劉歡，李立青，李學(xué)敏，黃振華

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

1 引 言

電外科血管閉合手術(shù)技術(shù)是利用頻率為大約300-550 kHz的交流電通過(guò)具有生物阻抗的血管組織時(shí)產(chǎn)生的熱效應(yīng)使組織中蛋白質(zhì)變性，與此同時(shí)，借助于施加在血管組織上的壓力使血管內(nèi)腔粘連在一起使血管形成閉合[1-4]?；陔姛嵝?yīng)原理的電外科血管閉合技術(shù)是一種較新的血管閉合技術(shù)，該技術(shù)同傳統(tǒng)的手動(dòng)血管結(jié)扎手術(shù)相比，具有縮短手術(shù)時(shí)間和利于術(shù)后康復(fù)等優(yōu)點(diǎn)[5-6]。盡管電外科血管閉合術(shù)具有上述優(yōu)勢(shì)，但手術(shù)過(guò)程中產(chǎn)生的熱量對(duì)閉合位置鄰近組織或神經(jīng)的潛在熱損傷[7-11]仍是該技術(shù)需要繼續(xù)解決的問(wèn)題。顯然，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)手術(shù)部位組織的溫度及其變化趨勢(shì)有助于減小熱量對(duì)旁系組織損傷，其關(guān)鍵技術(shù)是獲得所關(guān)注組織熱物參數(shù)及其隨溫度變化的特點(diǎn)，因?yàn)榻M織熱物參數(shù)決定了其熱傳遞能力。獲得生物組織熱物參數(shù)及其變化規(guī)律是深入研究生物傳熱特性及電外科血管閉合機(jī)理的前提[12]。因此，本研究從為降低對(duì)臨近組織熱損傷及了解熱量在血管閉合過(guò)程中的傳導(dǎo)的視角出發(fā)，采用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法對(duì)血管組織的熱物理參數(shù)進(jìn)行測(cè)試研究。

目前已有針對(duì)生物組織熱物參數(shù)測(cè)試方面的研究工作[13-21]，但由于生物個(gè)體差異和實(shí)驗(yàn)條件的不同，現(xiàn)有的熱物參數(shù)數(shù)據(jù)的一致性不理想[22-24]，將其有效應(yīng)用在臨床醫(yī)學(xué)中還需要進(jìn)一步研究。而且，目前對(duì)電外科血管閉合手術(shù)中所涉及到的血管組織熱物參數(shù)的研究相對(duì)較少，因此展開(kāi)血管組織熱物參數(shù)測(cè)試及其隨溫度變化的研究對(duì)于確定電外科血管閉合手術(shù)中的熱量傳輸和減小熱量擴(kuò)散很有必要。

生物組織熱物參數(shù)的測(cè)量可以分為穩(wěn)態(tài)法[25-26]和瞬態(tài)法[26-30]。其中，瞬態(tài)法測(cè)量熱物性測(cè)試時(shí)間短、響應(yīng)快，但控制技術(shù)較復(fù)雜，對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置制作精度要求較高。穩(wěn)態(tài)法是在穩(wěn)定狀態(tài)下通過(guò)熱傳導(dǎo)的傅立葉定律測(cè)量物質(zhì)的熱屬性，物質(zhì)熱傳導(dǎo)率可以表示為材料的表面溫度和維數(shù)的函數(shù)，物理概念容易理解，但測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)；相比于穩(wěn)態(tài)法，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法[25,26]是動(dòng)態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)下的測(cè)量方法，能夠縮短穩(wěn)態(tài)法的測(cè)量時(shí)間，兼具有操作控制相對(duì)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。不同于其它軟組織，血管組織尤其是主動(dòng)脈組織結(jié)構(gòu)致密，單層組織具有相對(duì)較好的剛度，較適合于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法；且用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法測(cè)試過(guò)程與電外科血管閉合手術(shù)具有一定的相似性。有學(xué)者采用穩(wěn)態(tài)法用于牛骨組織熱傳導(dǎo)率的研究[26]，但關(guān)于血管組織的研究仍未見(jiàn)報(bào)道。因此，本研究首先采用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法進(jìn)行家豬主動(dòng)脈血管熱傳導(dǎo)率測(cè)試研究，以期獲得離體家豬主動(dòng)脈熱傳導(dǎo)率數(shù)據(jù)以及熱傳導(dǎo)率與溫度的關(guān)系，并了解血管組織熱傳導(dǎo)率與組織阻抗等影響規(guī)律，為降低電外科手術(shù)熱損傷和新型熱診斷技術(shù)提供研究基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)介

