粗大血管在電外科設備操作環境下的阻抗規律研究

李桂香，吳飛，許為康，譚仲威，黃德群，陳軍

1.廣東省科學院 生物與醫學工程研究所 國家醫療保健器具工程技術研究中心 廣東省醫用電子儀器與高分子材料制品重點實驗室，廣東 廣州 510316；2.廣東省醫療器械研究所，廣東 廣州 510500；3.廣東工業大學 機電工程學院，廣東 廣州 510000

引言

電外科以其手術方便、損傷低、對患者疼痛少等優點，在臨床手術中發揮著越來越重要的作用[1-2]。隨著微創腔鏡手術的發展，能量型外科手術設備成為未來吻合器械發展的主要方向。目前，能量型手術設備的原理是利用射頻水平上的交流電，通過導電元件到達目標組織，當組織抵抗來自電極的電流時，組織中的電能被轉換為熱量，以達到一定的手術效果[3]。實現熱效應取決于電流密度、時間、電極、組織電導率的大小和電流波形的類型等因素[4]。

電外科手術設備在組織切割和血管閉合方面起到十分重要的作用[5]。雙極血管封閉器是一種比較新型的電外科設備[6-7]，其原理是借助兩電極之間的物理性壓迫和電能影響，使電極間所夾持組織發生蛋白變性，從而封閉血管[8]。目前多用于外科手術中小脈管較多的組織如肝葉、肺葉、子宮韌帶的分離等。雙極血管閉合器技術僅少數發達國家擁有，主要包括德國ERBE的百克鉗、美國Covidien的Ligasure，兩者均已通過FDA認證。尤顥等[9]研究表明，通過檢測電極間夾持組織的電阻變化，以主機調控輸出電流功率，可安全閉合最大直徑7 mm的動脈血管，最終被封閉的血管可以抵抗沖擊力達到正常值3倍以上。日本Olympus的超聲刀血管封閉系統是通過機械震動來封閉血管組織，可安全對直徑3 mm的血管進行凝固和切斷[10]。然而，國內尚無同類設備，臨床依賴進口，且此類設備價格昂貴、需專人維護、使用成本高，僅有少數臨床機構配置。隨著血管閉合器臨床應用量的持續增長，研制具有完全自主知識產權的血管閉合器將成為我國介入治療器械研究的熱點[7]。

生物組織具有電阻、電感和電容的特性，會對電路中的電流產生阻礙作用，即阻抗。實時阻抗反饋技術和高頻能量智能輸出控制技術是能量型手術設備兩大關鍵技術[11-12]。血管阻抗在電外科血管閉合設備操作環境下的變化規律是該技術研究和設備研發的前提，而國內外僅有極少報道[13-14]。我國生產的電外科手術設備尚缺少自動檢測電極間目標組織阻抗的功能[5]。雖然電外科血管閉合術有縮短手術時間和利于術后康復等優點，但手術過程中產生的熱量對閉合位置鄰近組織或神經仍存在熱損傷，是該技術需要亟須解決的問題[15-16]。在熱效應的影響因素中，組織電導率為組織電阻的倒數，而組織在能量型手術設備操作下的阻抗變化會引起電流密度的改變，在其他因素不變情況下，熱效應也會變化。在電外科手術設備閉合血管過程中，溫度、電壓、鉗口壓力、電流頻率等都會造成血管阻抗變化[4]。因此，本文研究闡明血管組織阻抗在電壓、電流頻率、手術電極壓力、溫度等電外科血管閉合設備操作環境因素作用下的變化規律，為電外科血管閉合設備的關鍵技術實時阻抗反饋技術研究和突破提供理論和技術基礎。

1 材料與方法

1.1 系統設計

血管阻抗規律實驗系統需要測試電流頻率、溫度、壓力、電壓等變化對血管阻抗的影響。該系統包括電流頻率阻抗測試平臺、溫度阻抗測試平臺、壓力阻抗測試平臺和電壓阻抗測試平臺。其中，頻率阻抗測試平臺和電壓阻抗測試平臺需要恒定電流源激勵，因此高品質的恒流源是血管電阻抗變化規律研究的重要部分。

1.2 恒流源電路設計

血管阻抗規律實驗系統要求激勵電流頻率范圍為200 kHz至1 MHz，電壓輸出范圍為0～400 V。AD844運算放大器內部集成電流鏡電路，基于CC2電流傳輸器技術克服了電流鏡不對稱問題，其電流反饋結構可以實現較好的交流性能和高線性度，電流大小由內阻和反饋電阻決定。ADA4898是一個帶寬為65 MHz，壓擺率為55 V/us的超低噪聲和失真（500 kHz下，-93 dBc）、單位增益穩定、電壓反饋型高速運算放大器，可作為緩沖級，滿足系統要求。電容C是一個交流負反饋，可有效隔除直流信號。AD844的5腳輸出電流由其內阻和R共同決定。5腳輸出電流通過電流電極施加于血管組織中對組織進行激勵。經測試，其輸出阻抗在高頻200 kHz時輸出阻抗可達到200 kΩ，在頻率為1 MHz下可達到210 kΩ，具備很好的恒流性能。圖1為恒流源電路框圖。

