盧萍，張宇，侯榮國(guó)，王湘田，呂哲

(山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

在臨床外科手術(shù)中切除壞死和失去活力的組織時(shí)，需按一定要求保留血管、肝膽、神經(jīng)等組織; 因此，精準(zhǔn)的去除切割技術(shù)在外科領(lǐng)域有著重要的作用[1]。但傳統(tǒng)的醫(yī)用手術(shù)刀、電刀，不僅容易發(fā)生“一刀切”的現(xiàn)象，而且會(huì)伴隨熱損傷等二次傷害，從而影響手術(shù)成功率和術(shù)后恢復(fù)[2]。20世紀(jì)90年代初，Papachristou等[3]首次將水射流技術(shù)引入醫(yī)學(xué)領(lǐng)域用于肝臟外科手術(shù)?？紤]到外科手術(shù)中血管損壞、修復(fù)和止血等問(wèn)題，Rau等[4]開(kāi)始將專業(yè)設(shè)計(jì)的醫(yī)用水刀運(yùn)用到臨床中。從此，水刀在外科手術(shù)的臨床醫(yī)用中逐漸得到普及。2014年，日本東北大學(xué)Nakanishi等[5]、Kunikata等[6]研發(fā)了一種由壓電致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的醫(yī)用脈沖水射流裝置(ADPJ)用于臨床試驗(yàn)。將ADPJ裝置在不同壓力下分別應(yīng)用于動(dòng)物眼、腦、肝、神經(jīng)的外科手術(shù)，還能夠起到組織選擇性分離的作用，組織出血量比剛性分離術(shù)少[7-9]。經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展，醫(yī)用水刀在臨床的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)越來(lái)越豐富，但總的來(lái)看醫(yī)用水刀技術(shù)在國(guó)內(nèi)還不夠成熟，在不同韌性和彈性的人體組織結(jié)構(gòu)選擇性分離切除方面還未形成完整的理論體系，仍需進(jìn)行深入研究。

本文選擇豬肝臟為實(shí)驗(yàn)樣本，豬肝臟的泊松比為0.40，與人體的肝臟組織比較接近[10]，且形狀結(jié)構(gòu)、血管分布、厚度與人體相似，并且容易獲取。肝臟是由傳入、傳出的導(dǎo)管系統(tǒng)和血管系統(tǒng)組成的三維網(wǎng)格系統(tǒng)，由于膠原蛋白和彈性蛋白含量較高， 所以這些導(dǎo)管和血管系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和阻力與肝實(shí)質(zhì)有著本質(zhì)上的不同。在使用微細(xì)水射流從肝實(shí)質(zhì)不同位置機(jī)械地分離導(dǎo)管和血管系統(tǒng)時(shí)，表現(xiàn)出來(lái)的分離效果是不一樣的[11-12]。因此，本文在微細(xì)水刀切割肝臟組織單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了不同射流壓力和不同切割方式的實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究，旨在通過(guò)豬肝臟切割實(shí)驗(yàn)研究微細(xì)水刀對(duì)組織切割的選擇性和保護(hù)性，為微細(xì)水刀在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)利用提供相關(guān)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

使用自主研制的微細(xì)水刀加工裝置對(duì)新鮮的豬肝臟右葉進(jìn)行切割分離實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)加工系統(tǒng)如圖1所示。該實(shí)驗(yàn)加工裝置主要由氣液增壓系統(tǒng)、射流系統(tǒng)、多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)等組成，其中微細(xì)水刀的增壓方式為氣液增壓。

(a)試驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)所用的微細(xì)水刀噴頭是經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的過(guò)渡圓角噴嘴，如圖2所示。噴嘴直線段長(zhǎng)度L=2 mm，平直段長(zhǎng)度I=0.5 mm，過(guò)渡圓角直徑φ=0.4 mm，噴嘴直徑d=0.1 mm，該噴嘴設(shè)計(jì)為過(guò)渡圓角，能夠確保在切割過(guò)程中，射流具有良好的集束性和穩(wěn)定的壓力值，從而減緩在噴嘴出口處軸向動(dòng)壓力和軸向速度的衰減；并且0.1 mm的噴嘴直徑，能夠獲得極其細(xì)小的切割寬度，從而減小微細(xì)射流對(duì)組織的損傷性。