與穩(wěn)態(tài)法相似，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法測(cè)量某物質(zhì)熱傳導(dǎo)率的基本原理是平板試樣一面受恒定熱流密度加熱，另一面在絕熱的情況下經(jīng)初始熱傳導(dǎo)后試樣各處都以同一速率升溫，即保持熱流任意兩點(diǎn)溫差恒定的狀態(tài)，因此準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)方法[25]是一種動(dòng)態(tài)穩(wěn)定測(cè)量方法。

本研究利用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)平板法測(cè)量血管組織熱傳導(dǎo)率的原理見(jiàn)圖1，將管狀的家豬主動(dòng)脈血管沿軸線剖分，并按著根據(jù)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置預(yù)留的尺寸切割血管，使其成為平面狀(見(jiàn)圖2)，然后將組織放置在兩個(gè)平板中間，熱量由下板經(jīng)過(guò)離體組織至上板方向傳遞，保持熱量在兩平板之間傳遞。當(dāng)上下板的溫度變化保持恒定即達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，可得到被測(cè)組織的熱傳導(dǎo)率計(jì)算公式[25]：

(1)

式中，kT為溫度T時(shí)刻離體組織的熱傳導(dǎo)率；ΔX為平板間組織的厚度；q為加載到平板上的熱流密度；T1,T2分別為達(dá)到穩(wěn)態(tài)后上下平板的溫度。

計(jì)算的kT中的T取為上下兩板溫差的平均值，本研究的溫度取為上下兩板溫度的平均值，即

利用式(1)進(jìn)行熱傳導(dǎo)率測(cè)量時(shí)，試件即離體家豬主動(dòng)脈的厚度在實(shí)驗(yàn)之前精確測(cè)量得到，只需要準(zhǔn)確測(cè)量組織上下表面的溫度和加載在平板上的熱流密度，就可以計(jì)算出試件在溫度T時(shí)的熱傳導(dǎo)率。這里，熱流密度可以根據(jù)加熱裝置的功率及試樣的面積計(jì)算得到，而上下兩平板的溫度由微型熱敏電阻測(cè)得。

圖1 準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)平板法測(cè)量生物組織原理圖

根據(jù)組織的熱擴(kuò)散率與熱傳導(dǎo)率之間的關(guān)系，熱擴(kuò)散率[31-32]可以根據(jù)所測(cè)得的熱傳導(dǎo)率通過(guò)計(jì)算得到，熱擴(kuò)散率αT計(jì)算公式表示為:

(2)

式中：ρ為材料的密度；C為材料的比熱。

3 血管獲取和實(shí)驗(yàn)裝置

3.1 血管獲取與處理

從屠宰場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)豬胸主動(dòng)脈血管，為盡量保持血管組織的生物活性，防止在運(yùn)送和保存的過(guò)程中流失過(guò)多的水分，將血管放置在生理鹽水中，并將其放置在裝有冰塊的恒溫箱中貯存，運(yùn)送至實(shí)驗(yàn)室后放入-4°C冰箱中保存，并盡量在48 h內(nèi)進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)前用生理鹽水清洗組織，使用剪刀和鑷子等工具剔除掉血管表面上一層厚厚的包含脂肪的結(jié)締組織，使試樣表面平整、干凈以保證接觸性能良好。圖2(a)為從屠宰場(chǎng)取得的部分豬胸主動(dòng)脈剔除結(jié)締組織后的照片。圖2(a)從左到右血管內(nèi)徑分別為15.6、18.1和20.4 mm。清理之后，將血管沿軸線方向切成尺寸約為20 mm×30 mm的試樣，見(jiàn)圖2(b)，切割實(shí)驗(yàn)樣品時(shí)要避開(kāi)主動(dòng)脈上各分流血管形成的空洞。實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)組織試樣的3個(gè)不同位置點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，取其平均值為試樣的厚度值。

