基于射频能量的小肠组织焊接算法优化研究

杨思航 周宇 臧连儒 林海啸 康佳 丁红雪

摘要：利用基于自制的射频能量设备对胃肠组织焊接算法进行优化研究，通过改变终止电压衰减量降低组织热损伤，以防止组织结痂、碳化现象发生。在实验过程中，通过控制单一变量，完成猪小肠焊接实验，对终止电压进行不同系数的衰减，分别取衰减量（DV）为60%、80%和100%，采用爆破压和热损伤评估焊接结果。经过爆破压和热损伤实验，得出以下结果：当调整电压衰减量为60%、80%和100%时，爆破压分别为9.387±0.4237KPa、10.17±0.5013KPa、9.286±0.4279KPa;热损伤分别为0.3769±0.01948em、0.3988±0.01025cm、0.4194±0.01501cm。实验表明，在合适的电压衰减系数算法下，热损伤及爆破压均有优化。在实际应用中，应该选取适当的电压衰减系数，才可保证管腔组织闭合后具有较大的爆破压和较小的热损伤范围。

关键词：小肠吻合;射频技术;组织焊接;爆破压;热损伤;电外科

DOI：10.11907/rjdk.182920开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

中图分类号：TP312文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2019）010-0065-04

0引言

随着微创手术技术的不断发展，越来越多的高端医疗器械被应用于手术，射频能量设备在众多电外科医疗器械中占有举足轻重的地位。射频能量设备是一类利用高频电流热效应治疗组织的器械。射频能量发生器被广泛用于医院各类外科手术中，如皮肤科、五官科、泌尿科及内窥镜手术。

射频能量焊接设备主要用于血管吻合焊接。在血管焊接过程中，由于血管壁富含胶原蛋白，在焊接设备作用时，可以使血管壁胶原蛋白和纤维蛋白溶解变性，血管壁融合形成透明带，使血管闭合。但该设备较少用于肠道组织焊接，肠道组织焊接不仅需保证焊接部位具有足够强度，周围还需有更多存活的细胞，以便后期吻合口可自然愈合，将周围组织的热损伤需降到最低。研究发现，胃肠道主要组成部分有淋巴管网及大量胶原蛋白，与血管组织对比，胃肠组织结构与其类似。

我国结直肠癌发病率、死亡例数分别占全世界发病和死亡总例数的18.6%和20.1%，均居第1位。根据国家癌症中心全国肿瘤登记数据报告，我国城市和农村地区结直肠癌发病率分别列所有恶性肿瘤的第3位及第5位，病死率分别居第4位和第5位。在世界范围内，结直肠癌发病率在男性恶性肿瘤中排名第3位，在女性恶性肿瘤排名第2位。传统肠道吻合包括手工缝合和吻合器吻合。1908年，Hultl设计了第一个具有现代意义的吻合器，并在一次胃切除手术中取得了成功。Oprescu等对患有肠道炎的患者进行分析发现，吻合器吻合发生与吻合口裂开的概率比手工缝合分别高出29.4%和5.5%，因此不应该认为吻合器吻合优于手工缝合。吻合器吻合和手工吻合之间的差异并不具有统计学意义。射频焊接早在2006年即被应用于肠道吻合的研究，Salameh等使用LigaSure对猪小肠进行闭合，虽然研究结果并不理想，但为探索胃肠焊接技术提供了一个很好的思路。如果射频焊接可成功应用于肠道吻合，将会大大缩短手术时间。通过射频能量使蛋白质变性，并在压力作用下使组织重新黏连在一起，可以极大弥补传统手术缺点。所以研究如何通过射频设备对肠道进行焊接具有十分重要的意义。

影响焊接结果的两个重要因素是吻合口强度与焊接过后的热损伤范围。本文通过爆破压实验测试吻合口强度，通过红外热感成像仪测量热损伤区域，在不同终止电压衰减系数下，闭合猪小肠，探究不同终止电压系数对吻合口爆破压与热损伤的影响。利用本文提出算法得出吻合口爆破压强度高于正常人体胃肠压力3倍以上，对比其他研究者的实验结果，热损伤范围降低至0.44cm。

