基于射頻能量的小腸組織焊接算法優化研究

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備對胃腸組織焊接算法進行優化研究，通過改變終止電壓衰減量降低組織熱損傷，以防止組織結痂、碳化現象發生。在實驗過程中，通過控制單一變量，完成豬小腸焊接實驗，對終止電壓進行不同系數的衰減，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果。經過爆破壓和熱損傷實驗，得出以下結果：當調整電壓衰減量為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。實驗表明，在合適的電壓衰減系數算法下，熱損傷及爆破壓均有優化。在實際應用中，應該選取適當的電壓衰減系數，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。

關鍵詞：小腸吻合;射頻技術;組織焊接;爆破壓;熱損傷;電外科

DOI：10.11907/rjdk.182920開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

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

0引言

隨著微創手術技術的不斷發展，越來越多的高端醫療器械被應用于手術，射頻能量設備在眾多電外科醫療器械中占有舉足輕重的地位。射頻能量設備是一類利用高頻電流熱效應治療組織的器械。射頻能量發生器被廣泛用于醫院各類外科手術中，如皮膚科、五官科、泌尿科及內窺鏡手術。

射頻能量焊接設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度，周圍還需有更多存活的細胞，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。研究發現，胃腸道主要組成部分有淋巴管網及大量膠原蛋白，與血管組織對比，胃腸組織結構與其類似。

我國結直腸癌發病率、死亡例數分別占全世界發病和死亡總例數的18.6%和20.1%，均居第1位。根據國家癌癥中心全國腫瘤登記數據報告，我國城市和農村地區結直腸癌發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，結直腸癌發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。傳統腸道吻合包括手工縫合和吻合器吻合。1908年，Hultl設計了第一個具有現代意義的吻合器，并在一次胃切除手術中取得了成功。Oprescu等對患有腸道炎的患者進行分析發現，吻合器吻合發生與吻合口裂開的概率比手工縫合分別高出29.4%和5.5%，因此不應該認為吻合器吻合優于手工縫合。吻合器吻合和手工吻合之間的差異并不具有統計學意義。射頻焊接早在2006年即被應用于腸道吻合的研究，Salameh等使用LigaSure對豬小腸進行閉合，雖然研究結果并不理想，但為探索胃腸焊接技術提供了一個很好的思路。如果射頻焊接可成功應用于腸道吻合，將會大大縮短手術時間。通過射頻能量使蛋白質變性，并在壓力作用下使組織重新黏連在一起，可以極大彌補傳統手術缺點。所以研究如何通過射頻設備對腸道進行焊接具有十分重要的意義。

影響焊接結果的兩個重要因素是吻合口強度與焊接過后的熱損傷范圍。本文通過爆破壓實驗測試吻合口強度，通過紅外熱感成像儀測量熱損傷區域，在不同終止電壓衰減系數下，閉合豬小腸，探究不同終止電壓系數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度高于正常人體胃腸壓力3倍以上，對比其他研究者的實驗結果，熱損傷范圍降低至0.44cm。

1硬件介紹

本文實驗使用自主研發的電外科射頻焊接設備。該系統硬件部分包括射頻板、低壓電源板、開關電源板和反饋板，并通過外部連接LigaSure手術器械作用在生物管腔組織上，設備結構與實物如圖1所示。

本系統硬件工作原理為：通過低壓電源給設備主板各個模塊供電，開關電源將市電220V交流電轉換為0-200V可調的直流電;主板射頻放大器模塊可將開關電源的高壓直流電轉換為射頻信號，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;反饋板實時檢測生物組織狀態、阻抗的變化情況，通過實時判斷組織狀態，調整輸出模式，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電源，通過控制開關電源的直流電壓輸出，實現輸出能量控制;主板和人機界面互相通信，實時顯示組織阻抗信息和系統工作狀態，并可以通過人機交互界面對系統進行相應配置。

2算法介紹

本文實驗算法設計為：首先系統判斷生物組織的起始阻抗，由于生物組織細胞含水量各異，所以起始生物組織阻抗不同，系統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，系統需要施加一個較大的起始能量，反之亦然。實時檢測生物組織阻抗時，系統輸出狀態會隨之改變，用PID算法對輸出參數進行微調，系統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，避免發生組織碳化和黏連、造成實驗失敗。為控制吻合時間，可設置輸出能量截至時間。能量正常輸出達到截至時間時，人機界面提示焊接成功，設備未在截至時間完成焊接，則提示焊接失敗。

