張焰，周宇，侯健，李媛，陳琳，宋成利

(上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200082)

1 引 言

消化道重建是消化道手術(shù)中的關(guān)鍵步驟，醫(yī)生切除患者病變的組織并對(duì)剩余部分進(jìn)行縫合，形成新的消化道。常用的消化道重建方式有手工縫合與機(jī)械吻合。與手工縫合相比，吻合器的使用操作簡(jiǎn)單，耗時(shí)短，能夠降低并發(fā)癥的發(fā)生率[1-2]，但吻合器使用過(guò)程中也存在一些問(wèn)題。吻合器使用時(shí)需要先將組織壓榨到一定厚度，壓榨時(shí)用力過(guò)大或過(guò)小均會(huì)影響傷口的愈合[3-4]。因此，醫(yī)生需要注意吻合器對(duì)組織的壓榨情況，熟練掌握如何對(duì)組織進(jìn)行合適的壓榨[5-7]，而這一過(guò)程會(huì)受到很多主觀因素的影響，從而造成組織的壓榨不足或者過(guò)度壓榨，引起吻合口瘺的并發(fā)癥[8]。智能吻合器，可以通過(guò)測(cè)量組織所受壓力來(lái)控制擊發(fā)速度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的擊發(fā)出刀，方便使用。但它并未實(shí)現(xiàn)壓榨過(guò)程的智能化，壓榨過(guò)程尚需醫(yī)生控制，因此并未解決上述問(wèn)題。

實(shí)現(xiàn)壓榨過(guò)程的智能化，需要探究一種合適的控制參數(shù)，可以表征組織的壓榨狀態(tài)且易于在工程中實(shí)施。研究表明，壓榨過(guò)程主要受時(shí)間、壓縮比率、壓強(qiáng)等影響[9-13]。基于ColeY模型的多頻阻抗分析發(fā)現(xiàn)模型參數(shù)G0與壓強(qiáng)有很強(qiáng)的相關(guān)性，而模型參數(shù)△G和CCPEF與壓強(qiáng)之間的相關(guān)性隨著壓強(qiáng)增加而增加[14]。但多頻阻抗擬合分析過(guò)程過(guò)于復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)工程化。因此，本研究結(jié)合ColeY模型的參數(shù)特征，提出了一個(gè)更為簡(jiǎn)單、易于工程化的雙頻并行模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

2 材料與方法

本研究使用自動(dòng)壓榨裝置，模擬消化道重建過(guò)程中吻合器的工作過(guò)程對(duì)組織進(jìn)行壓榨。實(shí)驗(yàn)選取新鮮豬小腸,對(duì)組織施加不同的壓強(qiáng)，設(shè)置固定時(shí)間間隔，通過(guò)金電極測(cè)量壓榨過(guò)程中組織的阻抗信息，再基于雙頻并行模型對(duì)組織在不同壓榨強(qiáng)度下的內(nèi)部變化情況進(jìn)行分析。

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的搭建

本研究采用自制的自動(dòng)壓榨裝置，結(jié)構(gòu)框與實(shí)物見(jiàn)圖1。

整個(gè)系統(tǒng)可以對(duì)組織進(jìn)行不同強(qiáng)度自動(dòng)壓榨，同時(shí)測(cè)量組織的阻抗。壓力傳感器使用SP4M(HBM公司)壓力傳感器產(chǎn)品，量程為7 kg，靈敏度為(2±0.1% ) mv/V；傳感器調(diào)理電路基于AD7190(Analog Device公司)芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)；電機(jī)選用SS伺服步進(jìn)電機(jī)42SSC-HB(智創(chuàng)公司)，配備42SDC-H編碼器，最小步進(jìn)距離可以實(shí)現(xiàn)0.001 mm/轉(zhuǎn)；阻抗檢測(cè)基于高精度的阻抗測(cè)量芯片AD5933(Analog Device公司)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以測(cè)量組織在0～100 k頻率下的阻抗信息；人機(jī)交互界面選用7寸VGUS電容屏SDWe070T01(武漢中顯公司)；主控單元選擇stm32F103VG(ST公司)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制和測(cè)量。

(a)

(b)

