宋成利+李昊+陳晟達+陳明惠

摘要： 水分是人體生物組織中的主要成份，在電凝器閉合時組織嚴重脫水，以組織水分含量作為檢測參數(shù)，可為電凝閉合器提供功率等參數(shù)控制的反饋。運用水分吸收光譜特性，通過采集透射光強，檢測生物組織在射頻能量作用下的水分含量變化情況。并對射頻能量發(fā)生模塊進行改造，搭建生物組織水分含量變化情況檢測模塊，利用系統(tǒng)采集到水分含量變化情況的相關(guān)數(shù)據(jù)，作為反饋信息控制能量輸出。

關(guān)鍵詞： 射頻能量閉合； 含水量； 吸收峰； 反饋控制

中圖分類號： O 433文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.04.001

引言外科手術(shù)中，通常會涉及到病變組織的摘除，該過程操作復雜，常發(fā)生出血，影響了手術(shù)的效率和安全性。手術(shù)中有效的止血能縮短手術(shù)時間，減輕患者痛苦，提高手術(shù)安全性[1]。以往止血多采用機械式方法，不僅對醫(yī)生的操作手法要求高且耗時長，還增加了手術(shù)風險。血管閉合技術(shù)大致可以分為機械結(jié)扎閉合、藥物凝血閉合和基于能量的閉合三大類[24]。近20年，隨著現(xiàn)代醫(yī)學理論和手術(shù)器械的發(fā)展，微創(chuàng)外科手術(shù)得以推廣[5]。在微創(chuàng)外科的腹腔鏡手術(shù)中，出現(xiàn)了多種依靠能量閉合血管的方法，這些方法能夠穩(wěn)定、安全地閉合血管，在提升速度的同時對非作用區(qū)域創(chuàng)傷較小，降低了術(shù)后并發(fā)癥的風險。射頻能量閉合裝置是利用頻率為100～5 000 kHz的大功率電能作用于被器械夾持的管腔組織，實現(xiàn)對組織進行精準閉合的電外科手術(shù)設備[6]。主要功能是由能量輸出裝置、反饋控制裝置以及器械前端夾頭三個部分來實現(xiàn)。國際上較為先進的射頻閉合設備功能模式相當完善，各種專用器械配件種類多樣，可以滿足各種外科手術(shù)的臨床使用要求。目前眾多外國廠商都有比較成熟的射頻能量雙極閉合系統(tǒng)，其中美國Valleylab公司和德國ERBE公司的相關(guān)產(chǎn)品通過了美國食品藥物管理局認證。國內(nèi)目前有多家企業(yè)生產(chǎn)高頻電刀，其中上海滬通電子有限公司和北京貝林電子有限公司等在生產(chǎn)研發(fā)方面積累了比較豐富的經(jīng)驗。但國內(nèi)研發(fā)的整體實力仍然與國外先進水平存在較大差距，關(guān)鍵元器件不能獨立生產(chǎn)。在高端的數(shù)字控制能量輸出方面，國內(nèi)尚無成形產(chǎn)品，該領(lǐng)域依然被國外產(chǎn)品壟斷[7]。本研究設計一種通過檢測透射光強來測定水分含量變化情況的系統(tǒng)，以射頻能量系統(tǒng)作為能量源，在滿足加壓、傳輸電能功能，同時還可以觀測組織性質(zhì)變化，利用光學方式對射頻作用過程中水分含量變化情況進行采集和檢測，通過光透射譜的強度變化轉(zhuǎn)化為電信號并利用計算機分析處理，觀察檢測電壓值的變化情況與對應的生物性質(zhì)變化情況即閉合效果之間的關(guān)系；同時還利用阻抗檢測方式共同檢測生物組織在射頻能量作用下的變化。1生物組織水分含量測量系統(tǒng)搭建對生物組織水分含量變化情況進行檢測，需要研發(fā)相應模塊，配合模擬前端器械夾具進行研究[8]。該模塊由檢測電路、光學設備以及軟件程序三部分組成，其中檢測電路包括控制近紅外發(fā)光二級管及其驅(qū)動電路、接收入射光信號的光電探測器濾波放大電路、采集模擬信號并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的DAQ數(shù)據(jù)采集卡；光學設備為固定并調(diào)整光電二極管的光纖耦合器及空間濾波器；軟件程序為利用LabVIEW編寫的程序系統(tǒng)。

光學儀器第36卷

第4期宋成利，等：射頻能量作用下生物組織含水量測量系統(tǒng)

