影响猪胰管封闭效果的电刀参数分析

2022-04-21刘祎程李可洲

西南交通大学学报 2022年2期

郑靖，刘祎程，张浩，杨丹，李可洲

（1. 西南交通大学机械工程学院，四川成都 610031；2. 四川大学华西医院，四川成都 610041）

胰瘘是胰腺外科手术中最常见的术后并发症，胰瘘往往会引起腹腔脓肿、腹腔血管破裂、胃排空延迟等问题，显著增加患者围手术期的死亡风险，因胰瘘引起的死亡率高达20%[1-4]. 术后胰瘘主要与胰管内胰液外渗有关[5]，目前，预防术后胰瘘尚无可靠的解决方法[6].

现有研究表明高频电刀在预防术后胰瘘上有积极的效果：Burdío等[7]发现使用射频消融装置可以使胰腺残端组织完全收缩闭合，与机械吻合器相比有更好的胰管封闭效果； Ikeda等[8]通过对比研究双极电凝和直线切割闭合器在进行猪胰腺远端切除时的作用效果，发现双极电凝组胰管爆破压明显更高；Chamberlain等[9]通过活体和体外模拟实验，研究超声刀与标准单极电凝对胰管闭合效果的影响，发现标准电凝组的胰瘘发生率略低于超声刀处理组；Nagakawa等[10]开发了一种柔性电凝系统，该系统的峰值电压小于200 V，远低于普通高频电刀，不仅能缓解手术过程中的电弧放电现象，还能有效闭合小直径胰管，具有良好的止血防胰瘘效果；李宵宇[11]通过体外模拟实验发现高频电刀的操作参数会影响胰管闭合效果；此外，电极的尺寸参数会在一定程度上影响电流密度的分布，进而影响组织损伤范围、损伤程度以及电刀的作用效果[12-13]. 然而，目前尚缺乏高频电刀机电参数对胰管封闭效果影响规律的系统认识，医生仅依靠个人经验对高频电刀机电参数进行选择，这导致在临床上无法有效利用高频电刀的止血防胰瘘功能.

本研究采用体外模拟实验方法，利用胰管爆破压测试方法对猪胰管封闭效果进行定量评价. 通过单因素实验研究干燥模式下不同机电参数对胰管爆破压的影响规律，结合三因素三水平的响应面分析方法，分析胰管封闭效果与电刀功率、作用时间以及电极前端直径之间的关系，获取影响防胰瘘焦痂结构的关键机电参数，并且优化计算出干燥模式下闭合胰管的最佳机电参数. 本研究结果可为胰腺外科医生的临床操作方案提供实验依据和理论支撑.

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 生物组织样品

猪胰腺的解剖位置、生理结构和CT影像特征等均与人体胰腺高度一致，因此在针对胰腺疾病的研究中，通常采用猪胰腺作为试验样本[14]. 本研究选用新鲜离体猪胰腺进行试验，所用猪胰腺均来自本地屠宰场，总长在23 cm左右，主胰管直径在1.30 mm左右，保存于4 ℃生理盐水中于1 h内转运至实验室；用陶瓷刀切除胰腺表面的结缔组织，截取胰腺左部约14 cm的主体部分进行试验；为防止样品失活，整个试验过程在猪胰腺离体4 h内完成.

1.1.2 手术电极样品

本研究中共使用了以下6种手术电极，均是304不锈钢加工制造的球状电极，前端直径分别为0.50、1.00、2.00、3.00、4.00、5.00 mm；加工设备为磨床，样品表面粗糙度为0.4～0.6 μm.

1.2 方法

1.2.1 爆破压测试方法

测试血管吻合口承压能力通常采用爆破压试验，吻合口破裂时的压力即为血管吻合口的爆破压[15]. 为定量分析高频电刀作用后组织融合部位对胰管的封闭效果，本研究基于焦痂封闭胰管与血管闭合的相似性，将爆破压作为评价胰管闭合效果的指标，并自行设计了一种测量胰管爆破压的装置，如图1所示，该装置由蠕动泵、中心静脉导管和数字压力表组成. 胰管爆破压的测试步骤如下：1）中心静脉导管从胰腺远端主胰管中穿入，贯穿胰管后尾端接入三通；2）利用高频电刀烧灼胰腺断面，形成焦痂封闭胰管；3）蠕动泵泵水速率设置为0.4 mL/s（模拟胰液流动速度），观察数字压力表读数，记录峰值压力为胰管爆破压.

