基于自冷却焊接钳口的小肠组织射频焊接参数优化研究.pdf

生 物 医 学 工 程 研 究 ():./.通信作者:.基于自冷却焊接钳口的小肠组织射频焊接参数优化研究林洪宇胡浩雷德秀吴定霖周宇(上海理工大学 健康科学与工程学院上海)摘要:本研究利用新型具有冷却效果的焊接钳口配合自制的射频能量平台对离体猪小肠进行实验以探索适用于自冷却焊接钳口的焊接模式及参数 本研究以爆破压和热损伤作为评判依据通过改变不同输出功率和不同能量输出模式评估其闭合质量 结果显示在持续输出模式下 为较优功率参数爆破压为(.)平均热损伤为(.)在断续输出模式下“输出 暂停.循环 次”为较优焊接参数爆破压为(.)平均热损伤为(.)实验结果表明该射频焊接平台可实现质量良好的闭合相较于持续输出模式使用合适参数的断续输出模式在提升爆破压的同时可以较低的热损伤实现猪小肠闭合关键词:射频能量组织融合焊接钳口爆破压热损伤能量输出模式中图分类号:.文献标志码:文章编号:()():().(.)(.)“.”(.)(.).:引言消化道重建是胃肠道手术中重要的步骤之一切除患者病灶后通常需要对接消化道断开端口以重新形成结构完整通畅、功能正常的消化道传统的手术方式是手工缝合和吻合器吻合但存在闭合区域非连续、术后有残留物可能会引发出血、吻合口漏、异物排异等问题并且吻合钉费用昂贵为解决吻合口非连续及有异物残留的缺点 年 等尝试使用 血管闭合系统原型()对猪小肠进行闭合发现肠组织可病理性愈合证实了用射频能量焊接肠组织的潜力提出了一个研究肠道闭合的新方向 第 期林洪宇等:基于自冷却焊接钳口的小肠组织射频焊接参数优化研究之后国内外学者对射频能量焊接肠组织的研究取得了一定进展但所使用的焊接钳口大多由金属电极与组织直接接触来导通高频电流 随着焊接的进行金属电极容易积热导致焊接的热损伤较严重此外钳口局部的高温会使生物组织与电极粘连在撤离电极时可能会造成撕裂 为此本研究采用一种新型的具有冷却效果的焊接钳口该焊接钳口将流动的生理盐水作为导电和散热介质在导通射频电流的同时可带走多余热量适当降低电极温度以实现满足肠组织焊接强度的同时降低热损伤并减少组织粘连现象的发生本研究针对新型的具有冷却效果的闭合器械钳口配合自制的可精确控制输出能量的射频能量发生平台以离体猪小肠为实验对象观察焊接过程中组织电流、阻抗和温度变化趋势探索适用于自冷却焊接钳口的肠组织射频焊接的能量输出模式及参数以实现高爆破压、低热损伤的焊接质量 材料和方法.实验系统.自冷却焊接钳口设计普通双极金属电极原理图见图()图中红色箭头表示电流分布及其方向射频电流是交变电流此处为方便说明采用电极上正下负的表示方法 在焊接过程中射频电流除流经肠组织的焊接区域(区)还有一部分会向钳口外部(区)扩散从而产生一定热损伤自冷却焊接钳口从上到下分别由上半结构、肠组织、下半结构组成其原理见图()钳口的外壳是绝缘材料上下结构中均有空腔 焊接时用生理盐水充满上下空腔通过上下结构的通水孔使生理盐水与肠组织充分接触从而有效导通射频电流 由于射频电流只能通过自冷却钳口上的通水孔流动因此射频电流更容易被控制在 区削弱了射频电流向 区的外扩程度同时由于流动的生理盐水的散热效果降低焊接钳口的温度焊接时用水泵从注水孔 注入.生理盐水经过自冷却焊接钳口下半结构空腔、注水孔、硅胶管、注水孔、自冷却焊接钳口上半结构空腔、通水孔 最终充满整个空腔见图()该进出方向有助于消除结构容腔内受重力影响产生的气泡减少射频能量发生平台输出过程中阻抗突变的情况使肠组织获得的功率更加稳定自冷却焊接钳口固定在升降平台上见图()升降平台由电机控制带动上半压力结构上下移动最终使肠组织受到恒定的压缩压力以模仿吻合器对组织的压力作用图 ().