1.1光電檢測系統(tǒng)本實驗研究需要將組織作用于射頻能量下，并利用水吸收峰附近波長的光照射被作用組織，通過組織中的水分對光的吸收，在組織的對側(cè)接收透射光。由于射頻能量作用過程中組織的水分含量發(fā)生變化，對光的吸收逐漸減少，透射光強增加。在該過程中，需要選用波長范圍適當并且性能穩(wěn)定的發(fā)光二級管與光電二極管。液態(tài)水在紅外線波長范圍有兩個吸收峰，分別是在1 600 nm附近以及3 000 nm附近。在實驗研究中，檢測光束需要透過被檢測生物組織以及兩側(cè)的AZO透明導體膜材料和玻璃襯底材料，其中AZO透明導體膜材料的近紅外光透射率約為87.8%，其襯底材料為浮法玻璃，雖然浮法玻璃可以在一定范圍的紅外光波長下有較好的透射效果，但在整個波長范圍內(nèi)的透射效果并不理想。此外，被檢測生物組織在電極的壓合下形成厚度約為1 mm的組織平面，紅外光線難以穿透。為獲得較充足的透射光量，因此選用1 600 nm附近的近紅外光作為檢測光。光電檢測電路主要由兩部分組成，分別是發(fā)光二級管及其驅(qū)動電路，以及光電探測器及其濾波放大電路，檢測電路需要高效穩(wěn)定的運行，將透射光通過光電探測器轉(zhuǎn)化為微弱的電信號，并通過濾波放大電路將信號放大并過濾噪聲。信號經(jīng)過光電探測器轉(zhuǎn)化后會通過多級放大并通過DAQ數(shù)據(jù)采集卡采集，采集卡設定的電壓檢測范圍是需要預先選定的，電壓檢測范圍大的可以檢測完整的電壓變化情況，但是對于較精確的信號需要用盡量小的檢測范圍采集以保證檢測精度，需要保證信號變化范圍不超過量程，從而使采集的電壓變化情況被完整而又精確地采集。硬件框圖如圖1所示，驅(qū)動電路驅(qū)動的近紅外發(fā)光二極管為光源，近紅外光經(jīng)過被測組織后，透射光經(jīng)光電檢測器探測和濾波放大后，由數(shù)據(jù)采集卡采樣到計算機。圖1系統(tǒng)示意圖

Fig.1Schematic diagram of the system近紅外發(fā)光二級管需要在穩(wěn)定的電源驅(qū)動下才能輸出強度平穩(wěn)的檢測光線，設計驅(qū)動電路，從而保證其光強可調(diào)并且穩(wěn)定，該驅(qū)動電路將220 V交流電壓轉(zhuǎn)換為5 V的穩(wěn)定直流電壓作為電源，選用高精度元件提供穩(wěn)定的電源電壓，從而保證電路輸出功率穩(wěn)定，產(chǎn)生光強恒定的檢測光源；并且可以調(diào)節(jié)與近紅外發(fā)光二極管串聯(lián)的電位器電阻值，實現(xiàn)對檢測光源光強度的控制，不出現(xiàn)超量程的情況。光電探測器濾波放大電路：FCIInGaAs1500X光電探測器可以探測1 100～1 620 nm波長范圍的光，但由于接收到的通過生物組織的透射光強很弱，相應的電壓幅值也較小，無法直接用DAQ數(shù)據(jù)采集卡進行采集，并且實際應用中透射光強變化迅速，需要系統(tǒng)迅速響應。為此采用濾波放大電路，在該濾波放大電路中，多次運算放大，并利用差分放大器濾波，抑制共模信號，產(chǎn)生為DAQ數(shù)據(jù)采集卡可以檢測的穩(wěn)定信號的電壓幅值。采用光纖耦合器和空間濾波器將發(fā)光二極管和光電探測器固定并可以對光路進行微調(diào)，由于檢測光的強度較高并且工作環(huán)境相對穩(wěn)定，維持光學元件穩(wěn)定的設備就可以滿足實驗需要。在實際使用中，將導線引出連接發(fā)光二級管和光電二極管，利用熱縮管將相應的導線和元件固定并嵌于光纖耦合器的通道中，圖2光學檢測水分含量變化系統(tǒng)

Fig.2The system of optical detection of

water content changes利用標尺丈量元件之間的距離，調(diào)整基座位置并旋轉(zhuǎn)空間耦合器方向，將元件對準并固定。

1.2軟件程序軟件程序由DAQ數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW程序?qū)崿F(xiàn)，完成信號的采集與分析，光電探測器及其濾波放大電路將透射光強轉(zhuǎn)化為模擬電信號，利用DAQ數(shù)據(jù)采集卡將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并傳輸?shù)接嬎銠C，通過程序?qū)λ眯盘栠M行處理，在程序界面顯示射頻能量作用過程中電壓變化的完整曲線并保存。將硬件電路、光學系統(tǒng)和軟件程序進行整合，搭建出生物組織水分含量變化情況檢測模塊，實物圖如圖2所示。2測量結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

