基于双频并行模型的小肠组织压榨状态研究*

张焰，周宇，侯健，李媛，陈琳，宋成利

(上海理工大学医疗器械与食品学院，上海 200082)

1 引 言

消化道重建是消化道手术中的关键步骤，医生切除患者病变的组织并对剩余部分进行缝合，形成新的消化道。常用的消化道重建方式有手工缝合与机械吻合。与手工缝合相比，吻合器的使用操作简单，耗时短，能够降低并发症的发生率[1-2]，但吻合器使用过程中也存在一些问题。吻合器使用时需要先将组织压榨到一定厚度，压榨时用力过大或过小均会影响伤口的愈合[3-4]。因此，医生需要注意吻合器对组织的压榨情况，熟练掌握如何对组织进行合适的压榨[5-7]，而这一过程会受到很多主观因素的影响，从而造成组织的压榨不足或者过度压榨，引起吻合口瘘的并发症[8]。智能吻合器，可以通过测量组织所受压力来控制击发速度，实现自动的击发出刀，方便使用。但它并未实现压榨过程的智能化，压榨过程尚需医生控制，因此并未解决上述问题。

实现压榨过程的智能化，需要探究一种合适的控制参数，可以表征组织的压榨状态且易于在工程中实施。研究表明，压榨过程主要受时间、压缩比率、压强等影响[9-13]。基于ColeY模型的多频阻抗分析发现模型参数G0与压强有很强的相关性，而模型参数△G和CCPEF与压强之间的相关性随着压强增加而增加[14]。但多频阻抗拟合分析过程过于复杂，难以实现工程化。因此，本研究结合ColeY模型的参数特征，提出了一个更为简单、易于工程化的双频并行模型进行实验分析。

2 材料与方法

本研究使用自动压榨装置，模拟消化道重建过程中吻合器的工作过程对组织进行压榨。实验选取新鲜猪小肠,对组织施加不同的压强，设置固定时间间隔，通过金电极测量压榨过程中组织的阻抗信息，再基于双频并行模型对组织在不同压榨强度下的内部变化情况进行分析。

2.1 实验系统的搭建

本研究采用自制的自动压榨装置，结构框与实物见图1。

整个系统可以对组织进行不同强度自动压榨，同时测量组织的阻抗。压力传感器使用SP4M(HBM公司)压力传感器产品，量程为7 kg，灵敏度为(2±0.1% ) mv/V；传感器调理电路基于AD7190(Analog Device公司)芯片进行设计；电机选用SS伺服步进电机42SSC-HB(智创公司)，配备42SDC-H编码器，最小步进距离可以实现0.001 mm/转；阻抗检测基于高精度的阻抗测量芯片AD5933(Analog Device公司)进行设计，可以测量组织在0～100 k频率下的阻抗信息；人机交互界面选用7寸VGUS电容屏SDWe070T01(武汉中显公司)；主控单元选择stm32F103VG(ST公司)进行设计，实现整个系统的控制和测量。

(a)

(b)

2.2 实验材料

采用新鲜猪小肠作为实验材料。取刚处死小猪的小肠装入保温箱内，箱内温度控制在0～4℃，在1～2 h内将其带回实验室进行实验。使用0.9%的生理盐水冲洗小肠内部，将小肠剪成50～60 mm长的小段,随机分成三组，每组8个样本，用生理盐水浸湿的纱布覆盖，防止小肠水分流失。

2.3 双频并行模型

2.3.1生物组织电特性与ColeY模型 生物阻抗是可以表征活体生物组织或者器官等电学特性(阻抗、导纳、介电常数等)的物理量[15-16]，生物体组成部分以及其整体均可以通过生物阻抗来反映，通过使用不同的模型对组织进行拟合，来建立阻抗值和生物体之间的联系。ColeY模型见图2(a)，主要将组织细胞外液和细胞内液等效为电阻，细胞膜等效为电容、电阻，低频时电流主要流经细胞外液，高频时开始流经细胞内液与细胞外液[17]。