2.2 實(shí)驗(yàn)材料

采用新鮮豬小腸作為實(shí)驗(yàn)材料。取剛處死小豬的小腸裝入保溫箱內(nèi)，箱內(nèi)溫度控制在0～4℃，在1～2 h內(nèi)將其帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。使用0.9%的生理鹽水沖洗小腸內(nèi)部，將小腸剪成50～60 mm長(zhǎng)的小段,隨機(jī)分成三組，每組8個(gè)樣本，用生理鹽水浸濕的紗布覆蓋，防止小腸水分流失。

2.3 雙頻并行模型

2.3.1生物組織電特性與ColeY模型 生物阻抗是可以表征活體生物組織或者器官等電學(xué)特性(阻抗、導(dǎo)納、介電常數(shù)等)的物理量[15-16]，生物體組成部分以及其整體均可以通過(guò)生物阻抗來(lái)反映，通過(guò)使用不同的模型對(duì)組織進(jìn)行擬合，來(lái)建立阻抗值和生物體之間的聯(lián)系。ColeY模型見(jiàn)圖2(a)，主要將組織細(xì)胞外液和細(xì)胞內(nèi)液等效為電阻，細(xì)胞膜等效為電容、電阻，低頻時(shí)電流主要流經(jīng)細(xì)胞外液，高頻時(shí)開(kāi)始流經(jīng)細(xì)胞內(nèi)液與細(xì)胞外液[17]。

2.3.2雙頻并行模型 雙頻并行模型見(jiàn)圖2(b)，該模型由兩個(gè)元件并聯(lián)組成，在不同頻率下測(cè)量阻抗成分：低頻電導(dǎo)GLF和高頻電納BHF。低頻時(shí)，由于細(xì)胞膜的電介質(zhì)特性，電流主要流過(guò)細(xì)胞外液，細(xì)胞外液的導(dǎo)納以電導(dǎo)為主；高頻時(shí)，電流開(kāi)始進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，同時(shí)流過(guò)細(xì)胞內(nèi)液和細(xì)胞外液，細(xì)胞的導(dǎo)納以電納性為主。研究表明，在5 kHz時(shí)，信號(hào)通路幾乎完全是細(xì)胞外，在此頻率下，信號(hào)極難穿透細(xì)胞膜的電容；50 kHz并行模型可以較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)細(xì)胞內(nèi)液的變化；在500 kHz時(shí)，信號(hào)大范圍穿過(guò)細(xì)胞膜電容[18]。將雙頻數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，區(qū)分細(xì)胞內(nèi)外液。因此，高頻選擇應(yīng)大于50 kHz，且低頻與高頻之間需要存在顯著差異，離體組織相對(duì)于在體組織存在部分差異，同時(shí)考慮AD5933的阻抗測(cè)量頻率范圍在100 kHz以?xún)?nèi)。因此，本研究中雙頻并行模型的低頻選擇9 kHz，高頻選擇90 kHz。

(a)

(b)

Fig.2(a).ColeYmodel；(b).Dual-frequency parallel model

2.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)參考基于ColeY模型的小腸組織多頻阻抗分析[11]進(jìn)行。為了探索不同壓強(qiáng)值下小腸組織阻抗的變化，以8 g/mm2壓強(qiáng)為基礎(chǔ)，其他兩組設(shè)為16 g/mm2和32 g/mm2壓強(qiáng)。

為盡量減小實(shí)驗(yàn)誤差，以2 g/mm2為初始?jí)簭?qiáng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將此時(shí)的阻抗值記為0 s。整個(gè)壓榨過(guò)程分為兩個(gè)階段：階段Ⅰ劇烈壓榨階段，快速將組織從2 g/mm2壓到預(yù)設(shè)壓強(qiáng)；階段Ⅱ恒壓強(qiáng)持續(xù)壓榨階段,維持預(yù)設(shè)壓強(qiáng)對(duì)組織持續(xù)壓榨，并且間隔5 s讀取12組數(shù)據(jù)。

2.5 方法分析

數(shù)據(jù)分析結(jié)果采用均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式來(lái)表達(dá)，顯著性分析采用最小樣本t檢驗(yàn)的方式，P<0.05認(rèn)為有顯著性差異。

3 結(jié)果

本次研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

圖3 GLF隨時(shí)間變化趨勢(shì)

GLF隨時(shí)間的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖3。在階段Ⅰ，GLF迅速下降；在階段Ⅱ，GLF持續(xù)下降，但下降趨勢(shì)相對(duì)階段Ⅰ較弱。隨著預(yù)設(shè)壓強(qiáng)的增加，階段Ⅰ中GLF的下降趨勢(shì)明顯增強(qiáng)；階段Ⅱ中下降趨勢(shì)相近。