圖2 過(guò)渡圓角噴嘴

經(jīng)高壓噴嘴后射流速度為

(1)

噴嘴的實(shí)際流量為

q=vdAd,

(2)

式中：ρ為流體密度(kg/m3)；Ad為出口截面積(m2)；pD為射流入口壓力(MPa)；vd為射流出口速度(m/s)即收縮面速度；ξ為阻力系數(shù)。

本文所用微細(xì)水刀射流壓力范圍為3～7 MPa，水的密度為998 kg/m3，流體粘度為10-3Pa/s，噴嘴出口流速和流量見(jiàn)表1。

表1 噴嘴出口系列參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

本文選用新鮮完整的豬肝臟做為實(shí)驗(yàn)材料。其要求條件為：生豬死亡時(shí)間在2～4 h，并保持室溫24 ℃。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需定時(shí)噴灑Kreb溶液，以盡量減少肝臟組織的降解和脫水問(wèn)題，從而保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

多數(shù)生物材料因厚度較大，光線不易透過(guò)，且細(xì)胞內(nèi)各結(jié)構(gòu)的折射率相差很小，所以難以觀察微觀形態(tài)。為便于觀察醫(yī)用手術(shù)刀和微細(xì)水刀兩種切割方式對(duì)肝臟組織損傷的影響，需將切割后的組織進(jìn)行切片和染色處理。由于豬肝臟組織在零應(yīng)變狀態(tài)下剛度很低，自身重力引起的變形很大，所以采用石蠟包埋切片的形式制作多組平行組織樣本，并將組織切片樣本進(jìn)行脫蠟染色(H&E染色)。經(jīng)染色處理后，可以清晰觀察肝臟組織的中央靜脈結(jié)構(gòu)、門管區(qū)結(jié)構(gòu)、肝細(xì)胞結(jié)構(gòu)及細(xì)胞形態(tài)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

采用壓力單因素實(shí)驗(yàn)，選擇直徑為0.1 mm的過(guò)渡圓角射流噴嘴，切割靶距為6 mm，工作壓力范圍為3～7 MPa，設(shè)定射流沖擊角度為90°。因?yàn)椴牧系钠茐陌l(fā)生在極為短暫的時(shí)間內(nèi)，隨著沖擊時(shí)間的增加，在組織切割槽底部易出現(xiàn)壓力水，會(huì)減弱射流的切割力，所以采用快速反復(fù)橫移的方法進(jìn)行切割。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，記錄不同的射流沖擊壓力對(duì)豬肝臟實(shí)質(zhì)與血管的分離情況。

采用不同的切割方式進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分別使用23號(hào)醫(yī)用手術(shù)刀和微細(xì)水刀加工裝置切割豬肝臟(見(jiàn)圖3)并制作組織學(xué)切片樣本，觀察切割斷面微觀表面形貌，分析微觀結(jié)構(gòu)變形情況以及是否有明顯出血點(diǎn)，進(jìn)而判斷兩種切割方式的性能差異。

圖3 微細(xì)水刀切割豬肝臟組織實(shí)驗(yàn)

2 結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)儀器

圖4為分別采用23號(hào)醫(yī)用手術(shù)刀和微細(xì)水刀加工裝置對(duì)豬肝臟進(jìn)行切割后的效果圖。

圖4 切割效果圖

使用游標(biāo)卡尺測(cè)量不同壓力下對(duì)肝臟組織切割過(guò)程中所保留血管的直徑，使用Leica生物顯微鏡(型號(hào)：DM1000)檢測(cè)豬肝臟組織切片樣本的切割表面微觀形貌。

2.2 射流壓力對(duì)肝臟組織分離的影響規(guī)律

圖5是用微細(xì)水刀切割豬肝臟組織材料的實(shí)驗(yàn)前后對(duì)比圖。結(jié)果表明：射流壓力為4 MPa時(shí)，豬肝臟組織出現(xiàn)明顯裂痕，組織與血管開(kāi)始發(fā)生分離，但分離效果并不明顯；射流壓力為5 MPa時(shí)，能夠保留直徑為0.8 mm的血管；射流壓力為6 MPa時(shí)，微細(xì)射流束對(duì)0.8 mm的血管具有明顯的破壞作用，但能夠保留1 mm的血管；射流壓力為7 MPa時(shí)，可以完整保留直徑為1.2 mm的血管，對(duì)1 mm的血管具有一定的破壞性。

