王勇，周宇，倉學(xué)習(xí)，符騰，張寬，謝延媛，宋成利

(上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093)

1 引 言

消化道重建是胃腸道手術(shù)最重要的步驟之一，消化道重建的方法包括手工吻合和機械吻合；手工吻合即手工縫合，相比于傳統(tǒng)的手工縫合，基于各類吻合器的機械吻合，可以有效地縮短手術(shù)時間和患者的術(shù)后恢復(fù)時間，降低手術(shù)并發(fā)癥的發(fā)生率，但依然無法避免吻合口瘺的發(fā)生[1-4]。

吻合口瘺是胃腸外科手術(shù)最嚴(yán)重的并發(fā)癥，會導(dǎo)致腹膜炎、形成膿瘡；如果處理不善，會進一步引起膿毒病、多器官衰竭甚至死亡；即使得到了妥善處理，患者的住院時間也會延長[5-6]。研究表明，器械對組織的作用不當(dāng)是引起吻合口瘺的主要原因。因此，正確地選擇吻合釘和使用吻合器，對于獲得理想的吻合效果至關(guān)重要[3-8]。其中比較關(guān)鍵的一點是：醫(yī)生會選擇避開水腫組織進行吻合，其原因是：在水腫部位進行吻合時，吻合釘?shù)男吞栠x擇要較正常情況偏小，如果選用了型號偏大的吻合釘，會導(dǎo)致吻合口處水腫消散之后吻合不緊密，引發(fā)吻合口漏等問題?，F(xiàn)階段醫(yī)生都是通過肉眼觀察對水腫組織進行判斷，缺乏客觀的數(shù)據(jù)支持，用肉眼難以準(zhǔn)確地分辨組織的水腫程度，這會使得醫(yī)生難以準(zhǔn)確地選取合適的吻合釘[9]?？傮w來說，不適合使用吻合器對水腫組織進行吻合，吻合并發(fā)癥發(fā)生率較高。

目前，基于水對近紅外光的吸收原理，已有一些應(yīng)用近紅外光對水腫組織進行檢測的研究：Tsai使用近紅外光譜作為一種無創(chuàng)的檢測方法，用于檢測水腫皮膚近紅外反射率的變化，相對于可見光的反射率，皮膚組織成分的變化對近紅外光的反射率更敏感，得出了可以用該特性來檢測皮膚組織水腫狀態(tài)的微小變化的結(jié)論[10]；Johnson進行了兩種模型的腦水腫實驗，以確定微分近紅外光譜作為一種實時，低成本和無創(chuàng)性監(jiān)測腦水腫的方法的有效性，展示了特定波長的光和水含量之間有密切關(guān)系，表明了微分近紅外光譜可以作為臨床和實驗設(shè)備上監(jiān)測表面腦水腫的一個準(zhǔn)確有用的技術(shù)[11]；劉興提出了基于近紅外光電技術(shù)的腦水腫無創(chuàng)監(jiān)測方法，對大鼠腦水腫的程度進行無創(chuàng)監(jiān)測，并對大鼠實驗數(shù)據(jù)結(jié)果進行了分析，分析了光強、血氧參量的變化與腦水腫變化的關(guān)系，表明了近紅外光電技術(shù)可應(yīng)用于對大鼠腦水腫程度進行無損監(jiān)測[12]；劉玉冰采用Monte-Carlo方法對腦組織光學(xué)模型進行仿真，發(fā)現(xiàn)了組織表面的光通量與腦組織吸收系數(shù)呈負相關(guān),與腦組織約化散射系數(shù)呈正相關(guān)，表明了組織表面的光通量值與腦脊液含量和腦實質(zhì)光學(xué)特性具有顯著相關(guān)[13]。

迄今為止的研究表明，近紅外光技術(shù)可應(yīng)用于某些水腫組織的檢測，但尚無應(yīng)用近紅外光技術(shù)進行消化道水腫組織的檢測研究，也未涉及到如何使用近紅外光技術(shù)來對不同水腫程度的組織進行識別。近紅外光的透光量與組織的水腫程度和組織的厚度這兩個因素有關(guān)，兩個組織的水腫程度相同時，厚度差異會導(dǎo)致近紅外光的透光量不同；而兩個組織的厚度一致時，不同的水腫程度將導(dǎo)致近紅外光的透光量不同。水腫程度越嚴(yán)重，組織單位體積的含水量會越高，因此，本研究擬使用單位厚度組織對近紅外光的透光量作為檢測指標(biāo)，以對處在不同水腫程度中的消化道組織進行識別。