圖4 BHF隨時(shí)間變化趨勢(shì)

BHF隨時(shí)間的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖4。在階段Ⅰ，BHF迅速減少；在階段Ⅱ，當(dāng)壓強(qiáng)較小時(shí)，BHF并沒(méi)有明顯的下降趨勢(shì)，而是表現(xiàn)為波動(dòng)；隨著壓強(qiáng)增加，波動(dòng)趨勢(shì)減小，下降趨勢(shì)增加。。

定義兩個(gè)差值變化變量△YⅠ和△YⅡ(Y代表G、B)對(duì)不同階段、不同壓強(qiáng)下G與B的變化趨勢(shì)進(jìn)行準(zhǔn)確分析,公式如下：

階段Ⅰ差值變化圖像見(jiàn)圖5?！鱃Ⅰ隨壓強(qiáng)增大而增加，各壓強(qiáng)之間數(shù)據(jù)存在顯著性差異；△BⅠ隨壓強(qiáng)增大而增加，在8 g/mm2和16 g/mm2壓強(qiáng)值下，數(shù)據(jù)并無(wú)顯著性差異，而8 g/mm2與32 g/mm2、16 g/mm2與32 g/mm2壓強(qiáng)值下的數(shù)據(jù)存在顯著性差異。

圖5 劇烈壓榨下(階段Ⅰ)G、B差值圖像

階段Ⅱ差值變化圖像見(jiàn)圖6。8 g/mm2和16 g/mm2壓強(qiáng)下，△GⅡ值顯著增加，△BⅡ值變化緩慢，無(wú)顯著性差異；16 g/mm2和32 g/mm2壓強(qiáng)下，△GⅡ變化緩慢，無(wú)顯著性差異，△BⅡ值顯著增加。

圖6 持續(xù)壓榨下(階段Ⅱ)G、B差值圖像

觀察阻抗值發(fā)現(xiàn)，在階段Ⅱ，BHF值會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。為探究波動(dòng)情況與壓強(qiáng)變化的關(guān)系，計(jì)算BHF的變異系數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)差/均值)BCV，見(jiàn)圖7。隨著壓強(qiáng)增大，BCV越來(lái)越大。當(dāng)壓強(qiáng)增大到32 g/mm2時(shí)，BCV出現(xiàn)顯著性差異。

圖7 階段ⅡBHF變異系數(shù)圖像

4 討論

在階段Ⅰ，對(duì)小腸組織實(shí)施快速壓榨，兩金電極之間測(cè)量空間內(nèi)的組織被迅速擠出，壓強(qiáng)越大，組織擠出越多。此階段，GLF和BHF均迅速減少，并且隨著壓強(qiáng)增大，減小趨勢(shì)增大。壓強(qiáng)從8 g/mm2增加至16 g/mm2時(shí)，△GⅠ顯著增加，△BⅠ輕微增加，反映了隨著壓強(qiáng)增加細(xì)胞外液明顯排出，對(duì)細(xì)胞內(nèi)液影響較??；壓強(qiáng)從16 g/mm2增加至32 g/mm2時(shí)，△GⅠ和△BⅠ均顯著增加，反映了壓強(qiáng)增加對(duì)細(xì)胞外液和細(xì)胞內(nèi)液均有很大影響，使細(xì)胞內(nèi)液和細(xì)胞外液的排出明顯增加。推測(cè)壓強(qiáng)增大至32 g/mm2時(shí)，細(xì)胞受壓過(guò)大，可能導(dǎo)致細(xì)胞破裂，在快速施加巨大壓強(qiáng)條件下，使細(xì)胞內(nèi)液隨細(xì)胞外液一同大量排出。