1硬件介绍

本文实验使用自主研发的电外科射频焊接设备。该系统硬件部分包括射频板、低压电源板、开关电源板和反馈板，并通过外部连接LigaSure手术器械作用在生物管腔组织上，设备结构与实物如图1所示。

本系统硬件工作原理为：通过低压电源给设备主板各个模块供电，开关电源将市电220V交流电转换为0-200V可调的直流电;主板射频放大器模块可将开关电源的高压直流电转换为射频信号，射频信号为450K的正弦波，通过输出变压器隔离，作用到生物组织上;反馈板实时检测生物组织状态、阻抗的变化情况，通过实时判断组织状态，调整输出模式，其中包括恒流模式、恒功率模式和恒压模式，反馈板控制信号作用于开关电源，通过控制开关电源的直流电压输出，实现输出能量控制;主板和人机界面互相通信，实时显示组织阻抗信息和系统工作状态，并可以通过人机交互界面对系统进行相应配置。

2算法介绍

本文实验算法设计为：首先系统判断生物组织的起始阻抗，由于生物组织细胞含水量各异，所以起始生物组织阻抗不同，系统对于不同的生物阻抗，施加不同的初始射频能量，例如生物组织阻抗较小时，系统需要施加一个较大的起始能量，反之亦然。实时检测生物组织阻抗时，系統输出状态会随之改变，用PID算法对输出参数进行微调，系统能量从起始的恒流模式到恒功率模式再到恒压模式，防止系统对生物组织一直施加高额射频能量引起样本组织过度脱水，避免发生组织碳化和黏连、造成实验失败。为控制吻合时间，可设置输出能量截至时间。能量正常输出达到截至时间时，人机界面提示焊接成功，设备未在截至时间完成焊接，则提示焊接失败。

由于不断施加射频能量，LigaSurea手术器械钳口电压过高，可能造成组织碳化黏连，扩大热损伤区域。为避免因钳口电压过高导致组织受损情况严重，所以改进电压衰减算法。在组织受到射频能量作用时，组织的水分不断蒸发减少，组织阻抗不断增加，如果持续施加大功率射频能量，会使组织上的电压越来越大，极易造成组织碳化，增大热损伤范围，造成不可逆后果。所以通过不断改变电压衰减量（DV）以减少组织热损伤。终止电压衰减量的调节方式为：感知到生物阻抗变化后，在恒功率条件下，随着组织阻抗的减小，电压会不断增加，为避免电压过高对组织造成损害，通过算法设计，控制下一秒输出电压幅值，使其按比例衰减。算法流程如图2所示。

3实验设计

3.1材料及分组

在屠宰场解剖猪后，将新鲜猪小肠取出，放在保温箱中并用冰袋降温，运回实验室。以猪小肠作为实验对象，用0.9%的生理盐水清洗小肠，将小肠剪成50～60mm长度，使用同一根小肠，保证横截面积相同，摆放在实验室的铝盘上，准备实验，剩余小肠浸泡在0.9%的生理盐水中。实验分为3组，每组10个样本。3组实验电压衰减系数分别为60%、80%和100%。

3.2爆破压平台

爆破压实验平台包括：计算机、数据采集卡、恒流泵、三通管、注射器针头和压力计。压力计、恒流泵和注射器针头和三通管互相连接，保证三者压强相同。通过恒流泵设置抽水速度为16.6rpm。将注射器针头插入闭合过的小肠另一端，并用止血钳夹紧，抽取0.9%的生理盐水模拟人体血液，不断注入小肠中。压力计输出的电压值通过数据采集卡把信息传到计算机，通过Labview编写的程序可以观察到小肠闭合口的压力不断上升，程序将电压值转换为mmHg或者KPa，最后保存到Excel表格中。如果吻合口破裂，计算机会显示出一个压力峰值，将该压强数据转换为压强并记为该组实验的爆破压。爆破压实验平台如图3所示。