普通双极电极原理图().自冷却焊接钳口原理图().自冷却焊接钳口侧视图().自冷却焊接钳口实物图.().().().().射频能量发生平台设计 射频能量发生平台的外观、内部结构及结构框架见图 医用隔离电源将市电转换为 直流可调电源模块将 直流电源转换成 可调直流给射频放大器模块提供电源射频放大器模块由对称 类射频放大电路和反馈电路构成对称 类射频放大电路将直流输入转换为生物医学工程研究第 卷 的低谐波射频输出反馈电路将射频输出电压电流值转换为单片机可接受的信号反馈给主控模块主控模块由 单片机及其外围电路构成操作人员在人机界面上设置输出模式、输出功率及输出时间单片机获得指令后控制各模块协同工作在 算法控制下射频能量发生平台以持续或断续模式输出射频能量同时人机界面实时显示输出功率、阻抗等信息接口板模块上的变压器将射频放大器模块与输出隔离提高了设备的安全性见图 射频能量发生平台在 负载范围的最大输出功率为 系统实际输出值与预设值误差可保持在内射频输出能量精确可控图 射频能量发生平台.实验材料选用离体的新鲜猪小肠作为实验材料 将获取的新鲜猪小肠先用.生理盐水冲洗猪小肠上的粪便并清理猪小肠外层连接的脂肪再剪成 长度浸泡于.生理盐水中实验中尽量保证同组猪小肠的厚度为 实验分为持续输出模式 组和断续输出模式 组每组 个实验样本分别在持续输出模式下改变输出功率在断续输出模式下改变单次输出时长、间断时长和循环次数对猪小肠进行焊接实验.实验流程实验过程中将处理好的待焊接猪小肠段放在自冷却焊接钳口上堵住自冷却焊接钳口上的通水孔控制升降平台下降使肠组织受到的压缩压力恒定为 用蠕动泵()给自冷却焊接钳口注入.生理盐水直至自冷却焊接钳口空腔充满生理盐水此时开启射频能量发生平台对猪小肠进行“黏膜黏膜”焊接焊接过程中用红外热像仪()进行热损伤测量 焊接完毕后立即对焊好的猪小肠进行爆破压测量.评估方法.爆破压测量猪小肠焊接口的爆破压是评估其焊接强度的重要指标之一 爆破压测量系统由三通管、数字压力表(、.苏州轩胜仪表科技)、恒流泵(保定齐力恒流泵有限公司)组成见图 三通管的三个端口分别连接至恒流泵输出端口、数字压力表测量端口和被测猪小肠未被焊接的一端用止血钳夹紧以保证爆破发生在猪小肠的焊接侧 恒流泵以 的速率向被测猪小肠注入.生理盐水在测量过程中随着生理盐水的不断注入猪小肠持续胀大直至焊接区域破裂数字压力表中最大值即为猪小肠爆破时测得的压力记录该数据作为爆破压值 第 期林洪宇等:基于自冷却焊接钳口的小肠组织射频焊接参数优化研究图 爆破压测量示意图.热损伤测量 在猪小肠焊接过程中将红外热像仪安装在三脚架上并放在自冷却焊接钳口侧边的同一水平线上通过视频方式实时监测猪小肠焊接部位的温度变化见图 设定组织发生损伤的临界温度为 高于 的区域为热损伤区域 图()为猪小肠焊接热损伤计算原理图在红外热像仪拍摄的视频中得到热损伤区域宽度为 为自冷却焊接钳口宽度则 为总热损伤宽度 由于焊接钳口两侧热扩散可能不均匀故取()/得到的平均热损伤范围作为衡量指标 热像仪拍摄画面见图()用热像仪软件绘制热损伤区域的线温图(温度像素点图)见图()读出 时左右像素位置经计算得到实际的热损伤图 热损伤测量.统计分析本研究数据采用 软件进行分析软件版本为.