在階段Ⅱ，維持設(shè)定壓強(qiáng)，兩金電極之間組織內(nèi)容無(wú)明顯變化。此階段，GLF緩慢減小，BHF波動(dòng)減小，反映了維持壓強(qiáng)細(xì)胞外液繼續(xù)排出，細(xì)胞內(nèi)液輕微排出。壓強(qiáng)從8 g/mm2增加至16 g/mm2時(shí)，△GⅡ值顯著增加，△BⅡ值變化緩慢沒(méi)有顯著性差異，反映壓強(qiáng)增大使細(xì)胞外液排出增多，細(xì)胞內(nèi)液排出受影響較?。粡?6g/mm2增加至32g/mm2時(shí)，△GⅡ輕微增加；△BⅡ值顯著增加，反映壓強(qiáng)增大使細(xì)胞內(nèi)液和細(xì)胞外液排出增多，維持恒壓強(qiáng)情況下，細(xì)胞內(nèi)液流出以補(bǔ)充細(xì)胞外液，因此細(xì)胞外液整體變化較小，細(xì)胞內(nèi)液變化較大。觀察階段Ⅱ的變異系數(shù)，隨著壓強(qiáng)增加，變異系數(shù)增大，當(dāng)壓強(qiáng)達(dá)到32 g/mm2時(shí)，變異系數(shù)顯著增加，反映了相對(duì)于8 g/mm2和16 g/mm2壓強(qiáng)下，BHF嚴(yán)重偏離均值，細(xì)胞可能死亡，細(xì)胞膜維持作用消失。綜合階段Ⅰ與階段Ⅱ，在8 g/mm2和16 g/mm2壓強(qiáng)下，壓榨過(guò)程對(duì)細(xì)胞外液的變化產(chǎn)生巨大影響，對(duì)細(xì)胞內(nèi)液影響較小，對(duì)比32 g/mm2壓強(qiáng)下的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)壓榨過(guò)程中細(xì)胞內(nèi)液產(chǎn)生顯著變化。

在基于ColeY模型的多頻阻抗分析中，實(shí)驗(yàn)過(guò)程分為兩個(gè)階段。在階段Ⅰ，吻合器被鎖緊，釘砧和測(cè)量匣之間的距離迅速減小，組織受到劇烈壓榨，壓強(qiáng)迅速增加，G0、△G和CCPEF迅速減少，反映部分組織被擠出測(cè)量空間，細(xì)胞外液和細(xì)胞數(shù)量迅速減少；階段Ⅱ，吻合器保持鎖緊狀態(tài)，持續(xù)對(duì)小腸進(jìn)行壓榨，以達(dá)到預(yù)定間隙。G0持續(xù)減小，反映了細(xì)胞外液持續(xù)減?。浑S著預(yù)定間隙的減少，壓榨強(qiáng)度增加，G0持續(xù)減小，反映了細(xì)胞外液持續(xù)排出；△G波動(dòng)趨勢(shì)減小并開(kāi)始下降，反映了隨著壓榨強(qiáng)度增加，細(xì)胞內(nèi)液開(kāi)始排出。細(xì)胞內(nèi)液的變化趨勢(shì)與細(xì)胞受壓后的形變恢復(fù)有相關(guān)性[12]。本研究中，在階段Ⅰ大量組織被擠出測(cè)量區(qū)域；GLF和BHF迅速減?。划?dāng)壓強(qiáng)增大到32 g/mm2時(shí)，細(xì)胞可能已經(jīng)破裂，流出的細(xì)胞內(nèi)液增多，隨細(xì)胞外液一起大量排出，△BⅠ的值與8、16 g/mm2壓強(qiáng)下的值有顯著性差異。階段Ⅱ中，細(xì)胞外液持續(xù)排出，GLF持續(xù)減小，細(xì)胞內(nèi)液無(wú)明顯變化，BHF存在波動(dòng)；隨著壓強(qiáng)增大，細(xì)胞內(nèi)液排出增多，BLF波動(dòng)趨勢(shì)減弱，下降趨勢(shì)增強(qiáng)。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，雙頻并行模型中的GLF和BHF與ColeY模型中的G0和△G的變化趨勢(shì)十分相似，初步認(rèn)為雙頻并行模型具有一定的可行性，其參數(shù)可以表征組織的壓榨狀態(tài)。

5 結(jié)論

本研究采用雙頻并行模型對(duì)組織受壓過(guò)程進(jìn)行分析，與基于ColeY模型的多頻阻抗分析結(jié)果對(duì)比。發(fā)現(xiàn)雙頻并行模型的參數(shù)具有表征組織壓榨狀態(tài)的潛力，由于其在工程上較易實(shí)現(xiàn)，因此也可用于建立吻合器智能壓榨的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。將來(lái)需要在對(duì)壓強(qiáng)進(jìn)行細(xì)分，細(xì)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)，分析組織損傷情況等方面開(kāi)展進(jìn)一步確認(rèn)工作。