2.3.2双频并行模型 双频并行模型见图2(b)，该模型由两个元件并联组成，在不同频率下测量阻抗成分：低频电导GLF和高频电纳BHF。低频时，由于细胞膜的电介质特性，电流主要流过细胞外液，细胞外液的导纳以电导为主；高频时，电流开始进入细胞内，同时流过细胞内液和细胞外液，细胞的导纳以电纳性为主。研究表明，在5 kHz时，信号通路几乎完全是细胞外，在此频率下，信号极难穿透细胞膜的电容；50 kHz并行模型可以较准确预测细胞内液的变化；在500 kHz时，信号大范围穿过细胞膜电容[18]。将双频数据进行对比，区分细胞内外液。因此，高频选择应大于50 kHz，且低频与高频之间需要存在显著差异，离体组织相对于在体组织存在部分差异，同时考虑AD5933的阻抗测量频率范围在100 kHz以内。因此，本研究中双频并行模型的低频选择9 kHz，高频选择90 kHz。

(a)

(b)

Fig.2(a).ColeYmodel；(b).Dual-frequency parallel model

2.4 实验设计

实验设计参考基于ColeY模型的小肠组织多频阻抗分析[11]进行。为了探索不同压强值下小肠组织阻抗的变化，以8 g/mm2压强为基础，其他两组设为16 g/mm2和32 g/mm2压强。

为尽量减小实验误差，以2 g/mm2为初始压强进行实验，将此时的阻抗值记为0 s。整个压榨过程分为两个阶段：阶段Ⅰ剧烈压榨阶段，快速将组织从2 g/mm2压到预设压强；阶段Ⅱ恒压强持续压榨阶段,维持预设压强对组织持续压榨，并且间隔5 s读取12组数据。

2.5 方法分析

数据分析结果采用均值±标准差的形式来表达，显著性分析采用最小样本t检验的方式，P<0.05认为有显著性差异。

3 结果

本次研究的实验结果如下。

图3 GLF随时间变化趋势

GLF随时间的变化趋势见图3。在阶段Ⅰ，GLF迅速下降；在阶段Ⅱ，GLF持续下降，但下降趋势相对阶段Ⅰ较弱。随着预设压强的增加，阶段Ⅰ中GLF的下降趋势明显增强；阶段Ⅱ中下降趋势相近。

图4 BHF随时间变化趋势

BHF随时间的变化趋势见图4。在阶段Ⅰ，BHF迅速减少；在阶段Ⅱ，当压强较小时，BHF并没有明显的下降趋势，而是表现为波动；随着压强增加，波动趋势减小，下降趋势增加。。

定义两个差值变化变量△YⅠ和△YⅡ(Y代表G、B)对不同阶段、不同压强下G与B的变化趋势进行准确分析,公式如下：

阶段Ⅰ差值变化图像见图5。△GⅠ随压强增大而增加，各压强之间数据存在显著性差异；△BⅠ随压强增大而增加，在8 g/mm2和16 g/mm2压强值下，数据并无显著性差异，而8 g/mm2与32 g/mm2、16 g/mm2与32 g/mm2压强值下的数据存在显著性差异。

图5 剧烈压榨下(阶段Ⅰ)G、B差值图像

阶段Ⅱ差值变化图像见图6。8 g/mm2和16 g/mm2压强下，△GⅡ值显著增加，△BⅡ值变化缓慢，无显著性差异；16 g/mm2和32 g/mm2压强下，△GⅡ变化缓慢，无显著性差异，△BⅡ值显著增加。

图6 持续压榨下(阶段Ⅱ)G、B差值图像

观察阻抗值发现，在阶段Ⅱ，BHF值会出现波动。为探究波动情况与压强变化的关系，计算BHF的变异系数(标准差/均值)BCV，见图7。随着压强增大，BCV越来越大。当压强增大到32 g/mm2时，BCV出现显著性差异。