(a)豬肝臟實(shí)質(zhì)

使用游標(biāo)卡尺測(cè)量本次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所保留血管，在無(wú)應(yīng)力條件下最細(xì)的血管為0.8 mm，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)能夠?qū)?支動(dòng)靜脈血管與肝臟組織分離。由此可知，對(duì)于特定的組織或器官，經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究可確定一個(gè)精準(zhǔn)的壓力值，進(jìn)行有選擇的切割去除，進(jìn)而保護(hù)其他組織和器官。

2.3 微細(xì)水刀切割豬肝臟斷面微觀形貌分析

圖6是兩種切割方式下豬肝臟微觀形貌的組織切片樣本，圖6 (a)是微細(xì)水刀壓力為5 MPa時(shí)切割后的組織切片樣本,圖6 (b)是23號(hào)醫(yī)用手術(shù)刀切割后的組織切片樣本。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：經(jīng)微細(xì)水刀切割后的豬肝臟組織切片，肝細(xì)胞體形完整且排列整齊；由相鄰肝小葉組成的結(jié)締組織——門管區(qū)，結(jié)構(gòu)清晰，但其小葉間動(dòng)脈、小葉間膽管和小葉間靜脈有輕微的損傷；位于肝小葉長(zhǎng)軸中間的中央靜脈，結(jié)構(gòu)完整；相鄰肝細(xì)胞間局部質(zhì)膜凹陷形成的封閉管道——膽小管，結(jié)構(gòu)無(wú)變形。由于采用包埋式制作的組織切片，致使組織失活較為嚴(yán)重，以及平行組織切片中紅細(xì)胞活性較差，所以無(wú)法觀察出血點(diǎn)是否明顯。

(a)微細(xì)水刀切割組織樣片

使用23號(hào)醫(yī)用手術(shù)刀切割后的豬肝臟組織切片，肝細(xì)胞形態(tài)排列紊亂，相鄰肝細(xì)胞局部形成的膽小管變形，有少量細(xì)胞核進(jìn)入門管區(qū)；中央靜脈變形嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)受到破壞，在靜脈內(nèi)出現(xiàn)大量細(xì)胞質(zhì)等液體。這是因?yàn)獒t(yī)用手術(shù)刀為剛性切割，其彈性模量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于豬肝臟，所以在壓下式切削過(guò)程中，即使較小的切削力也能夠?qū)е陆M織發(fā)生破壞。但是微細(xì)水刀作為柔性切割，在切割過(guò)程中的切割動(dòng)能大小由射流壓力所決定，對(duì)于結(jié)構(gòu)不同、性能不同的組織會(huì)產(chǎn)生不同的切割效果，進(jìn)一步推出微細(xì)水刀技術(shù)對(duì)組織具有一定的切割選擇性和保護(hù)性。

3 結(jié)論

1)將微細(xì)水刀應(yīng)用到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域時(shí)，可以通過(guò)精準(zhǔn)控制水射流的壓力，有選擇性地切割手術(shù)中所需去除的材料，從而避免對(duì)其他組織和器官所存在的潛在損傷性。精確的壓力值可以在手術(shù)中有效地減少血管的破損和失血量，在一定程度上降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

2)微細(xì)水刀利用高動(dòng)能射流束對(duì)組織進(jìn)行切割分離時(shí)，不會(huì)對(duì)組織表層和內(nèi)部血管、膽管等結(jié)構(gòu)密集的軟組織產(chǎn)生熱損傷，并且能夠?qū)?nèi)部軟組織的結(jié)構(gòu)有一定的保護(hù)作用。這種特有的組織選擇性和有效保護(hù)性能夠減少手術(shù)創(chuàng)傷，有利于傷口的術(shù)后恢復(fù)。

3)通過(guò)深入的實(shí)驗(yàn)研究，不斷地探索微細(xì)水刀切割組織的機(jī)理，必然會(huì)對(duì)臨床醫(yī)學(xué)帶來(lái)有效的指導(dǎo)。隨著對(duì)微細(xì)水刀不斷的認(rèn)識(shí)和了解，其應(yīng)用領(lǐng)域可逐步拓展到骨科、眼科、創(chuàng)傷等外科領(lǐng)域；因此，醫(yī)用水刀在醫(yī)學(xué)方向具有廣闊的應(yīng)用前景。