2.1實驗材料與方法將成年活雞進行屠宰，取出雞腸，清洗并剝離附著表面的油脂等雜物，選取直徑較寬并且腸壁完整的雞腸，利用手術(shù)剪將其中直徑約7 mm的部分剪切成4 cm長的實驗樣品，放置于4 ℃環(huán)境并覆蓋濕紗布保鮮以備實驗；利用選定的能量裝置輸出射頻能量，通過導體玻璃夾持生物組織進行作用，其中利用檢測光路透過觀察裝置采集組織水分變化情況，并在計算機中采集數(shù)據(jù)。

2.2實驗數(shù)據(jù)分析選取一組樣本，電凝閉合器功率為25 W，組織的直徑為7 mm，共同采集閉合過程中阻抗和光透射量，所得結(jié)果如圖3所示。可以看到，在水分變化量檢測出現(xiàn)到達幅值最大值的時刻阻抗值依然小幅上升。從阻抗和含水量變化情況可以看出，水分蒸干導致檢測電壓先于阻抗值升至最大，并且閉合完成時刻檢測電壓變化明顯，利于分析處理。以含水量變化情況作為檢測方式控制射頻能量輸出，所得爆破壓低于采用手術(shù)器械閉合的爆破壓，但通過兩種檢測方式所得的閉合效果沒有進行系統(tǒng)的比較處理，并且搭建的觀察裝置和導體玻璃在結(jié)構(gòu)和機械性能上存在精度較低的問題，會對閉合產(chǎn)生影響，現(xiàn)階段也無法對兩種方式的檢測效果進行客觀評估比較。

2.3組織病理切片結(jié)果選用直徑7 mm的雞腸剖開，展平后利用玻璃電極夾持，作用功率為35 W射頻能量，作用時間為97 s，將作用完成后的組織制作成病理切片，如圖4。使用35 W恒功率作用97 s，該過程電極外表面達到的最高溫度為110 ℃。雞腸子病理切片圖（橫切）放大倍數(shù)20倍，由圖可見黏膜層的破損較為嚴重，對漿膜層也造成了明顯的裂痕，如圖4中箭頭指示。

圖3閉合過程中組織阻抗和光透射量

Fig.3Impedance and light transmission conditions

corresponding to the amplitude of the voltage圖4作用功率35 W，時間97 s的組織病理切片圖

Fig.4Pathological section with the condition of

97second 35 W RF energy

通過上述實驗和分析，說明利用近紅外光透射譜可以進行水分含量變化情況的檢測；在射頻輸出功率較低的情況下，透明導體玻璃電極可以穩(wěn)定工作，利用水分含量變化情況作為能量輸出的控制參數(shù)可以對組織進行較為有效的閉合，閉合所需的時間比阻抗檢測所需時間略短。3結(jié)論具有智能控制系統(tǒng)的射頻能量閉合裝置是高頻電刀的發(fā)展趨勢，在臨床運用中有更廣泛的前景。分析閉合機理和綜合運用性質(zhì)變化參數(shù)發(fā)展智能控制系統(tǒng)具有重要的意義，本文針對這方面進行了研究。通過分析和檢測生物組織閉合過程中水分含量的變化情況，得到生物組織在射頻能量作用過程中性質(zhì)變化的情況，為綜合分析變化過程提供實驗依據(jù)和系統(tǒng)平臺。該系統(tǒng)利用一束特定波長的近紅外光照射射頻能量作用組織，在組織的對側(cè)接收并檢測透射光，該波長是水的吸收峰，在射頻閉合作用過程中，透射光量會改變，通過對透射光變化情況的采集分析就可以了解組織水分的變化情況。搭建的系統(tǒng)能夠初步實現(xiàn)對生物組織水分變化情況的檢測，具有良好的研究前景。

參考文獻：

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[6]KRAMME R，HOFFMANN K P，POZOS R.Springer handbook of medical technology[M].Berlin：Springer，2011：677701.

[7]段亞輝，梅濤.基于80C552的高頻電刀功率控制系統(tǒng)設計[J].儀表技術(shù)，2009（10）：1214.