图7 阶段ⅡBHF变异系数图像

4 讨论

在阶段Ⅰ，对小肠组织实施快速压榨，两金电极之间测量空间内的组织被迅速挤出，压强越大，组织挤出越多。此阶段，GLF和BHF均迅速减少，并且随着压强增大，减小趋势增大。压强从8 g/mm2增加至16 g/mm2时，△GⅠ显著增加，△BⅠ轻微增加，反映了随着压强增加细胞外液明显排出，对细胞内液影响较小；压强从16 g/mm2增加至32 g/mm2时，△GⅠ和△BⅠ均显著增加，反映了压强增加对细胞外液和细胞内液均有很大影响，使细胞内液和细胞外液的排出明显增加。推测压强增大至32 g/mm2时，细胞受压过大，可能导致细胞破裂，在快速施加巨大压强条件下，使细胞内液随细胞外液一同大量排出。

在阶段Ⅱ，维持设定压强，两金电极之间组织内容无明显变化。此阶段，GLF缓慢减小，BHF波动减小，反映了维持压强细胞外液继续排出，细胞内液轻微排出。压强从8 g/mm2增加至16 g/mm2时，△GⅡ值显著增加，△BⅡ值变化缓慢没有显著性差异，反映压强增大使细胞外液排出增多，细胞内液排出受影响较小；从16g/mm2增加至32g/mm2时，△GⅡ轻微增加；△BⅡ值显著增加，反映压强增大使细胞内液和细胞外液排出增多，维持恒压强情况下，细胞内液流出以补充细胞外液，因此细胞外液整体变化较小，细胞内液变化较大。观察阶段Ⅱ的变异系数，随着压强增加，变异系数增大，当压强达到32 g/mm2时，变异系数显著增加，反映了相对于8 g/mm2和16 g/mm2压强下，BHF严重偏离均值，细胞可能死亡，细胞膜维持作用消失。综合阶段Ⅰ与阶段Ⅱ，在8 g/mm2和16 g/mm2压强下，压榨过程对细胞外液的变化产生巨大影响，对细胞内液影响较小，对比32 g/mm2压强下的数据，发现压榨过程中细胞内液产生显著变化。

在基于ColeY模型的多频阻抗分析中，实验过程分为两个阶段。在阶段Ⅰ，吻合器被锁紧，钉砧和测量匣之间的距离迅速减小，组织受到剧烈压榨，压强迅速增加，G0、△G和CCPEF迅速减少，反映部分组织被挤出测量空间，细胞外液和细胞数量迅速减少；阶段Ⅱ，吻合器保持锁紧状态，持续对小肠进行压榨，以达到预定间隙。G0持续减小，反映了细胞外液持续减小；随着预定间隙的减少，压榨强度增加，G0持续减小，反映了细胞外液持续排出；△G波动趋势减小并开始下降，反映了随着压榨强度增加，细胞内液开始排出。细胞内液的变化趋势与细胞受压后的形变恢复有相关性[12]。本研究中，在阶段Ⅰ大量组织被挤出测量区域；GLF和BHF迅速减小；当压强增大到32 g/mm2时，细胞可能已经破裂，流出的细胞内液增多，随细胞外液一起大量排出，△BⅠ的值与8、16 g/mm2压强下的值有显著性差异。阶段Ⅱ中，细胞外液持续排出，GLF持续减小，细胞内液无明显变化，BHF存在波动；随着压强增大，细胞内液排出增多，BLF波动趋势减弱，下降趋势增强。对比发现，双频并行模型中的GLF和BHF与ColeY模型中的G0和△G的变化趋势十分相似，初步认为双频并行模型具有一定的可行性，其参数可以表征组织的压榨状态。

5 结论

本研究采用双频并行模型对组织受压过程进行分析，与基于ColeY模型的多频阻抗分析结果对比。发现双频并行模型的参数具有表征组织压榨状态的潜力，由于其在工程上较易实现，因此也可用于建立吻合器智能压榨的参数标准。将来需要在对压强进行细分，细化实验参数，分析组织损伤情况等方面开展进一步确认工作。