采用独立样本 检验对实验数据进行显著性分析 得到不同输出参数的显著性当.时认为两组数据具有显著性差异 实验结果.焊接过程电流、阻抗、温度变化在恒功率算法控制下肠组织焊接过程中输出电流和阻抗呈现一定规律性设备输出电流、肠组织阻抗和肠组织焊接区域的最高温度随时间变化见图 本研究参考 等的研究将焊接时长固定设置为 图()、()是在持续输出模式下以 恒功率焊接 所得的电流时间、温度时间、阻抗时间曲线图图()是在持续输出模式下分别以、恒功率焊接 的电流时间曲线图图()是在间断输出模式下以 功率输出 、暂停.、循环 次的温度时间曲线图生物医学工程研究第 卷图 ().持续输出模式电流、温度时间图().持续输出模式电流、阻抗时间图().不同功率的持续输出模式电流时间图().间断输出模式温度时间图.().().().().持续输出分组实验数据分别以、功率对猪小肠进行持续输出焊接焊接总时长固定为 实验结果见图 图 持续输出模式下不同功率的实验结果图.间断输出分组实验数据间断输出模式输出时长见式:()()其中是焊接过程总时长是单次输出时长是间断时长 是循环次数分别以 功率输出 、间断 、循环 次(组)功率输出 、间断.、循环 次(组)、功率输出 、间断.、循环 次(组)功率输出 、间断 、循环 次(组)功率输出 、间断.、循环 次 第 期林洪宇等:基于自冷却焊接钳口的小肠组织射频焊接参数优化研究(组)功率输出 、间断.、循环 次(组)参数对猪小肠进行间断输出焊接其中射频实际总输出时长固定为 实验结果见图 图 间断输出模式下不同间隔时间的实验结果图.讨论.焊接过程电流、阻抗、温度变化结果分析图 中电流、阻抗时间变化曲线与 等所得到的变化规律有一定区别可能是由于焊接钳口不同、电流作用方式变化所致 因此有必要在明确焊接过程中电流、阻抗等变化规律的基础上对本研究的自冷却焊接钳口进行输出模式和参数的优化研究由图()可知电流在初始阶段会保持一个较大值并维持一定时长(焊接过程中此段时间称为“大电流”时段)随后电流下降至一个固定值后基本保持不变 结合图()、()假设在“大电流”时段组织内水分流失组织温度上升缓慢当水分流失阶段结束时(电流时间曲线与阻抗时间曲线相交处)组织阻抗快速上升由于射频能量发生平台功率恒定不变继续输出组织上产生大量的焦耳热组织温度迅速上升 由图()可知“大电流”时段的时长随功率的提升而缩短可能是由于焊接钳口之间的肠组织量基本不变当功率提升时在“大电流”时段内流经肠组织的电流增加水分流失速度加快故而缩短了“大电流”时段的时长使组织阻抗提前升高从而使肠组织提前产生大量焦耳热 当总焊接时长固定为 时大功率焊接由于组织快速升温的时间提前可能具有更长的有效加热时间 其中焊接功率为、的电流时间曲线在“大电流”时段结束后出现小波动可能是由于焊接时功率太大温度过高导致焊接钳口空腔内生理盐水沸腾产生气泡使得钳口电极间的阻抗发生突变导致 而有效加热时间过长会使肠组织的温升过高可能导致组织的热损伤增大因此本研究尝试采用间断式输出法 间断式输出法让射频电流间断式施加在肠组织上当射频电流施加在肠组织上时肠组织蛋白细胞变质脱水加热而当射频电流停止输出时生理盐水的散热作用使肠组织降温从而降低热损伤范围其温度时间曲线见图().持续输出分组实验数据分析图 可知随着功率的提升猪小肠的平均热损伤均值持续增加、爆破压先增大后减小当射频输出功率为 时爆破压平均值最大为(.)(大于吻合器标准规定的爆破压.即.)