結構受到破壞，在靜脈內(nèi)出現(xiàn)大量細胞質(zhì)等液體。這是因為醫(yī)用手術刀為剛性切割，其彈性模量要遠遠大于豬肝臟，所以在壓下式切削過程中，即使較小的切削力也能夠導致組織發(fā)生破壞。但是微細水刀作為柔性切割，在切割過程中的切割動能大小由射流壓力所決定，對于結構不同、性能不同的組織會產(chǎn)生不同的切割效果，進一步推出微細水刀技術對組織具有一定的切割選擇性和保護性。

3 結論

1)將微細水刀應用到醫(yī)學領域時，可以通過精準控制水射流的壓力，有選擇性地切割手術中所需去除的材料，從而避免對其他組織和器官所存在的潛在損傷性。精確的壓力值可以在手術中有效地減少血管的破損和失血量，在一定程度上降低手術風險。

2)微細水刀利用高動能射流束對組織進行切割分離時，不會對組織表層和內(nèi)部血管、膽管等結構密集的軟組織產(chǎn)生熱損傷，并且能夠對內(nèi)部軟組織的結構有一定的保護作用。這種特有的組織選擇性和有效保護性能夠減少手術創(chuàng)傷，有利于傷口的術后恢復。

3)通過深入的實驗研究，不斷地探索微細水刀切割組織的機理，必然會對臨床醫(yī)學帶來有效的指導。隨著對微細水刀不斷的認識和了解，其應用領域可逐步拓展到骨科、眼科、創(chuàng)傷等外科領域；因此，醫(yī)用水刀在醫(yī)學方向具有廣闊的應用前景。