图1 爆破压测试装置和高频电刀装置Fig. 1 Burst pressure test device and electrosurgical unit

1.2.2 响应面试验设计和分析方法

首先进行胰管爆破压单因素试验：

步骤1作用时间2.00 s，电极前端直径2.00 mm，功率分别为40、50、60、70、80 W，每组测10次取均值；

步骤2取步骤1中最佳作用功率为定值，电极前端直径2.00 mm，时间分别为1.00、2.00、3.00、4.00、5.00 s，每组测10次取均值；

步骤3取步骤1中最佳作用功率和步骤2中最佳作用时间为定值，电极前端直径分别为1.00、2.00、3.00、4.00、5.00 mm，每组测10次取均值.

根据单因素试验结果，获取各变量的最优取值范围，确定因素水平，采用Box-Benhnken试验设计方法确定试验点进行爆破压测试[16]. 本研究采用式（1）多元二次响应面函数进行分析.

式中：xi、xj为自变量，p为变量个数；β0、βi、βii分别为常数项、一阶待定系数和二阶待定系数；βij为交互作用待定系数.

为探明机电参数对胰管爆破压的影响关系，将爆破压设为响应变量Y，自变量分别设为A、B、C，响应面函数为

获得各试验点的试验数据后，通过响应面分析软件Design-Expert进行拟合，确定响应面函数的待定系数，获取胰管爆破压响应面回归方程模型. 进行方差分析确定函数关系的可靠性；通过响应面分析各因素间的交互作用关系；求解该回归方程的最大值获取具有最佳胰管封闭效果的电刀机电参数.

2 结果与讨论

2.1 胰管爆破压单因素试验

2.1.1 电刀功率的影响

干燥模式下作用时间为2.00 s，电极前端直径为2.00 mm时，猪胰管爆破压随电刀功率增加的变化趋势如图2所示. 由图2可知：功率从40 W到60 W时，输出能量的增大使断面组织有足够的热量形成焦痂，胰管爆破压从(4.28 ± 0.55) kPa增至(9.74 ±0.57) kPa；功率从60 W到80 W时，胰管爆破压持续降低，说明过高的热效应会破坏焦痂结构；电刀功率在60 W附近时，生成的焦痂具备最佳胰管封闭效果. 文献报道中狗胰管的爆破压为8.00～40.00 kPa[10]，与本研究爆破压实验结果相似.

2.1.2 作用时间的影响

干燥模式下作用功率为60 W，电极前端直径为2.00 mm时，爆破压随作用时间增加的变化趋势如图3所示. 由图3可知：作用时间从1.00 s到2.00 s时，作用时间的延长使能量能传导深度增加，进而使得焦痂厚度增加，爆破压升高；作用时间从2.00 s到5.00 s时，胰管爆破压下降，说明延长作用时间虽然能增加焦痂厚度，但也会导致焦痂碳化严重，破坏焦痂结构；作用时间在2.00 s附近时，生成的焦痂具备最佳胰管封闭效果.

图3 不同作用时间下猪胰管爆破压Fig. 3 Burst pressure of porcine pancreatic duct under different action time

2.1.3 电极直径的影响

干燥模式下作用功率为60 W，作用时间为2.00 s时，爆破压随电极前端直径增加的变化趋势如图4所示. 由图4可知：电极前端直径从1.00 mm到2.00 mm时，电极前端与组织的接触面积扩大，局部电流密度减小，电火花对焦痂表面结构的破坏程度减弱，爆破压升高；电极前端直径从2.00 mm到5.00 mm时，爆破压缓慢下降，说明电流密度减小虽然使电火花对焦痂表面结构的破坏程度减轻，但电极产热分散，主胰管附近组织无法获得足够热量，组织收缩程度不够，导致胰管封闭效果变差；电极前端直径在2.00 mm附近时，生成的焦痂具备最佳胰管封闭效果.

图4 不同直径电极作用下猪胰管爆破压Fig. 4 Burst pressure of porcine pancreatic duct under different diameter electrodes

2.2 爆破压与焦痂结构的关系

图5为具有不同胰管封闭效果的焦痂表面激光共聚焦显微镜（LSCM）形貌图. 由图5可知：爆破压高的胰腺组织断面焦痂表面孔洞直径较小、孔洞数量较少、碳化程度较轻，且无明显贯穿孔洞. 图6为具有不同胰管封闭效果的焦痂剖面光学显微镜（OM）形貌图，由图6可知：爆破压高的胰腺组织焦痂剖面碳化区较薄，过渡区与碳化区总体厚度较厚，胰管封闭区域厚度明显大于对照组；图6（a）中胰管并未被焦痂完全封堵，图6（b）中胰管封闭效果较好，但是焦痂过渡区与碳化区以及正常组织之间均有裂缝，易被液体渗漏. 结合具有不同胰管封闭效果的焦痂剖面形貌、焦痂表面形貌以及胰管爆破压数据表明，胰腺组织焦痂形貌结构与胰管爆破压高低有密切联系.

