電凝閉合組織含水量變化實時反饋控制系統

李　昊,陳明惠

(上海理工大學 醫療器械與食品學院, 上海　200093)

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電凝閉合組織含水量變化實時反饋控制系統

李昊,陳明惠

(上海理工大學 醫療器械與食品學院, 上海200093)

摘要：在電凝閉合生物組織的過程中,利用組織阻抗的變化作為反饋參數,從而控制射頻能量的輸出,但阻抗的變化只在當組織液沸騰,即射頻能量傳遞的最后階段才發生,在組織液溫度較低時則變化不明顯。電凝閉合時組織的脫水和變性過程其含水量會發生改變,特別在溫度上升之初組織含水量會發生顯著變化,因此組織含水量可作為射頻輸出實時反饋的一個良好參數。組織中水分對1 300 nm波段的近紅外光具有很好的吸收性,所以組織中的水分含量可以通過光透射率的變化間接獲得。由此可利用在射頻電凝器械閉合組織時,探測組織的光透射率變化情況得到含水量變化,以此作為射頻能量輸出的實時反饋,達到了更安全有效閉合血管的目的。

關鍵詞：血管閉合; 阻抗; 含水量; 反饋系統; 光透射率

引言

隨著外科手術技術與器械的發展,血管閉合技術已由過去單純的機械止血,發展為現代外科條件下的多功能技術體系,血管閉合技術大致可以分為機械結扎閉合、藥物凝血閉合和基于能量的閉合三大類[1-3]。高頻電刀閉合組織過程中,射頻的能量會使組織脫水和變性。如果高頻電刀輸出能量過大,會造成血管的組織碳化,血管破裂,能量過小則血管不能閉合或閉合效果不好。因此電凝閉合系統的核心在于它的反饋控制,通過參數反饋來控制射頻能量的輸出[4-6]。在血管閉合過程中,血管壁的阻抗會有明顯的增加,所以使用目標阻抗作為反饋量,控制血管的閉合過程是一個業界公認的方法[7-9]。但是基于阻抗的反饋控制有其局限性:阻抗的變化只在當組織液沸騰,也就是射頻能量傳遞的最后階段才發生,而在組織液溫度較低時則變化不明顯[10-12]。組織中的水分對1 300 nm波段的近紅外光具有很好的吸收性,且電凝閉合時組織脫水和變性過程含水量發生改變,特別在溫度上升之初已經發生顯著變化,因而可以在此前的實驗系統上進行優化[13],利用1 300 nm波段的光照射下,組織的光透射率作為射頻輸出的實時反饋控制。

1實驗

圖1　實驗系統原理圖Fig.1　Schematic diagram of experimental system

改進后的實驗系統如圖1所示,由驅動電路驅動紅外發光二極管作為光源,發射出1 300 nm波段的近紅外光,先經過第一個凸透鏡(f=10 cm)聚焦形成一個橢圓形的光斑,然后在凸透鏡的后焦平面使用一個圓形針孔得到圓形光斑,圓形針孔同時也處在第二個凸透鏡(f=10 cm)的焦平面上,第二個凸透鏡用作準直鏡,經準直鏡準直后的光線垂直照射在由有兩片導電玻璃和基于電凝閉合的雞腸組織樣品上。實驗使用透明導體材料代替血管閉合系統的金屬電極,夾持離體組織樣品組成的射頻能量輸出裝置。還需要確保近紅外光準直后形成的圓形光斑要小于組織樣本,透射光經過射頻能量輸出裝置,光線會被樣品中所含的水分吸收,造成了透射率的下降,透射率變化可以直接反映為水分含量的變化。

光通過樣品,這些攜帶著組織樣品信息的光,經過第三個凸透鏡(f=10 cm),對這些有效光線進行聚焦,形成一個小的圓形光斑,并且確保這個形成的光斑必須要小于光電探測器的接收部分的截面。在透鏡的焦平面處放置光電探測器,光電探測器在接收到這些光信號后便開始利用光電效應將光信號轉換成微弱的電信號,并通過濾波放大電路將信號放大并過濾噪聲,然后信號通過DAQ數據采集卡采集數據。最后在電腦上用LabVIEW對這些電信號進行編輯和運算,顯示電壓變化曲線,通過電壓變化曲線可以間接得知光透射率變化,進而得到所檢測物中水分含量的變化。

圖2　光學檢測水分含量變化程序平臺Fig.2　Program chart of optical detection system for detecting moisture content change

實驗中光路需要嚴格對準,且盡量不受外界光線的影響。實驗采用透明導體作為電極,保證近紅外光不被導體大量吸收,該透明導體可以向組織傳遞射頻電流,透明導體模擬雙極型電極,透明導體的夾持力度也要相當大,而且還要避免透明導體在高功率的射頻電流下破碎。將上述硬件電路、光學設備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。如圖2所示為水分含量變化情況檢測的LabVIEW程序,利用軟件程序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化為模擬電信號,利用DAQ數據采集卡將采集到的模擬信號轉化為數字信號并傳輸到計算機,通過程序對所得信號進行處理,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。