(a)

(b)

3.2 實(shí)驗(yàn)裝置

準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)平板法測(cè)試裝置原理見(jiàn)圖3，該裝置主要由上層均溫板、尼龍柱、隔熱紙、電熱膜和雙下層均溫板組成。這里的上下層均溫板選用紫銅材料，目的為使熱量在平板中傳導(dǎo)迅速且溫度均勻。

圖3 準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)平板法測(cè)量生物組織熱傳導(dǎo)率裝置

Fig3Thedeviceprincipleofquasisteadystateplatemethodforthermalconductivitymeasurementofbiologicaltissue

此外選取Honeywell公司生產(chǎn)的微型熱敏電阻111-202CAK-H01(見(jiàn)圖4)作為測(cè)溫傳感器，并將其制作成探頭，分別鑲嵌在裝置的上層均溫板和下層均溫板中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)組織溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。測(cè)試實(shí)驗(yàn)前，首先使用精度為0.5%的精密萬(wàn)用表和精度為0.1℃的精密溫度計(jì)來(lái)完成熱敏電阻的標(biāo)定以準(zhǔn)確測(cè)量組織溫度。本實(shí)驗(yàn)需要3支熱敏電阻探頭，各熱敏電阻探頭的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

測(cè)量實(shí)驗(yàn)時(shí)，為準(zhǔn)確計(jì)算血管組織的熱傳導(dǎo)率，將多塊試樣重疊在一起放置在下層均溫板中間凹槽處，將上層均溫板壓在試件上，靠?jī)蓚?cè)的尼龍柱來(lái)定位，以確保試樣對(duì)準(zhǔn)均溫板的中心位置，也使得測(cè)溫傳感器彼此軸向?qū)?zhǔn)以減小誤差。在雙下層均溫板之間安裝帶有導(dǎo)電碳晶纖維的透明聚酯電熱膜作為加熱單元，通過(guò)調(diào)節(jié)施加在電熱膜上的加載電壓來(lái)提供實(shí)驗(yàn)所需不同的熱流密度。在雙下層均溫板的外表面放置隔熱紙，以防止熱量散失過(guò)快難以達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，同時(shí)可以減少試件周?chē)桨宓臒崃客ㄟ^(guò)空氣對(duì)流和輻射的方式傳導(dǎo)到上層均溫板。定位柱銷(xiāo)采用尼龍材料也是為了減少上下兩層均溫板之間的互相影響，以提高裝置的測(cè)量精度。

圖4 試驗(yàn)中所用的熱敏電阻

圖5 實(shí)驗(yàn)中所用熱敏電阻標(biāo)定結(jié)果

Fig5Thecalibrationresultsofthethermistors

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

利用上述實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行了家豬離體主動(dòng)脈準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，將血管組織放置在上下板之間，然后給電熱膜通電加熱組織，通過(guò)實(shí)驗(yàn)前標(biāo)定完成的熱敏電阻來(lái)測(cè)量上、下紫銅板的溫度，記錄下紫銅均溫板的溫度，進(jìn)而可以根據(jù)式(1)得到在某溫度下組織的熱傳導(dǎo)率。施加給電熱膜不同的電壓，則將血管加熱到不同溫度，從而可以計(jì)算得到在不同溫度下血管組織的熱傳導(dǎo)率，進(jìn)而分析研究血管組織熱傳導(dǎo)率的變化情況。