图5 焦痂表面LCSM形貌Fig. 5 LCSM morphology of eschar surface

图6 焦痂剖面OM形貌Fig. 6 OM morphology of eschar section

2.3 响应面试验结果及方差分析

单因素试验结果表明以上3个因素均对胰管封闭效果存在显著影响，因此选择高频电刀的功率（A）、高频电刀的作用时间（B）以及高频电刀电极前端直径（C）进行三因素三水平的响应面分析试验，各因素的水平根据单因素试验结果确定，具体数值见表1.

表1 响应面试验设计因素水平表Tab. 1 Levels of independent variables for BBD

通过Box-Benhnken试验设计原理获取17个试验点，并通过体外模拟试验获取了各试验点的胰管爆破压试验数据，如表2所示. 采用Design-Expert进行二次响应面回归分析，得到式（3）所示多元二次响应面回归模型.

表2 响应面试验点与试验结果Tab. 2 Test points and results of BBD

如表3所示，胰管爆破压方程模型的F值为67.95，表明该方程模型极显著. 校正复相关系数与预测复相关系数差异小，且均接近1，说明该方程模型无需进一步优化. 该方程模型中的一次项A显著（P< 0.05），一次项B、C，二次项AB、AC、A2、B2、C2极显著（P< 0.01），这说明各因素除了单独对爆破压有影响外，它们之间还有明显的交互作用. 变异系数显著低于15%表示所有试验数据无明显异常；此外，失拟项表示模型与实验数据的拟合程度，如表3所示，该模型的失拟项极不显著（P值0.247≫ 0.05），表明该回归方程模型的拟合值与实验数据相比非正常误差占比小，无失拟因素存在. 信噪比的数值（21.786）较大，表明用该方程模型对胰管爆破压进行预测分析极为可靠.

表3 爆破压响应面回归模型方差分析Tab. 3 ANOVA test results for burst pressure model

通过爆破压的残差正态概率图（图7）可以判断残差是否服从正态分布，爆破压残差点位于直线两侧，服从正态分布. 模型的拟合度图（图8）为爆破压预测值与实验值的对应关系，预测值是根据回归方程模型计算得到的响应值，可以看到预测值与实验值分布规律吻合，大致处于同一直线上. 方差分析结果表明，该模型能较好地拟合实验结果，因此可用该响应面方程模型来分析各因素之间的作用关系并获取各因素的最优组合.

图7 残差正态概率Fig. 7 Residual normal probability

图8 方程模型的拟合度Fig. 8 Goodness-of-fit of empirical model

2.4 等高线图及响应曲面图

等高线及响应曲面图可以直观地反映各自变量对因变量的影响，便于找出最佳机电参数以及各个机电参数之间的相互作用关系. 当等高线图趋向于圆形时，说明两个因素相对独立的对响应值产生影响，当等高线图趋向于椭圆形时，说明两个因素之间有显著的交互作用[17]；而在响应曲面图中，可以通过曲面的倾斜度确定某个因素对响应值的影响程度，曲面倾斜度越高、坡度越陡，说明该因素对响应值影响越显著，倾斜度可以从颜色变化趋势来判断，由蓝到红的变化趋势越快，说明坡度越陡. 在本研究中将高频电刀的功率（A）、高频电刀的作用时间（B）和高频电刀电极前端直径（C）分为（A，B）、（A，C）和（B，C） 3组进行对比分析.

不同时间和功率作用下胰管爆破压等高线及响应曲面如图9所示，由图9可知：等高线大致呈椭圆形，这表明作用时间和电刀功率之间有较强的交互作用；从响应曲面的颜色变化趋势可以看到，作用时间的响应曲面略陡于电刀功率的响应曲面，而作用时间的等高线密度也略高于电刀功率，因此能判断出电刀的作用时间对爆破压的影响程度相比电刀功率更显著；同时，从响应曲面能明显看出爆破压并不会随着作用时间或者作用功率的增加或者减小发生发散性变化，而是在某个区域内存在一个最佳响应峰值；在最佳响应区域内胰管爆破压大于9.00 kPa，电刀的作用时间在1.50～2.50 s，电刀的作用功率在55～65 W.