2實驗結果

實驗結果如圖3所示,在光路準直后和沒有阻擋的情況下,電壓保持穩定并維持在近乎滿量程的狀態,約為4.7 V,且沒有干擾信號。在全阻擋和所用的檢測光波完全不產生作用的情況下,檢測到電壓幅值約為0.25 V,電壓接近零電位并且維持穩定,無明顯變化。說明實驗獲得了更高的準確性,保證了光電探測器全部接收有效的光信號,光源是沒有散射角度的平行光和接收到的所有光線是有信息的有效光線。測試過程選取雞腸為測試樣本,采集實驗樣品測試前后的電壓值,其檢測電壓變化曲線如圖4所示。雞腸初始的電壓為1 V左右,隨著射頻能量的作用電壓,一段時間后又逐漸上升到3.2 V左右。

圖3　光線完全透射和阻隔時的電壓值

圖4　樣品測試前后的電壓值

在射頻能量開始作用后,起始電壓不同,作用開始后逐漸降低達到最低點,伴隨實驗過程中開始出現水分逃逸現象,之后回升至接近電壓幅值最大值處,過程中狀態變化明顯,水分蒸干加劇,到達幅值最大點時停止輸出能量作為閉合時刻,并采集電壓信號直到300 s。

圖5　檢測電壓變化曲線Fig.5　Voltage curve

從采集透過樣品組織的光,轉換為電壓信號后,隨時間變化曲線如圖5所示,組織中含水量隨時間變化趨勢也可以反映阻抗的變化。從整體的趨勢可以看出,隨著射頻能量作用時間的增加,組織內水分蒸發逐漸加快,阻抗也在迅速上升,當電壓保持在最大值,說明組織中的水分已經基本蒸發完,組織變成干燥透明的凝結帶,組織阻抗這時也趨于穩定。

在檢測電壓變化曲線的數據中,輸出功率和組織直徑均不相同,都會引起數據的起始電壓和作用時間的不相同,但閉合過程中都出現了曲線先下降后上升的趨勢,最后均升至電壓幅值最高點。閉合過程中有先降后升的趨勢,原因可能是所用的檢測光波長為1 300 nm,接近液態水吸收峰,但生物組織中由于各種作用力的束縛,水分主要以聚合態存在,對該波長的光線透過性較好。初始檢測電壓不同的成因可能是生物組織含水量和水分形態不同。在射頻能量作用開始后,目標雞腸樣品所含水分由于能量轉換導致升溫發生形態改變,液態水含量增加,對檢測光線的吸收作用加強,導致電壓下降。隨著能量作用的持續溫度繼續升高,水分從聚合態轉化為液態的轉化量下降,而沸騰并汽化的量增加,水分從生物組織中逃逸,造成電極夾持的作用部位總含水量下降,對檢測光線的吸收作用隨之降低,電壓持續升高。在水分被蒸干時,光透射量達到最強,并且由于被作用后組織成分和厚度相近,所以樣本雖然不同,但作用完畢時檢測電壓均升至相同的電壓幅值完成閉合,到達最大值處時曲線均有明顯的彎折。

3結論

實時和智能化檢測各參數是高頻電刀的發展趨勢,在臨床運用中有很重要的臨床意義。生物組織閉合機理和組織含水量檢測系統的智能化對高頻電刀的發展提供了參考。本文在之前的研究基礎上[13],對整個系統平臺和軟件進行了優化設計,系統光路的搭建進一步的規范和優化,準直部分利用凸透鏡嚴格對光線均勻照射在樣品上,穿透樣品后并聚焦在光電探測器上,將達到了較為理想的效果。雞腸樣品在測試前后的電壓值對比明顯,充分說明實驗的有效性和可行性。

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變化的情況,為綜合分析變化過程提供實驗依據和系統平臺。該系統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。搭建的系統能夠初步實現對生物組織水分變化情況的檢測,具有良好的拓展研究前景。系統能夠初步通過光透射率實現對生物組織水分變化情況的檢測,但是把光透射率作為電凝閉合器的反饋控制比較單一,還應該結合其它的反饋裝置系統確保手術的安全。

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(編輯:張磊)

Electrical coagulation close with optical transmittance of real-time feedback control system

LIHao,CHENMinghui

(School of Medical Instrument and Food Engineering,University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Abstract：During the electrical coagulation close of biological tissues, tissue′s impedance usually used as feedback parameters to control the RF output power, but the change in impedance only happens when the tissue fluid boiling. In other words, it happens only at the final stage of RF energy transmission. When the temperature of tissue fluid is low, the impedance does not change significantly. Dehydration and denaturation processes of the organization changes its moisture content when using electrical coagulation to close tissues, especially at the beginning of the temperature rising. The water content of tissues changes significantly, because tissue water content can be used as a good parameter for RF output in the real-time feedback. 1 300 nm wavelength of the near-infrared light is very good for tissue water′s absorbency, so light transmittance change is a fact of tissue moisture content variation. As a result, detecting the changes of light transmittance can obtain the changes of the tissue water content,and it is used as a real-time feedback parameter for the output RF energy. Using radio frequency coagulation instrument to close tissue in this way can achieve a safer and more effective closure of the vascular surgery.

Keywords：vessel sealing; impedance; feedback system; water content; optical transmittance

中圖分類號：O 433

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1005-5630.2016.01.013

作者簡介：李昊(1990—),男,碩士研究生,主要從事光學相干成像方面的研究。E-mail:leehoo2013@163.com通信作者： 陳明惠(1981—),女,博士,主要從事生物醫學光學方面的研究。E-mail:mchen@usst.edu.cn

基金項目：國家自然科學基金(61308115); 上海市自然科學基金(13ZR1457900); 上海高校青年教師培養資助計劃項目(zzslg12017)

收稿日期：2015-06-01