[8]陳晟達，宋成利，周宇，等.射頻能量閉合組織觀察裝置：中國，201220287848.3[P].201206

Fig.2The system of optical detection of

water content changes利用標尺丈量元件之間的距離，調(diào)整基座位置并旋轉(zhuǎn)空間耦合器方向，將元件對準并固定。

1.2軟件程序軟件程序由DAQ數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW程序?qū)崿F(xiàn)，完成信號的采集與分析，光電探測器及其濾波放大電路將透射光強轉(zhuǎn)化為模擬電信號，利用DAQ數(shù)據(jù)采集卡將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并傳輸?shù)接嬎銠C，通過程序?qū)λ眯盘栠M行處理，在程序界面顯示射頻能量作用過程中電壓變化的完整曲線并保存。將硬件電路、光學系統(tǒng)和軟件程序進行整合，搭建出生物組織水分含量變化情況檢測模塊，實物圖如圖2所示。2測量結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

2.1實驗材料與方法將成年活雞進行屠宰，取出雞腸，清洗并剝離附著表面的油脂等雜物，選取直徑較寬并且腸壁完整的雞腸，利用手術(shù)剪將其中直徑約7 mm的部分剪切成4 cm長的實驗樣品，放置于4 ℃環(huán)境并覆蓋濕紗布保鮮以備實驗；利用選定的能量裝置輸出射頻能量，通過導體玻璃夾持生物組織進行作用，其中利用檢測光路透過觀察裝置采集組織水分變化情況，并在計算機中采集數(shù)據(jù)。

2.2實驗數(shù)據(jù)分析選取一組樣本，電凝閉合器功率為25 W，組織的直徑為7 mm，共同采集閉合過程中阻抗和光透射量，所得結(jié)果如圖3所示。可以看到，在水分變化量檢測出現(xiàn)到達幅值最大值的時刻阻抗值依然小幅上升。從阻抗和含水量變化情況可以看出，水分蒸干導致檢測電壓先于阻抗值升至最大，并且閉合完成時刻檢測電壓變化明顯，利于分析處理。以含水量變化情況作為檢測方式控制射頻能量輸出，所得爆破壓低于采用手術(shù)器械閉合的爆破壓，但通過兩種檢測方式所得的閉合效果沒有進行系統(tǒng)的比較處理，并且搭建的觀察裝置和導體玻璃在結(jié)構(gòu)和機械性能上存在精度較低的問題，會對閉合產(chǎn)生影響，現(xiàn)階段也無法對兩種方式的檢測效果進行客觀評估比較。

2.3組織病理切片結(jié)果選用直徑7 mm的雞腸剖開，展平后利用玻璃電極夾持，作用功率為35 W射頻能量，作用時間為97 s，將作用完成后的組織制作成病理切片，如圖4。使用35 W恒功率作用97 s，該過程電極外表面達到的最高溫度為110 ℃。雞腸子病理切片圖（橫切）放大倍數(shù)20倍，由圖可見黏膜層的破損較為嚴重，對漿膜層也造成了明顯的裂痕，如圖4中箭頭指示。

圖3閉合過程中組織阻抗和光透射量

Fig.3Impedance and light transmission conditions

corresponding to the amplitude of the voltage圖4作用功率35 W，時間97 s的組織病理切片圖

Fig.4Pathological section with the condition of

97second 35 W RF energy

通過上述實驗和分析，說明利用近紅外光透射譜可以進行水分含量變化情況的檢測；在射頻輸出功率較低的情況下，透明導體玻璃電極可以穩(wěn)定工作，利用水分含量變化情況作為能量輸出的控制參數(shù)可以對組織進行較為有效的閉合，閉合所需的時間比阻抗檢測所需時間略短。3結(jié)論具有智能控制系統(tǒng)的射頻能量閉合裝置是高頻電刀的發(fā)展趨勢，在臨床運用中有更廣泛的前景。分析閉合機理和綜合運用性質(zhì)變化參數(shù)發(fā)展智能控制系統(tǒng)具有重要的意義，本文針對這方面進行了研究。通過分析和檢測生物組織閉合過程中水分含量的變化情況，得到生物組織在射頻能量作用過程中性質(zhì)變化的情況，為綜合分析變化過程提供實驗依據(jù)和系統(tǒng)平臺。該系統(tǒng)利用一束特定波長的近紅外光照射射頻能量作用組織，在組織的對側(cè)接收并檢測透射光，該波長是水的吸收峰，在射頻閉合作用過程中，透射光量會改變，通過對透射光變化情況的采集分析就可以了解組織水分的變化情況。搭建的系統(tǒng)能夠初步實現(xiàn)對生物組織水分變化情況的檢測，具有良好的研究前景。