由于不斷施加射頻能量，LigaSurea手術器械鉗口電壓過高，可能造成組織碳化黏連，擴大熱損傷區域。為避免因鉗口電壓過高導致組織受損情況嚴重，所以改進電壓衰減算法。在組織受到射頻能量作用時，組織的水分不斷蒸發減少，組織阻抗不斷增加，如果持續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節方式為：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，通過算法設計，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實驗設計

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，運回實驗室。以豬小腸作為實驗對象，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，擺放在實驗室的鋁盤上，準備實驗，剩余小腸浸泡在0.9%的生理鹽水中。實驗分為3組，每組10個樣本。3組實驗電壓衰減系數分別為60%、80%和100%。

3.2爆破壓平臺

爆破壓實驗平臺包括：計算機、數據采集卡、恒流泵、三通管、注射器針頭和壓力計。壓力計、恒流泵和注射器針頭和三通管互相連接，保證三者壓強相同。通過恒流泵設置抽水速度為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。壓力計輸出的電壓值通過數據采集卡把信息傳到計算機，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，程序將電壓值轉換為mmHg或者KPa，最后保存到Excel表格中。如果吻合口破裂，計算機會顯示出一個壓力峰值，將該壓強數據轉換為壓強并記為該組實驗的爆破壓。爆破壓實驗平臺如圖3所示。

3.3熱損傷實驗平臺

熱損傷實驗平臺包括：FLIR A325sc紅外熱感成像儀、雙極LigaSurea手術器械、夾具臺和計算機。在系統對實驗樣本進行焊接時，夾緊需要吻合的樣本。通過設備腳踏開關，使射頻能量施加在樣本上，通過人機界面觀察實驗完成。在計算機上觀察紅外熱成像儀采集的溫度圖像，通過計算機軟件，把實驗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，本實驗測量區域包括以中心為對稱軸、單側高于45℃的區域。

4實驗結果與分析

4.1實驗結果

4.1.1不同電壓衰減系數對豬小腸吻合口爆破壓的影響

當射頻能量輸出，電壓衰減系數分別為60%、80%和100%時，實驗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。對每兩組數據進行統計學分析，采用GraphPad Prism軟件對數據進行T檢驗，60%和80%兩組數據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組實驗數據兩兩互相不具有統計學意義，但通過均值的變化趨勢可以觀察到，在電壓衰減系數為80%時，吻合口具有最高的爆破壓。圖6為不同電壓衰減系數下豬小腸吻合口的爆破壓實驗結果。

4.1.2不同電壓衰減系數對豬小腸吻合口熱損傷的影響

當射頻能量輸出，電壓衰減系數分別為60%、80%和100%時，實驗樣本豬小腸的熱損傷區域分別為0.3769±0.01948cm、0.3988±0.01025cm和0.4194±0.01501cm。對每兩組數據進行統計學分析，60%和80%兩組數據P值為0.3372;80%和100%，P值為0.2756;60%和100%，P值為0.1059。3組實驗數據兩兩互相不具有統計學意義，但通過均值的變化趨勢可以觀察到，在電壓衰減系數低時，具有更低的熱損傷范圍。在不進行電壓衰減時，熱損傷區域最大。圖7為不同電壓系數下豬小腸吻合口的熱損傷實驗結果。

4.2實驗分析

通過本實驗平臺完成對豬小腸的焊接實驗，結果顯示在電壓衰減系數為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，隨著細胞內水分不斷減少，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，在不調整電壓衰減系數情況下，組織熱損傷范圍不斷增大，與實驗結果相吻合，在電壓衰減系數最低時，熱損傷范圍最小。所以為使熱損傷范圍最低，可以調整電壓衰減系數為60%，此時吻合口的爆破壓強度足夠高。正常人體小腸壓強為0.83KPa～1.03KPa，最高壓強不會超過2.05KPa。在電壓衰減算法下，對于3種不同電壓衰減系數，吻合口的爆破壓均大于人體小腸內最大壓強3倍以上，說明本實驗吻合口強度足夠高，已具有足夠的安全性。有研究者以同種實驗方法測量熱損傷范圍，記45℃以上為熱損傷區域，采用紅外熱感成像儀測量LigaSurea器械產生的熱損傷范圍平均值為0.44cm，通過對比實驗數據，本算法也具有較優的結果。

5結語

目前射頻焊接吻合技術無疑是一種最具有前景的結直腸吻合技術。在消化道重建手術中，運用電外科焊接設備對組織進行焊接，耗時短、對醫生經驗要求較低且成本大幅下降。這種組織焊接技術可廣泛應用于臨床，所以本文的算法設計具有極大的研究意義。

本文不足之處在于實驗樣本為豬小腸，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，可進行其它動物實驗，為以后臨床實驗提供一個更穩定的基礎。