图9 不同作用功率和作用时间下爆破压等高线与响应曲面Fig. 9 Contour plots and Response surface of burst pressure under different power and times

不同功率和电极前端直径作用下的等高线及响应曲面如图10所示. 由图10可知：等高线趋向于圆形，这表示电刀功率和电极前端直径对爆破压的交互作用较弱，两个因素相对独立地对爆破压产生影响；从响应曲面的颜色变化趋势可以看到，电极前端直径的响应曲面略陡于电刀功率的响应曲面，而电极前端直径的等高线密度也略高于电刀功率，因此能判断出电极前端直径对爆破压的影响程度相比电刀功率更显著；同时，从响应曲面能明显看出爆破压并不会随着功率和电极前端直径的增加或者减小发生发散性变化，而是在某个区域内存在一个最佳响应峰值；在最佳响应区域内胰管爆破压大于9.00 kPa，电刀的作用功率在55～65 W，电极前端直径在1.50～3.00 mm.

图10 不同电极前端直径和作用功率下爆破压等高线与响应曲面Fig. 10 Contour plots and Response surface of burst pressure under different electrode diameter and power

不同时间和电极前端直径下的等高线及响应曲面如图11所示. 由图11可知：等高线趋向于圆形，这说明作用时间和电极前端直径对爆破压的交互作用较弱，两个因素相对独立地对爆破压产生影响；从响应曲面的颜色变化趋势可以看到，两个因素的响应曲面陡度无明显区别，等高线密度基本一致，因此能判断出作用时间与电极前端直径对爆破压的影响程度相当；同时，从响应曲面能明显看出爆破压并不会随着作用时间和电极前端直径的增加或减小发生发散性变化，而是在某个区域内存在一个最佳响应峰值；在最佳响应区域内胰管爆破压大于9.00 kPa，电刀的作用时间在1.50～3.00 s，电极前端直径在1.50～3.00 mm.

图11 不同电极前端直径和作用时间下爆破压等高线与响应曲面Fig. 11 Contour plots and response surface of burst pressure under different electrode diameter and times

综上所述：高频电刀的作用功率、作用时间之间具有较显著的交互作用，二者共同对胰管爆破压产生影响；电极前端直径与电刀功率、作用时间无显著交互作用，相对独立的影响胰管爆破压；电刀功率相比电极前端直径和作用时间对爆破压的影响程度较弱.

2.5 最优机电参数下焦痂形貌

通过多元二次回归方程模型得到如下最佳机电参数：电刀功率59.39 W、作用时间2.18 s、电极前端直径2.31 mm. 为探究最佳机电参数下的焦痂结构，选取电刀功率59.00 W、作用时间2.00 s、电极前端直径2.30 mm进行了体外模拟实验，获取了焦痂表面形貌和焦痂剖面形貌结构特征.

如图12（a）所示，焦痂表面孔洞直径较小，大部分孔洞直径为100～200 μm，无明显贯穿孔洞，碳化程度较轻，具有良好的致密性. 如图12（b）所示，焦痂剖面分为碳化区及过渡区，碳化区较浅，碳化区与过渡区总体厚度较厚，两个区域之间无明显裂缝，且过渡区与组织结合较为紧密. 此外，右部胰管封闭效果较好，胰管封闭厚度约为1023 μm，且胰管封闭区域组织有一定程度的收缩，起到封堵胰管的作用. 结果表明，具有良好胰管封闭效果的焦痂表面具有较高的致密性，整体厚度适中，焦痂碳化区较薄，过渡区与碳化区以及正常组织之间均无明显缝隙，胰管封闭区域组织有一定程度的收缩.

图12 最佳机电参数作用下焦痂形貌Fig. 12 Morphology of eschar under the best electromechanical parameters

本研究中猪胰管直径在1.30 mm左右，而人体主胰管直径通常在2.00～3.00 mm，Halle-smith 等[18]以及Liu等[19]研究表明胰管直径对术后胰瘘有显著影响. 另外，离体实验的温度环境和体温相差较大，可能对结痂效果产生影响；其次，离体猪胰管中无液体流动，而实际手术过程中，胰腺内的液体流动的流量和压力会对结果造成一定偏差. 本研究中基于离体实验方法，建立了研究最佳封闭效果机电参数的分析手段，将为动物活体实验参数的选取提供依据.后续的活体实验中应充分考量环境温度、流体压力和流量、胰管直径等因素对胰管封闭效果的影响. 现阶段研究结果有助于高频电刀在胰腺外科防胰瘘治疗领域的有效应用.