血管組織的熱擴(kuò)散率平均值按式(2)計(jì)算得到。根據(jù)文獻(xiàn)[31]的研究結(jié)論，熱擴(kuò)散率中密度和比熱的乘積值在不同溫度下變化很小，因此熱擴(kuò)散率的計(jì)算中密度與比熱的乘積按PC=1055×850J/m3K取值。

首先完成了在常溫狀態(tài)下離體家豬主動(dòng)脈血管在26.5℃時(shí)的熱傳導(dǎo)率的實(shí)驗(yàn)，得到此時(shí)家豬主動(dòng)脈血管的熱傳導(dǎo)率k=0.415W/mK，對(duì)應(yīng)的熱擴(kuò)散率α=4.628 m2/s。

另外，不同溫度下家豬胸主動(dòng)脈血管的熱傳導(dǎo)率變化情況見(jiàn)圖6。由圖6可知，血管試樣在54℃下的熱傳導(dǎo)率平均值為0.4099 W/mK。在54～63℃的溫度范圍內(nèi)，血管組織的熱傳導(dǎo)率隨著溫度的增加而非常緩慢增加，此規(guī)律與以往其它生物組織關(guān)于熱傳導(dǎo)率隨溫度變化的趨勢(shì)相同[13-17]；在25～63℃的范圍內(nèi)，熱傳導(dǎo)率總體變化不明顯；當(dāng)溫度從63℃升高至79℃時(shí)，血管組織的熱傳導(dǎo)率隨著溫度的增加而呈現(xiàn)小幅下降的趨勢(shì)，下降幅度大約為1.0%左右；當(dāng)溫度在79℃至大約90℃范圍時(shí)，觀察血管組織熱傳導(dǎo)率變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度高于79℃時(shí)，熱傳導(dǎo)率呈現(xiàn)急劇下降趨勢(shì)，當(dāng)溫度接近90℃時(shí)，試樣的熱傳導(dǎo)率比在54℃時(shí)的值減小了51%，熱傳導(dǎo)率已經(jīng)降至0.201 W/mK。這是由于組織失去水分，此溫度下試樣已經(jīng)變得非常干燥。

圖6 熱傳導(dǎo)率隨溫度變化曲線

本文準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法測(cè)試結(jié)果表明，除了溫度對(duì)血管熱傳導(dǎo)率有直接的影響，由于溫度原因?qū)е陆M織的含水量的變化是影響組織熱傳導(dǎo)率的主要原因。這是因?yàn)楫?dāng)血管組織溫度高于一定溫度時(shí)，如63°C時(shí)，隨著組織的持續(xù)加熱，組織持續(xù)失水導(dǎo)致含水量下降，此時(shí)熱傳導(dǎo)率會(huì)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，當(dāng)溫度繼續(xù)升高至接近90℃時(shí)，組織已經(jīng)變得很干燥，此時(shí)試樣熱傳導(dǎo)率有較大幅度的下降。因此，在組織溫升較高的情況下，相比于溫度，含水量對(duì)組織熱傳導(dǎo)率影響更加明顯。

我們發(fā)現(xiàn)圖6的組織熱傳導(dǎo)率隨溫度的變化情況與生物組織的阻抗-溫度特性有吻合之處。雖然不同的生物組織其阻抗值有所不同，但研究表明生物組織大體符合圖7所示的規(guī)律[32]。通常生物組織電阻抗從37℃開(kāi)始，隨組織溫度的升高阻抗值逐漸降低，在60℃附近達(dá)到最小值；組織在達(dá)到最小值后隨溫度上升組織蛋白質(zhì)開(kāi)始變性，生物組織逐漸變得干燥，組織的阻抗值也逐漸增加。通常生物組織的凝結(jié)溫度在60～90℃之間，對(duì)應(yīng)于圖7所示的阻抗值的b點(diǎn)和d點(diǎn)之間；當(dāng)組織溫度超過(guò)70℃之后，由于組織失水較多，組織變得干燥，其阻抗值上升很快，而相應(yīng)的熱傳導(dǎo)率下降很快，在溫度繼續(xù)上升至100℃以后，阻抗值的上升速率變快。另外，利用自行研制的雙極血管閉合電源進(jìn)行血管組織電凝試驗(yàn)驗(yàn)證了上述分析。

