射频组织焊接技术用于结直肠吻合的探索性研究

赵灵犀 周 宇 卓长华 李心翔 李殿立 鄢盛杰 严博文 欧孔武 宋成利*

1(上海理工大学医疗器械与食品学院，上海 200093)

2(复旦大学附属肿瘤医院大肠外科，上海 200032)

3(复旦大学上海医学院肿瘤学系，上海 200032)

4(福建医科大学教学医院，福建省肿瘤医院腹外科，福州 350014)

5(重庆大学生物工程学院，重庆 400044)

引言

结直肠癌的发病率近年来有迅猛增高的趋势，在我国已居恶性肿瘤的第4或5位［1］。目前治疗该疾病的方法，主要采用切除病变肠段，对合余下的正常组织，重新形成结构完整、功能正常的肠道。由于吻合器吻合与手工缝合同样属于非连续性的组织对合，会残留异物，术后吻合口瘘、出血等并发症的发生率并未降低［2］。近年来，新型的吻合方法如镍钛记忆合金加压吻合夹(nickel-titanium shape memory alloy compression anastomosis clip，CAC)或吻合环(nickel-titanium shapememoryalloy compression anastomosis ring，CAR)［3－4］和磁加压吻合法(magnetic compression anastomosis，MCA)［5－6］等陆续成功实施，但在吻合环或吻合夹未脱离及排出体外前，如果发生吻合口泄漏、破裂等，会导致更为严重的后果，故尚未在临床上广泛应用。

曾经有学者尝试通过激光能量焊接生物组织，以迅速完成无异物残留的腔道吻合［7－8］。但由于激光仪器价格昂贵，又没有精细的配套器械，该技术并未得到推广。

近年来电外科(electrosurgery)技术的发展，为生物组织焊接提供了可能性。由于结直肠组织拥有一定的胶原蛋白［9］，在射频能量加热组织时，胶原变性产生粘连，结合机械压力，可以使肠浆膜层组织紧紧粘连在一起，于是有学者在这方面进行了积极的探索。2006年 Salameh等［10］使用 Valleylab公司的仪器，对离体的猪小肠进行了焊接闭合，但爆破压明显低于金属钉闭合组，且发现破裂多发生于吻合口中部。2007年Smulders等利用4例活体猪回肠组织对比了侧－侧焊接吻合与手工缝合的效果差异［11］。通过组织病理切片，他们发现手工缝合处出现大量炎症细胞增生及异物性肉芽肿，但射频焊接部位却出现了无炎性浸润的肉芽组织愈合，在黏膜下层更是出现了新合成的胶原蛋白，并在愈合边界处可见组织重新上皮化。除上述研究外，国际上还有几个团队也开展了该领域的研究［12－14］。

射频能量焊接生物组织的机理尚未完全阐明，组织焊接的关键技术还有待进一步的深入研究。本研究利用特殊设计的焊接器械、射频能量发生平台和温度测控系统，完成了8次猪的离体结直肠端-端吻合实验。通过组织病理切片研究了压合压强、射频能量输出功率、温度对结直肠焊接吻合的牢固程度及热损伤影响，为开展活体动物实验提供理论依据和技术指导，同时为研发无异物残留的肠道吻合技术奠定基础。

1 材料和方法

1.1 装置结构及功能

射频结直肠吻合装置结构框图如图1所示。射频能量发生平台由能量发生模块、数据采集分析模块、温度测量模块组成。射频能量发生模块(见图2)、温度测量模块和焊接器械由上海理工大学微创医疗器械工程研究中心自主研发。温度测量模块采集焊接区域的温度变化，将信号传输至数据采集分析模块(PCI 6221，National Instrument Inc，美国)，控制能量发生模块的开闭，实施闭环控制。压力夹持装置(5965，Instron Inc，美国)用于提供不同的初始压力，压力数值预先设定，通过液晶屏幕显示。焊接器械的上、下紧固件采用绝缘耐高温材料制成，金属电极有安放热电偶(Type K，Omega Engineering Inc，美国)的孔，热电偶直接与焊接区域接触。

图1 射频结直肠吻合装置结构框图Fig.1 Structurediagram ofradio-frequency colorectal anastomosis device

图2 射频能量发生模块Fig.2 Radio-frequency energy generator module

1.2 材料与方法

1.2.1 取材与分组

自屠宰场采集成年猪的结直肠，用0.9%的生理盐水略微冲洗肠道内部去除粪便，置于标本袋中以PBS浸泡，保持0～4℃环境在2 h内运至实验室。

样本长约50 mm，一端用1号缝合线制作成荷包，共8对样本随机平均分为4组。每次实验将成对的2个样本分别套在上、下紧固件，用压力夹持装置压紧，如图3所示。共完成了8次猪的离体结直肠端-端吻合实验。

1.2.2 方法与参数设置

图3 结直肠组织焊接实验Fig.3 Experiment of colorectal tissue fusion

所有实验的射频能量频率为450 kHz，在以预设的功率输出过程中，焊接部位持续加压240 s。利用温度进行闭环控制，使焊接区域的最高温度始终维持在一定范围。当温度高于设定温度上限时，自动停止能量输出，直至温度低于下限值，能量重新开始输出。本次实验所有最高焊接温度均维持在(95±5)℃。

