離體豬胸主動脈的熱傳導率測試及分析*

劉歡，李立青，李學敏，黃振華

(哈爾濱工業大學機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

1 引 言

電外科血管閉合手術技術是利用頻率為大約300-550 kHz的交流電通過具有生物阻抗的血管組織時產生的熱效應使組織中蛋白質變性，與此同時，借助于施加在血管組織上的壓力使血管內腔粘連在一起使血管形成閉合[1-4]。基于電熱效應原理的電外科血管閉合技術是一種較新的血管閉合技術，該技術同傳統的手動血管結扎手術相比，具有縮短手術時間和利于術后康復等優點[5-6]。盡管電外科血管閉合術具有上述優勢，但手術過程中產生的熱量對閉合位置鄰近組織或神經的潛在熱損傷[7-11]仍是該技術需要繼續解決的問題。顯然，準確預測手術部位組織的溫度及其變化趨勢有助于減小熱量對旁系組織損傷，其關鍵技術是獲得所關注組織熱物參數及其隨溫度變化的特點，因為組織熱物參數決定了其熱傳遞能力。獲得生物組織熱物參數及其變化規律是深入研究生物傳熱特性及電外科血管閉合機理的前提[12]。因此，本研究從為降低對臨近組織熱損傷及了解熱量在血管閉合過程中的傳導的視角出發，采用準穩態法對血管組織的熱物理參數進行測試研究。

目前已有針對生物組織熱物參數測試方面的研究工作[13-21]，但由于生物個體差異和實驗條件的不同，現有的熱物參數數據的一致性不理想[22-24]，將其有效應用在臨床醫學中還需要進一步研究。而且，目前對電外科血管閉合手術中所涉及到的血管組織熱物參數的研究相對較少，因此展開血管組織熱物參數測試及其隨溫度變化的研究對于確定電外科血管閉合手術中的熱量傳輸和減小熱量擴散很有必要。

生物組織熱物參數的測量可以分為穩態法[25-26]和瞬態法[26-30]。其中，瞬態法測量熱物性測試時間短、響應快，但控制技術較復雜，對實驗裝置制作精度要求較高。穩態法是在穩定狀態下通過熱傳導的傅立葉定律測量物質的熱屬性，物質熱傳導率可以表示為材料的表面溫度和維數的函數，物理概念容易理解，但測量時間較長；相比于穩態法，準穩態法[25,26]是動態穩定狀態下的測量方法，能夠縮短穩態法的測量時間，兼具有操作控制相對簡單的優點。不同于其它軟組織，血管組織尤其是主動脈組織結構致密，單層組織具有相對較好的剛度，較適合于準穩態法；且用準穩態法測試過程與電外科血管閉合手術具有一定的相似性。有學者采用穩態法用于牛骨組織熱傳導率的研究[26]，但關于血管組織的研究仍未見報道。因此，本研究首先采用準穩態法進行家豬主動脈血管熱傳導率測試研究，以期獲得離體家豬主動脈熱傳導率數據以及熱傳導率與溫度的關系，并了解血管組織熱傳導率與組織阻抗等影響規律，為降低電外科手術熱損傷和新型熱診斷技術提供研究基礎。

2 實驗原理簡介

與穩態法相似，準穩態法測量某物質熱傳導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初始熱傳導后試樣各處都以同一速率升溫，即保持熱流任意兩點溫差恒定的狀態，因此準穩態方法[25]是一種動態穩定測量方法。

本研究利用準穩態平板法測量血管組織熱傳導率的原理見圖1，將管狀的家豬主動脈血管沿軸線剖分，并按著根據準穩態法設計的實驗裝置預留的尺寸切割血管，使其成為平面狀(見圖2)，然后將組織放置在兩個平板中間，熱量由下板經過離體組織至上板方向傳遞，保持熱量在兩平板之間傳遞。當上下板的溫度變化保持恒定即達到穩態時，可得到被測組織的熱傳導率計算公式[25]：

(1)

式中，kT為溫度T時刻離體組織的熱傳導率；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分別為達到穩態后上下平板的溫度。

計算的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)進行熱傳導率測量時，試件即離體家豬主動脈的厚度在實驗之前精確測量得到，只需要準確測量組織上下表面的溫度和加載在平板上的熱流密度，就可以計算出試件在溫度T時的熱傳導率。這里，熱流密度可以根據加熱裝置的功率及試樣的面積計算得到，而上下兩平板的溫度由微型熱敏電阻測得。

圖1 準穩態平板法測量生物組織原理圖

根據組織的熱擴散率與熱傳導率之間的關系，熱擴散率[31-32]可以根據所測得的熱傳導率通過計算得到，熱擴散率αT計算公式表示為:

(2)

式中：ρ為材料的密度；C為材料的比熱。

3 血管獲取和實驗裝置

3.1 血管獲取與處理

從屠宰場購買豬胸主動脈血管，為盡量保持血管組織的生物活性，防止在運送和保存的過程中流失過多的水分，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，運送至實驗室后放入-4°C冰箱中保存，并盡量在48 h內進行測試。實驗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)為從屠宰場取得的部分豬胸主動脈剔除結締組織后的照片。圖2(a)從左到右血管內徑分別為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，見圖2(b)，切割實驗樣品時要避開主動脈上各分流血管形成的空洞。實驗時對組織試樣的3個不同位置點進行測量，取其平均值為試樣的厚度值。

(a)

(b)

3.2 實驗裝置

準穩態平板法測試裝置原理見圖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迅速且溫度均勻。

圖3 準穩態平板法測量生物組織熱傳導率裝置

Fig3Thedeviceprincipleofquasisteadystateplatemethodforthermalconductivitymeasurementofbiologicaltissue