圖1 恒流源模塊電路

1.3 血管阻抗規律實驗系統搭建

在電外科設備操作環境單因素情況下血管阻抗規律研究平臺原理圖如圖2所示：① 頻率/電壓阻抗測試平臺，采用恒流源、高精度LCR測試儀（E4980A，安捷倫）、樣品工裝（樹脂3D打?。?、紫銅片電極搭建；② 溫度阻抗測試平臺，采用數顯恒溫水浴鍋（HH-S1，鞏義予華）、高精度LCR測試儀（E4980A，安捷倫）、樣品工裝（樹脂3D打?。y溫儀（TES1310熱電偶溫度計，臺灣泰仕）、紫銅片電極搭建；③ 壓力阻抗測試平臺，采用壓力系統（S型拉壓力傳感器AT8301，江蘇工業衡器）、小型數控雕刻機（3020MAX，新?？萍迹⒏呔萀CR測試儀（E4980A，安捷倫）、樣品工裝（樹脂3D打?。⒆香~片電極搭建。

圖2 血管阻抗規律測試系統

2 結果

基于搭建的血管阻抗規律測試系統，采用離體新西蘭兔較粗大血管進行血管組織阻抗規律研究。

2.1 血管獲取與處理

本研究需要完成血管阻抗測試為血管組織所受電流頻率、溫度、壓力和電壓之間的規律關系研究。為避免各組實驗間的相互影響和確認各組實驗的穩定性，從實驗動物中心挑選采購了8只約1.5 kg的新西蘭兔，每組實驗前以頸部動脈放血處死2只新西蘭兔，從兔脊椎中剝離出16.0～18.0 cm長的兔脊椎大動脈，獲取的血管經清理管腔內部血液等雜質后在SBF模擬體液中置于冰箱冷藏保存12 h。實驗前用0.9%氯化鈉溶液清洗組織，剔除血管表面上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。初步采用游標卡尺測量血管長度和直徑，篩選出長45.0～50.0 mm、直徑5.0～5.5 mm的血管4根，分別將其從一端套入表面光滑的標準塑料輸液管（外直徑4.5 mm、長度約50.0 mm）以撐圓血管，將兩端分別拉至管端用游標卡尺分別測量血管兩端內直徑，以最接近5 mm的為保留端，通過精密切割機（精度0.2 mm）細心切割和處理，制備長（40.0±0.5）mm、直徑（5.1±0.1）mm的2個兔血管樣品（血管壁厚度0.8～0.9 mm）用于測試。為了保證實驗可靠性，后續3組實驗采用同樣步驟制備2個長（40.0±0.5）mm、直徑（5.1±0.1）mm的實驗兔血管樣品。

2.2 血管頻率阻抗關系研究

高頻電外科手術設備采用的信號頻率均大于200 kHz，因此血管溫度阻抗研究過程中，選取頻率范圍為2 0 0～9 5 0 kHz，采用長（40.0±0.5）mm、直徑（5.1±0.1）mm的2個兔血管樣品，實驗2次。每次實驗前將樣品外裹食品級PE膜，放置于恒溫26℃的恒溫水浴鍋加溫2 min，然后取出并去除外裹的食品級PE膜后置于測試工裝中。在環境溫度為26℃情況下，采用LCR精密測量儀記錄血管在頻率范圍為200～950 kHz的恒流源刺激下的阻抗變化。

血管頻率阻抗研究時，以遞增的方式調整信號頻率，LCR精密測量儀不斷采集記錄得到各頻率點的電阻抗值。實驗結果如圖3所示，在手術室溫度為26℃的環境中，長（40.0±0.5）mm、直徑（5.1±0.1）mm的兔血管在200～350 kHz范圍內隨著頻率的增加，實部阻抗降低。虛部阻抗在200～350 kHz范圍內隨著頻率的增加先減小，當頻率在350 kHz時，血管的虛部阻抗達到最小，然后隨著頻率增加又迅速增加直到平穩。