圖7生物組織阻抗-溫度特性曲線[32]

Fig7Thecharacteristiccurveofbiologicaltissueimpedancewithtemperature[32]

對(duì)比圖6和圖7可以發(fā)現(xiàn)，本研究采用的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法獲得的血管組織熱傳導(dǎo)率隨溫度變化規(guī)律與生物組織阻抗與溫度之間表現(xiàn)的規(guī)律所對(duì)應(yīng)的溫度區(qū)間十分相近，因此，可以在同一溫度區(qū)間內(nèi)將熱傳導(dǎo)率和阻抗的變化情況聯(lián)系起來(lái)，進(jìn)一步討論二者所具有的關(guān)聯(lián)性，這對(duì)促進(jìn)電外科血管閉合技術(shù)是十分有益的：掌握血管組織的熱傳導(dǎo)率有利于通過(guò)有限元方法分析預(yù)測(cè)組織熱傳導(dǎo)情況；此外，可以通過(guò)測(cè)量阻抗變化趨勢(shì)反應(yīng)組織熱傳導(dǎo)率的變化趨勢(shì)，從而有利于從加強(qiáng)電外科電源設(shè)計(jì)及手術(shù)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控等技術(shù)手段來(lái)降低組織熱損傷。目前，國(guó)外先進(jìn)電外科裝備具有自動(dòng)檢測(cè)極間組織阻抗的功能，而我國(guó)生產(chǎn)的電外科裝備尚缺少此功能，我國(guó)對(duì)這方面研究薄弱。因此，加強(qiáng)這方面研究有利于促進(jìn)我國(guó)電外科技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)有助于監(jiān)控雙極電外科手術(shù)中血管閉合過(guò)程組織熱傳遞過(guò)程。

根據(jù)熱傳導(dǎo)率計(jì)算得到的血管組織的熱擴(kuò)散率的平均值見(jiàn)表1。血管組織熱擴(kuò)散率呈現(xiàn)和熱傳導(dǎo)率相似的溫度特性。

表1 家豬主動(dòng)脈血管熱擴(kuò)散率

5 結(jié)論

基于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)平板法對(duì)離體豬胸主動(dòng)脈熱傳導(dǎo)率進(jìn)行了研究，得到其熱傳導(dǎo)率數(shù)據(jù)，分析了熱傳導(dǎo)率隨溫度的變化特性，在初始含水量較大時(shí)，離體豬胸主動(dòng)脈熱傳導(dǎo)率在50～63℃的范圍內(nèi)隨溫度增大而緩慢增大，組織溫度大于63℃且小于79℃范圍內(nèi)，血管組織熱傳導(dǎo)率緩慢下降；當(dāng)溫度大于80℃，由于水分持續(xù)減少，含水量的改變對(duì)熱傳導(dǎo)率的影響高于溫度改變的影響，此時(shí)熱傳導(dǎo)率急劇下降。此外，發(fā)現(xiàn)血管組織的熱傳導(dǎo)率-溫度變化規(guī)律與組織阻抗-溫度特性所對(duì)應(yīng)的溫度區(qū)間吻合，這為進(jìn)一步分析研究血管組織熱傳導(dǎo)率與溫度的關(guān)系和生物組織阻抗與組織溫度特性對(duì)應(yīng)關(guān)系提供了依據(jù)。本研究結(jié)果有助于了解血管組織傳熱機(jī)理，為改進(jìn)電外科血管閉合手術(shù)設(shè)備和改善溫度的精確控制提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和指導(dǎo)作用。