3.3热损伤实验平台

热损伤实验平台包括：FLIR A325sc红外热感成像仪、双极LigaSurea手术器械、夹具台和计算机。在系统对实验样本进行焊接时，夹紧需要吻合的样本。通过设备脚踏开关，使射频能量施加在样本上，通过人机界面观察实验完成。在计算机上观察红外热成像仪采集的温度图像，通过计算机软件，把实验过程中温度变化信息存储下来。热损伤平台如图4所示。热损伤温度超过45℃的区域，在红外热感成像仪中显示如图5所示，该图为器械作用时温度图，本实验测量区域包括以中心为对称轴、单侧高于45℃的区域。

4实验结果与分析

4.1实验结果

4.1.1不同电压衰减系数对猪小肠吻合口爆破压的影响

当射频能量输出，电压衰减系数分别为60%、80%和100%时，实验样本猪小肠的吻合爆破压分别为9.387±0.4237KPa、10.17±0.5013KPa和9.286±0.4279KPa。对每两组数据进行统计学分析，采用GraphPad Prism软件对数据进行T检验，60%和80%两组数据P值为0.2538;80%和100%，P值为0.2021;60%和100%，P值为0.8692;P值均大于0.05。3组实验数据两两互相不具有统计学意义，但通过均值的变化趋势可以观察到，在电压衰减系数为80%时，吻合口具有最高的爆破压。图6为不同电压衰减系数下猪小肠吻合口的爆破压实验结果。

4.1.2不同电压衰减系数对猪小肠吻合口热损伤的影响

当射频能量输出，电压衰减系数分别为60%、80%和100%时，实验样本猪小肠的热损伤区域分别为0.3769±0.01948cm、0.3988±0.01025cm和0.4194±0.01501cm。对每两组数据进行统计学分析，60%和80%两组数据P值为0.3372;80%和100%，P值为0.2756;60%和100%，P值为0.1059。3组实验数据两两互相不具有统计学意义，但通过均值的变化趋势可以观察到，在电压衰减系数低时，具有更低的热损伤范围。在不进行电压衰减时，热损伤区域最大。图7为不同电压系数下猪小肠吻合口的热损伤实验结果。

4.2实验分析

通过本实验平台完成对猪小肠的焊接实验，结果显示在电压衰减系数为80%时，吻合口具有最大爆破压为10.17±0.5013KPa，在电压衰减系数为60%时，吻合口有最小的热损伤为0.3769±0.01948em。在射频能量不断施加的过程中，随着细胞内水分不断减少，组织阻抗逐渐降低，所以流过低阻抗部分的电流会随之增加，使温度不断升高，在不调整电压衰减系数情况下，组织热损伤范围不断增大，与实验结果相吻合，在电压衰减系数最低时，热损伤范围最小。所以为使热损伤范围最低，可以调整电压衰减系数为60%，此时吻合口的爆破压强度足够高。正常人体小肠压强为0.83KPa～1.03KPa，最高壓强不会超过2.05KPa。在电压衰减算法下，对于3种不同电压衰减系数，吻合口的爆破压均大于人体小肠内最大压强3倍以上，说明本实验吻合口强度足够高，已具有足够的安全性。有研究者以同种实验方法测量热损伤范围，记45℃以上为热损伤区域，采用红外热感成像仪测量LigaSurea器械产生的热损伤范围平均值为0.44cm，通过对比实验数据，本算法也具有较优的结果。

5结语

目前射频焊接吻合技术无疑是一种最具有前景的结直肠吻合技术。在消化道重建手术中，运用电外科焊接设备对组织进行焊接，耗时短、对医生经验要求较低且成本大幅下降。这种组织焊接技术可广泛应用于临床，所以本文的算法设计具有极大的研究意义。

本文不足之处在于实验样本为猪小肠，不能完全比拟人体肠道组织。在安全性和操作性更加完善时，可进行其它动物实验，为以后临床实验提供一个更稳定的基础。