圖3 環境溫度26℃時血管頻率阻抗特性曲線

2.3 血管溫度阻抗關系研究

基于血管頻率阻抗研究發現，長（40.0±0.5）mm、直徑（5.1±0.1）mm的兔血管虛部阻抗在約350 kHz處最小。在測試血管溫度阻抗時，為了盡量減少虛部阻抗的影響，設定恒流源頻率固定為350 kHz，然后通過調節恒溫水浴鍋的目標溫度逐步遞增，精密LCR測量儀不斷采集各整數溫度點下的電阻抗值，以獲得特定頻率下兔血管組織的溫度阻抗特性。采用長（40.0±0.5）mm、直徑（5.1±0.1）mm的兔血管樣品2個，測試恒流源設定為350 kHz條件下實驗2次，研究血管組織在溫度26～65℃范圍下的阻抗變化，結果如圖4所示。兔血管在溫度26～53℃期間隨著溫度增加，血管阻抗先緩慢下降，至53℃左右驟然極速下降，54℃達最低，然后隨著溫度增加驟然反彈后較緩慢增加。

圖4 350 kHz條件下血管阻抗與溫度關系曲線

2.4 血管壓力/電壓阻抗關系研究

血管組織在閉合過程中會受到雙極鉗鉗口的壓力影響，電壓改變時血管組織阻抗也會產生變化。因此，采用長（40.0±0.5） mm、直徑（5.1±0.1） mm的新西蘭兔血管樣品2個，置于壓力阻抗實驗平臺，不斷對血管增加壓力，研究血管阻抗與受壓情況的變化規律，實驗2次；基于頻率阻抗關系研究發現，長（40.0±0.5）mm、直徑（5.1±0.1）mm的兔血管虛部阻抗在約350 kHz處最小，為減少虛部阻抗的趨勢變化影響，研究血管阻抗與電壓關系過程中，設定恒流源刺激頻率為350 kHz，逐漸增大施加電壓，采用精密LCR測量儀采集血管在20～400 V范圍的阻抗變化。結果如圖5所示，兔血管在突然受壓力改變時阻抗迅速降低，然后緩慢降低；兔血管阻抗隨電壓增加而升高，在施加的電壓升高至100 V后血管阻抗迅速增加，之后緩慢增加至保持平穩。

圖5 血管受壓力/電壓變化阻抗曲線

3 討論

本文對健康新西蘭兔較粗大血管在電流頻率、溫度、壓力、電壓等電外科血管閉合設備操作環境影響因素下的阻抗變化規律進行了初步研究。實驗結果表明，在26℃下，長（40.0±0.5）mm、直徑（5.1±0.1）mm的兔血管組織在200～950 kHz范圍內，阻抗實部隨著頻率增加而降低，虛部先降低后升高，在350 kHz時虛部阻抗達最小，表現出頻率轉折特性；在350 kHz恒流源刺激下，血管阻抗隨著溫度增加先緩慢降低，在53～56℃之間出現突然下降和反增，表現出溫度轉折特性；在突然受壓時，血管阻抗先迅速降低，然后緩慢降低；兩端電壓升高時，血管阻抗隨之增加。這與張琴艷等[17]前期研究離體肥肉組織的電阻抗頻率和溫度特性規律一致：離體肥肉組織電阻抗實部隨頻率升高而降低，虛部先降低后升高，在80～120 kHz出現轉折頻率特性；在100 kHz電流頻率刺激下，小于53℃時，組織電阻抗隨溫度升高呈現較緩慢下降趨勢，在53～59℃之間形成一個突變。轉折頻率特性的出現是由于較低頻下電流信號不穿透細胞膜，而隨著頻率的升高交流電流信號穿過細胞膜從內液和外液流通，轉折溫度特性和兩端電壓升高時血管阻抗先增加而后至平穩現象，是由于頻率一定時，溫度升高到某溫度細胞膜破裂導致細胞內液外流，蛋白開始變性凝結，使得組織整體阻抗值發生改變。突然受壓時，血管阻抗迅速降低而后緩慢降低，這類似于皮膚受到拉伸，電位迅速增加，而后緩慢增加[18-19]。徐佳偉[20]研究發現，血管阻抗與血管長度、橫截面積及電阻率有關。不同生物組織間存在較大的阻抗差異[21]。因此，血管阻抗還與含水量、尺寸及材料有關。因此，轉折頻率和轉折溫度點會因血管材料含水量、不同生物血管組織和尺寸不同。在電外科血管閉合設備的關鍵技術實時阻抗反饋技術研究和設備操作過程中需要充分考慮這些影響。

4 結論

本文通過采用恒流源、樣品架、恒溫水浴鍋、測溫儀、信號發生器、LCR測試儀等搭建血管阻抗規律測試系統，初步對新西蘭兔較粗大血管在電外科血管閉合設備操作環境作用下的阻抗變化規律進行了探究。結果表明血管阻抗與電流頻率、溫度、壓力及電壓的變化規律可為醫師操作電外科血管閉合設備提供一定指導，并為該類設備研究的關鍵技術實時阻抗反饋技術研究突破提供基本理論和實驗依據，具有重要意義。