详细参数设置见表1。第Ⅰ、Ⅱ组样本压合压强为1125 kPa［12］，第Ⅲ、Ⅳ组2658 kPa，该压强参数通过计算预设压力与焊接电极表面积之比获得。

第Ⅰ、Ⅲ组射频能量输出功率为50 W，第Ⅱ、Ⅳ组输出功率为70 W，整个过程维持恒定输出功率。

表1 实验分组及参数设置Tab.1 The experiment group and parameters setting

2 结果

2.1 组织焊接效果

图4是第Ⅱ组样本焊接完成后的实物图。图4(a)为浆膜面，方框内区域焊接缝清晰可见，无开裂。焊接缝周围的组织颜色偏白，为热损伤区域。图4(b)为同一样本的黏膜面，方框内焊接缝的周围热损伤不明显。

2.2 吻合部位病理切片结果

图4 焊接后肠组织实物图(第Ⅱ组)。(a)浆膜面;(b)黏膜面Fig.4 Pictures of fusion colorectal tissue(Group Ⅱ).(a)Serosal layer;(b)Mucosal layer

图5(a)为第Ⅱ组HE染色结果，星标记的肠黏膜组织清晰可见，与被焊接部位组织分界明显。实心箭头所指为吻合口焊接区域，浆膜层融合在一起，其间的分界完全消失。空心箭头所指的焊接区域到非焊接区域的过渡部位不明显，黏膜保存完好。图5(b)为第Ⅳ组HE染色结果，星标记区域为非焊接区域，黏膜组织形态完整。实心箭头所指为吻合口焊接区域，有部分残余的黏膜组织附着，浆膜层贴合在一起，但其间仍存在一定缝隙，未完全融合，焊接失败。此外，空心箭头所指的焊接区域与正常组织交界部位存在较大空隙，该部位肠黏膜受损较为严重。对比图5中(a)和(b)可以发现，焊接区域与正常组织交界部位的空隙，后者明显大于前者。

3 讨论和结论

对已有电外科器械进行的研究中，压合压强、功率、作用时间等，是影响血管闭合牢固程度的重要因素。在本研究中，既要保证组织焊接的牢固，又要考虑吻合口的愈合条件，因此对压合压强、射频能量的形式和温度等条件都有更精确的要求。在器械设计时，要选择不易粘连生物组织的材料作为焊接的电极，避免器械与组织分离时吻合口撕裂。

图5(b)浆膜层之间的缝隙表明焊接未成功，这种情况在活体中会导致吻合口泄漏、出血等并发症，提示应考虑吻合口达到一定泄漏压力的重要性。已有的爆破压测量国际标准仅针对血管［15］，对于肠道焊接吻合后泄漏压测量的标准尚无参考依据，需尽快开展相关研究。

图5 HE染色结果(星标记为非焊接区域，实心箭头所指为焊接区域，空心箭头所指为焊接区域与正常组织交界部位)。(a)第II组;(b)第Ⅳ组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 压合压强对焊接效果的影响

为了保证术后吻合口愈合良好，压合压强并不是越大越好，有研究证明压合压强过大反而会降低焊接的牢固程度，这可能与组织结构的过度破坏有关［11］。

图5(a)和5(b)分别来自第II组和第IV组样本，通过观察焊接区域与非焊接区域分界部位可以发现:在能量输出功率、焊接持续时间、最高温度范围均相同的条件下，压合压强较大的IV组黏膜损伤更严重，这种损伤包括机械损伤和热损伤。

目前尚不清楚压强过大是否会导致热传导缓慢，引起焊接部位周围的组织热损伤。焊接过程中，生物组织会发生皱缩，初始压合压强会逐渐减小，对焊接效果的影响有待进一步实验讨论。

3.2 功率对焊接效果的影响

在实验中，射频能量输出功率相比温度对焊接效果造成的影响并不明显。第I组和第II组样本使用相同的压合压强和焊接时间，施加不同功率，通过组织病理切片观察焊接部位组织形态并无太大差异。造成这种结果的原因可能与焊接过程中最高温度的控制有关。但也有学者认为，过低的射频能量功率是无法完成组织焊接的［16］。

目前临床运用中较先进的射频能量发生器产品主要是针对血管闭合功能设计的，其能量控制的方式是否适用于射频焊接肠道吻合尚未评估验证，组织焊接所需的射频能量大小还需要实验探讨。

3.3 温度对焊接效果的影响

所有样本焊接区域均采取了相同的温度控制措施，但压合压强的差异仍然影响了焊接效果，可见单一用温度参数判断焊接效果是不全面的。需要采用生物电阻抗［17］或含水量［13－14］等参数相结合的方式进行判断，对于这些参数在组织焊接中的变化规律也是值得研究的。

在实验中，还发现焊接区域周围组织温度的分布不均匀。通常水平位置高的部位，在焊接时温度远高于低的部位。通过观察发现，该现象与生物组织中的水分受热向上蒸腾有关，故在器械设计时应考虑对不同区域采取恰当的温度控制策略［18］。尤其是焊接部位周边的组织，尽量保证其所处温度不高于40℃［19］，否则有可能使蛋白质发生不可逆转的变性，影响吻合口的愈合。

综上所述，射频组织焊接技术用于结直肠吻合手术有一定的可行性，但现有研究中缺乏对射频组织焊接的机理探索，没有建立评估该方法安全性的标准，在热损伤控制和能量反馈控制方面没有明确的方法，组织愈合的效果未知。要解决以上问题，首先需要进行大量的离体实验，从而建立起生物效应与物理参数之间的量化关系。其次要开展活体动物实验，对手术安全性和伤口愈合的情况进行评估。除此之外，射频能量的精确控制，手术器械的精密结构设计、加工等是工程科学需要解决的核心问题。

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