此外選取Honeywell公司生產的微型熱敏電阻111-202CAK-H01(見圖4)作為測溫傳感器，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，實現對組織溫度進行實時測量。測試實驗前，首先使用精度為0.5%的精密萬用表和精度為0.1℃的精密溫度計來完成熱敏電阻的標定以準確測量組織溫度。本實驗需要3支熱敏電阻探頭，各熱敏電阻探頭的標定實驗結果見圖5。

測量實驗時，為準確計算血管組織的熱傳導率，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，靠兩側的尼龍柱來定位，以確保試樣對準均溫板的中心位置，也使得測溫傳感器彼此軸向對準以減小誤差。在雙下層均溫板之間安裝帶有導電碳晶纖維的透明聚酯電熱膜作為加熱單元，通過調節施加在電熱膜上的加載電壓來提供實驗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，以防止熱量散失過快難以達到準穩態，同時可以減少試件周圍平板的熱量通過空氣對流和輻射的方式傳導到上層均溫板。定位柱銷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，以提高裝置的測量精度。

圖4 試驗中所用的熱敏電阻

圖5 實驗中所用熱敏電阻標定結果

Fig5Thecalibrationresultsofthethermistors

4 實驗結果與討論

利用上述實驗裝置，進行了家豬離體主動脈準穩態法試驗。試驗時，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，通過實驗前標定完成的熱敏電阻來測量上、下紫銅板的溫度，記錄下紫銅均溫板的溫度，進而可以根據式(1)得到在某溫度下組織的熱傳導率。施加給電熱膜不同的電壓，則將血管加熱到不同溫度，從而可以計算得到在不同溫度下血管組織的熱傳導率，進而分析研究血管組織熱傳導率的變化情況。

血管組織的熱擴散率平均值按式(2)計算得到。根據文獻[31]的研究結論，熱擴散率中密度和比熱的乘積值在不同溫度下變化很小，因此熱擴散率的計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下離體家豬主動脈血管在26.5℃時的熱傳導率的實驗，得到此時家豬主動脈血管的熱傳導率k=0.415W/mK，對應的熱擴散率α=4.628 m2/s。

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

圖6 熱傳導率隨溫度變化曲線

本文準穩態法測試結果表明，除了溫度對血管熱傳導率有直接的影響，由于溫度原因導致組織的含水量的變化是影響組織熱傳導率的主要原因。這是因為當血管組織溫度高于一定溫度時，如63°C時，隨著組織的持續加熱，組織持續失水導致含水量下降，此時熱傳導率會呈現下降趨勢，當溫度繼續升高至接近90℃時，組織已經變得很干燥，此時試樣熱傳導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，含水量對組織熱傳導率影響更加明顯。

我們發現圖6的組織熱傳導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所示的規律[32]。通常生物組織電阻抗從37℃開始，隨組織溫度的升高阻抗值逐漸降低，在60℃附近達到最小值；組織在達到最小值后隨溫度上升組織蛋白質開始變性，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溫度在60～90℃之間，對應于圖7所示的阻抗值的b點和d點之間；當組織溫度超過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，而相應的熱傳導率下降很快，在溫度繼續上升至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行血管組織電凝試驗驗證了上述分析。

圖7生物組織阻抗-溫度特性曲線[32]

Fig7Thecharacteristiccurveofbiologicaltissueimpedancewithtemperature[32]

對比圖6和圖7可以發現，本研究采用的準穩態法獲得的血管組織熱傳導率隨溫度變化規律與生物組織阻抗與溫度之間表現的規律所對應的溫度區間十分相近，因此，可以在同一溫度區間內將熱傳導率和阻抗的變化情況聯系起來，進一步討論二者所具有的關聯性，這對促進電外科血管閉合技術是十分有益的：掌握血管組織的熱傳導率有利于通過有限元方法分析預測組織熱傳導情況；此外，可以通過測量阻抗變化趨勢反應組織熱傳導率的變化趨勢，從而有利于從加強電外科電源設計及手術過程實時監控等技術手段來降低組織熱損傷。目前，國外先進電外科裝備具有自動檢測極間組織阻抗的功能，而我國生產的電外科裝備尚缺少此功能，我國對這方面研究薄弱。因此，加強這方面研究有利于促進我國電外科技術的發展，同時有助于監控雙極電外科手術中血管閉合過程組織熱傳遞過程。

根據熱傳導率計算得到的血管組織的熱擴散率的平均值見表1。血管組織熱擴散率呈現和熱傳導率相似的溫度特性。

表1 家豬主動脈血管熱擴散率

5 結論

基于準穩態平板法對離體豬胸主動脈熱傳導率進行了研究，得到其熱傳導率數據，分析了熱傳導率隨溫度的變化特性，在初始含水量較大時，離體豬胸主動脈熱傳導率在50～63℃的范圍內隨溫度增大而緩慢增大，組織溫度大于63℃且小于79℃范圍內，血管組織熱傳導率緩慢下降；當溫度大于80℃，由于水分持續減少，含水量的改變對熱傳導率的影響高于溫度改變的影響，此時熱傳導率急劇下降。此外，發現血管組織的熱傳導率-溫度變化規律與組織阻抗-溫度特性所對應的溫度區間吻合，這為進一步分析研究血管組織熱傳導率與溫度的關系和生物組織阻抗與組織溫度特性對應關系提供了依據。本研究結果有助于了解血管組織傳熱機理，為改進電外科血管閉合手術設備和改善溫度的精確控制提供實驗基礎和指導作用。