当射频输出功率为 时爆破压平均值最小为(.)当射频输出功率为 时测量得的热损伤范围为零且爆破压平均值为(.)图()的电流时间曲线无完整的“大电流”时段说明 的焊接功率可能不足以使肠组织产生吻合效果 而当射频输出功率超过 时爆破压均值逐渐降低 在焊接过程中当射频功率超过 时肠组织受压区域焊接钳口通水孔处的肠组织会焦化生物医学工程研究第 卷在测量爆破压时易发生破损漏液导致爆破压较低 在所有功率组中 获得的爆破压最高其爆破压数据与 组相比具有显著性差异热损伤数据与 组相比无显著性差异说明相比于 组 组在未明显提升热损伤的同时提升了爆破压 组的爆破压数据与 组相比无显著性差异热损伤数据与 组相比具有显著性差异说明相比于 组 组在未明显降低爆破压的同时显著降低了热损伤 综上所述 的焊接功率可获得相对较高的爆破压和相对较低的平均热损伤分别为(.)和(.).间断输出分组实验数据分析由图 可知在一致时越短爆破压越大、平均热损伤越大 相较于其他组为 组所得的爆破压较低猜测是由于为 时肠组织焊接区温度相较于其他组下降太多导致吻合不够充分对比相同、不同组的爆破压数据(即、组内两组结果对比)除 组外为 组的爆破压比为 组的略大可能是由于为 组的循环次数多使间断的总时长多于为 组即总散去的热量更多导致吻合质量差 组获得的爆破压为(.)平均热损伤为(.).组获得的爆破压为(.)平均热损伤为(.)以上数据说明在射频输出功率和实际总输出时长一致的情况下相比于持续焊接模式合适参数的间断输出模式可在不明显减少爆破压的同时大幅度降低热损伤且能够在增加爆破压的同时进一步减少热损伤 结论本研究针对自冷却焊接钳口配合自制的射频功率放大平台对离体猪小肠进行焊接研究分析了焊接过程中肠组织电流、阻抗、温度的变化过程 通过设计不同功率参数和输出模式的实验探究适用于自冷却焊接钳口的焊接模式及参数 在持续输出模式下以 功率焊接可获得较高的爆破压和较低的热损伤相较于持续输出模式合适参数的间断输出模式可实现在增加爆破压或不明显减少爆破压的同时降低热损伤 此外实验过程中发现由于猪小肠的厚度不同在同样的输出模式和参数下焊接效果有明显差异后续可设计针对不同厚度小肠的焊接算法使吻合效果一致参考文献何显力高鹏王楠.完全腹腔镜全胃切除术中线型吻合器法消化道重建及其技术细节.中华胃肠外科杂志():.黄昌明涂儒鸿林建贤.全腹腔镜胃癌根治术消化道重建技术与进展.中华消化外科杂志():.胡建昆张维汉.如何把握胃癌手术中消化道重建方式的临床研究.中华胃肠外科杂志():.刘琪李心翔.结直肠吻合技术的演变与展望.中华胃肠外科杂志():.贾振杰.胃肠吻合技术进展研究.中国医疗器械信息():.陈力宋成利于锡潼等.射频能量肠道焊接技术的研究进展.北京生物医学工程():.():.():.中华医学会外科学分会结直肠外科学组.中国直肠癌手术吻合口漏诊断、预防及处理专家共识(版).中华胃肠外科杂志():.():.宋志娇.高值医用耗材在欠发达地区应用的影响因素研究.华中科技大学.().:.:.():.:.():.第 期林洪宇等:基于自冷却焊接钳口的小肠组织射频焊接参数优化研究 :.():.周华彬韩帅陈军等.应用软组织高频焊接仪闭合小肠的可行性研究.生物医学工程学杂志():.():.:.():.:.():.“”:.():.():.“”.():.():.():.侯健周宇陆巍等.消化道组织自动压榨与阻抗测量实验装置的设计和研究.生物医学工程研究():.(收稿日期:)