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Fig.2The system of optical detection of

water content changes利用標尺丈量元件之間的距離，調(diào)整基座位置并旋轉(zhuǎn)空間耦合器方向，將元件對準并固定。

1.2軟件程序軟件程序由DAQ數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW程序?qū)崿F(xiàn)，完成信號的采集與分析，光電探測器及其濾波放大電路將透射光強轉(zhuǎn)化為模擬電信號，利用DAQ數(shù)據(jù)采集卡將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并傳輸?shù)接嬎銠C，通過程序?qū)λ眯盘栠M行處理，在程序界面顯示射頻能量作用過程中電壓變化的完整曲線并保存。將硬件電路、光學系統(tǒng)和軟件程序進行整合，搭建出生物組織水分含量變化情況檢測模塊，實物圖如圖2所示。2測量結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

2.1實驗材料與方法將成年活雞進行屠宰，取出雞腸，清洗并剝離附著表面的油脂等雜物，選取直徑較寬并且腸壁完整的雞腸，利用手術(shù)剪將其中直徑約7 mm的部分剪切成4 cm長的實驗樣品，放置于4 ℃環(huán)境并覆蓋濕紗布保鮮以備實驗；利用選定的能量裝置輸出射頻能量，通過導體玻璃夾持生物組織進行作用，其中利用檢測光路透過觀察裝置采集組織水分變化情況，并在計算機中采集數(shù)據(jù)。

2.2實驗數(shù)據(jù)分析選取一組樣本，電凝閉合器功率為25 W，組織的直徑為7 mm，共同采集閉合過程中阻抗和光透射量，所得結(jié)果如圖3所示。可以看到，在水分變化量檢測出現(xiàn)到達幅值最大值的時刻阻抗值依然小幅上升。從阻抗和含水量變化情況可以看出，水分蒸干導致檢測電壓先于阻抗值升至最大，并且閉合完成時刻檢測電壓變化明顯，利于分析處理。以含水量變化情況作為檢測方式控制射頻能量輸出，所得爆破壓低于采用手術(shù)器械閉合的爆破壓，但通過兩種檢測方式所得的閉合效果沒有進行系統(tǒng)的比較處理，并且搭建的觀察裝置和導體玻璃在結(jié)構(gòu)和機械性能上存在精度較低的問題，會對閉合產(chǎn)生影響，現(xiàn)階段也無法對兩種方式的檢測效果進行客觀評估比較。

2.3組織病理切片結(jié)果選用直徑7 mm的雞腸剖開，展平后利用玻璃電極夾持，作用功率為35 W射頻能量，作用時間為97 s，將作用完成后的組織制作成病理切片，如圖4。使用35 W恒功率作用97 s，該過程電極外表面達到的最高溫度為110 ℃。雞腸子病理切片圖（橫切）放大倍數(shù)20倍，由圖可見黏膜層的破損較為嚴重，對漿膜層也造成了明顯的裂痕，如圖4中箭頭指示。

圖3閉合過程中組織阻抗和光透射量

Fig.3Impedance and light transmission conditions

corresponding to the amplitude of the voltage圖4作用功率35 W，時間97 s的組織病理切片圖

Fig.4Pathological section with the condition of

97second 35 W RF energy

通過上述實驗和分析，說明利用近紅外光透射譜可以進行水分含量變化情況的檢測；在射頻輸出功率較低的情況下，透明導體玻璃電極可以穩(wěn)定工作，利用水分含量變化情況作為能量輸出的控制參數(shù)可以對組織進行較為有效的閉合，閉合所需的時間比阻抗檢測所需時間略短。3結(jié)論具有智能控制系統(tǒng)的射頻能量閉合裝置是高頻電刀的發(fā)展趨勢，在臨床運用中有更廣泛的前景。分析閉合機理和綜合運用性質(zhì)變化參數(shù)發(fā)展智能控制系統(tǒng)具有重要的意義，本文針對這方面進行了研究。通過分析和檢測生物組織閉合過程中水分含量的變化情況，得到生物組織在射頻能量作用過程中性質(zhì)變化的情況，為綜合分析變化過程提供實驗依據(jù)和系統(tǒng)平臺。該系統(tǒng)利用一束特定波長的近紅外光照射射頻能量作用組織，在組織的對側(cè)接收并檢測透射光，該波長是水的吸收峰，在射頻閉合作用過程中，透射光量會改變，通過對透射光變化情況的采集分析就可以了解組織水分的變化情況。搭建的系統(tǒng)能夠初步實現(xiàn)對生物組織水分變化情況的檢測，具有良好的研究前景。

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