2 材料和方法

2.1 實驗材料

本研究選用新鮮的豬小腸作為實驗材料。在屠宰場從剛被處死的豬體內(nèi)獲取，保存于溫度在0～4℃之間的保溫箱內(nèi)，在2 h以內(nèi)帶回實驗室。首先配置三種不同濃度的鹽水；然后將豬小腸剪成若干段，每段長度為2～3 cm，隨機放入配制好的0.3%、0.6%、0.9%濃度的鹽水中，浸泡5 min后得到三組不同水腫程度的小腸樣本，每組小腸樣本數(shù)量為10。A組代表0.3%濃度的鹽水浸泡過的小腸樣本，水腫程度最高；B組代表0.6%濃度的鹽水浸泡過的小腸樣本，水腫程度適中；C組代表0.9%濃度的鹽水浸泡過的小腸樣本，水腫程度最低。

2.2 實驗系統(tǒng)

本研究中所用到的實驗系統(tǒng)包括：電動實驗平臺、近紅外光發(fā)射與接收系統(tǒng)，見圖1(a)。

2.2.1電動實驗平臺 電動實驗平臺主要由人機界面、移動臂、壓力傳感器、伺服電機系統(tǒng)、電源和調(diào)理電路模塊組成。人機界面可以設(shè)置對組織施加的壓力；壓力傳感器可以檢測組織所受壓力；伺服電機系統(tǒng)能夠非常精確地控制移動臂的行進距離，精度可達0.01 mm，而且可以準(zhǔn)確的測量組織的厚度，并在人機界面顯示。

2.2.2近紅外光發(fā)射與接收系統(tǒng) 液態(tài)水的吸收光譜圖見圖2[14]。水在近紅外線波段有兩個吸收峰，分別在1 600 nm處和2 000 nm處；由于1 600 nm處和2 000 nm處水對近紅外光的吸收量較多，會影響實驗測量精度，因此，選用1 300 nm作為近紅外光檢測波長。

近紅外光發(fā)射與接收系統(tǒng)由近紅外發(fā)光二極管LED1300E(Thorlabs，New Jersey，USA)和光敏二極管IGA-020(搏盛科技有限公司，武漢，中國)(見圖1(b))、AFE4490評估板(Texas Instruments，Texas，USA)(見圖1(c))、PC機組成。在PC機上通過AFE4490所配套的GUI(graphical user interface，GUI)界面可以調(diào)節(jié)近紅外發(fā)光二極管的驅(qū)動電流，AFE4490評估板能夠?qū)⒐饷舳O管接收到的近紅外光與環(huán)境光進行區(qū)分，并在GUI中進行顯示。

圖1實驗系統(tǒng)圖

(a).實驗系統(tǒng)，(b).近紅外LED和光敏二極管，(c).AFE4490評估板

Fig1Experimentsystem

圖2液態(tài)水的吸收光譜圖

Fig2Absorptionspectrumofwater

2.3 實驗方法

分別在1、2、4 g/mm2三種壓強下使用近紅外發(fā)光二極管發(fā)出的近紅外光在底層照射小腸組織，部分近紅外光被組織中的水分吸收，另一部分近紅外光發(fā)生透射，在頂層用光敏二極管接收穿透過組織的近紅外光；由于底層近紅外光發(fā)光二極管所發(fā)出的光強是恒定的，因此，頂層光敏二極管所接收到的近紅外光可表征組織對近紅外光的透光程度：所接收到的近紅外光越強，透光程度越大。光敏二極管所接收到的近紅外光轉(zhuǎn)換為電壓V，電動實驗平臺自動測量組織的厚度為H，L=V/H代表單位厚度組織對近紅外光的透光量。L越大說明組織水腫程度越小。圖3為近紅外光照射原理圖。

2.4 實驗流程

實驗時，在近紅外發(fā)光二極管上平鋪一層透光板，將小腸組織平鋪在透光板上，覆蓋整個近紅外發(fā)光二極管，通過人機界面設(shè)置好壓強后，控制伺服電機系統(tǒng)對小腸組織進行施壓，當(dāng)達到預(yù)設(shè)值后電機會停止轉(zhuǎn)動，并蜂鳴一聲來提醒已經(jīng)達到預(yù)設(shè)值，此時記錄人機界面上所顯示的組織厚度值，并通過PC端的GUI界面來讀取光敏二極管接收到的總光強減去環(huán)境光強之后的近紅外光強值V，通過L=V/H便可計算出單位厚度組織對近紅外光的透光量。

圖3近紅外光照射原理圖

Fig3Schematicoftransmissionwithnearinfraredlight

2.5 數(shù)據(jù)分析

顯著性分析：本研究采用獨立樣本T檢驗方式進行顯著性分析，使用IBM公司的SPSS分析軟件，在不同壓強下對A、B、C三組樣本的單位厚度組織對近紅外光的透光量L進行獨立樣本T 檢驗，得到其差異的顯著性，P<0.05被認(rèn)為具有顯著性差異。

3 結(jié)果與討論

3.1 近紅外光透光量分析

對測量數(shù)據(jù)進行整理與分析，繪制A、B、C三組實驗數(shù)據(jù)在三種壓強下的誤差柱形圖，見圖4，其中A代表0.3%濃度的鹽水浸泡過的小腸樣本；B代表0.6%濃度的鹽水浸泡過的小腸樣本；C代表0.9%濃度的鹽水浸泡過的小腸樣本；L代表近紅外光的透光量(轉(zhuǎn)換為電壓)與組織厚度的比值；P代表組織所受壓強?？梢钥闯鰪腁組到C組的L值依次升高，說明水腫程度嚴(yán)重的單位厚度組織對近紅外光的透光量少。

圖4透光量分析結(jié)果圖

(a). 1 g/mm2壓強下單位厚度組織對近紅外光的透光量分析結(jié)果圖；

(b). 2 g/mm2壓強下單位厚度組織對近紅外光的透光量分析結(jié)果圖；

(c). 4 g/mm2壓強下單位厚度組織對近紅外光的透光量分析結(jié)果圖；

Fig4AnalysisresultfortransmissionofNIRlightthroughtissue

3.2 顯著性分析

通過IBM公司的SPSS軟件，在不同壓強下對A、B、C三組樣本的單位厚度組織對近紅外光的透光量L進行獨立樣本T檢驗，分析結(jié)果見表1。

表1單位厚度組織對近紅外光的透光量顯著性分析結(jié)果圖

Table1ResultsofsignificantanalysisfortransmissionofNIRlightthroughtissuewithunitthickness

A組和B組B組和C組A組和C組1 g/mm2 P=0.013 P=0.013 P=0.0002 g/mm2 P=0.009 P=0.113 P=0.0004 g/mm2 P=0.010 P=0.379 P=0.001

*P<0.05說明兩組之間存在顯著性差異

4 討論

圖4展示了組織水腫程度與單位厚度組織對近紅外光的透光量之間的關(guān)系，可以看出同一壓強下隨著組織水腫程度的降低，單位厚度組織對近紅外光的透光量L變大，說明組織水腫程度越嚴(yán)重，光敏二極管接收到的近紅外光量減少；而相同水腫狀態(tài)的組織在不同壓強下，單位厚度組織對近紅外光的透光量L隨著壓強的增加而增加，說明隨著壓強的逐漸升高，組織內(nèi)被排出的水分也逐漸變多，組織厚度變薄，導(dǎo)致單位厚度組織對近紅外光的透光量L變大。表1列出了不同水腫狀態(tài)的單位厚度組織對近紅外光的透光量L在三種不同壓強下的顯著性差異分析結(jié)果，可以看出在1 g/mm2壓強下，三組數(shù)據(jù)兩兩之間都存在顯著性差異，但當(dāng)壓強達到2 g/mm2和4 g/mm2時，只有水腫程度最嚴(yán)重的A組和其他兩組之間存在顯著性差異，而B組和C組不存在顯著性差異，可能隨著組織所受壓強的升高，組織內(nèi)過多的水分被排出，使得不同水腫狀態(tài)下的組織單位體積內(nèi)的含水量差別縮小，穿透過組織的近紅外光量差別縮小，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)之間不存在顯著性差異，這種現(xiàn)象在低水腫程度的組織中表現(xiàn)的更為明顯?？梢酝茰y，如果增加壓強，或者延長壓榨時間，水腫程度嚴(yán)重的組織受到壓榨而排出水分的趨勢可能將更加明顯，有可能也會出現(xiàn)差異不顯著的情況。因此，對于水腫程度越嚴(yán)重的組織進行吻合時，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增加壓榨強度、延長壓榨時間。

5 結(jié)論

本研究初步探索了不同水腫狀態(tài)的消化道組織對于近紅外光的吸收情況，水腫程度越嚴(yán)重的組織，其單位體積內(nèi)的含水量越多，對于近紅外光的吸收量也越多，使得單位厚度組織對近紅外光的透光量越少，在適當(dāng)?shù)膲簭娤?，通過對單位厚度組織對近紅外光的透光量進行測量和分析，可以識別出不同水腫狀態(tài)的組織。未來的研究將對實驗系統(tǒng)進行改進，細化實驗參數(shù)，同時開展動物實驗，活體實驗時近紅外檢測技術(shù)依然適用，但需要對器械進行改進，首先需要將設(shè)備體積改小，將近紅外發(fā)光二級股和光敏二極管固定到吻合器鉗口的兩端，通過導(dǎo)線將測量信號傳輸?shù)紾UI，最大限度的減小設(shè)備體積，方便測量；其次是添加防水功能，防止組織液或血液等液體進入到設(shè)備當(dāng)中，影響測量精度；最終目標(biāo)是能夠快速準(zhǔn)確地識別組織水腫狀態(tài)，從而可以為醫(yī)生提供客觀的數(shù)據(jù)支持，為相關(guān)的器械研制提供研究基礎(chǔ)。