引言

外科手术中,通常会涉及到病变组织的摘除,该过程操作复杂,常发生出血,影响了手术的效率和安全性。手术中有效的止血能缩短手术时间,减轻患者痛苦,提高手术安全性^[1]。以往止血多采用机械式方法,不仅对医生的操作手法要求高且耗时长,还增加了手术风险。血管闭合技术大致可以分为机械结扎闭合、药物凝血闭合和基于能量的闭合三大类^[2,3,4]。近20年,随着现代医学理论和手术器械的发展,微创外科手术得以推广^[5]。在微创外科的腹腔镜手术中,出现了多种依靠能量闭合血管的方法,这些方法能够稳定、安全地闭合血管,在提升速度的同时对非作用区域创伤较小,降低了术后并发症的风险。

射频能量闭合装置是利用频率为100～5 000 kHz的大功率电能作用于被器械夹持的管腔组织,实现对组织进行精准闭合的电外科手术设备^[6]。主要功能是由能量输出装置、反馈控制装置以及器械前端夹头三个部分来实现。

国际上较为先进的射频闭合设备功能模式相当完善,各种专用器械配件种类多样,可以满足各种外科手术的临床使用要求。目前众多外国厂商都有比较成熟的射频能量双极闭合系统,其中美国Valleylab公司和德国ERBE公司的相关产品通过了美国食品药物管理局认证。国内目前有多家企业生产高频电刀,其中上海沪通电子有限公司和北京贝林电子有限公司等在生产研发方面积累了比较丰富的经验。但国内研发的整体实力仍然与国外先进水平存在较大差距,关键元器件不能独立生产。在高端的数字控制能量输出方面,国内尚无成形产品,该领域依然被国外产品垄断^[7]。

本研究设计一种通过检测透射光强来测定水分含量变化情况的系统,以射频能量系统作为能量源,在满足加压、传输电能功能,同时还可以观测组织性质变化,利用光学方式对射频作用过程中水分含量变化情况进行采集和检测,通过光透射谱的强度变化转化为电信号并利用计算机分析处理,观察检测电压值的变化情况与对应的生物性质变化情况即闭合效果之间的关系;同时还利用阻抗检测方式共同检测生物组织在射频能量作用下的变化。

1 生物组织水分含量测量系统搭建

对生物组织水分含量变化情况进行检测,需要研发相应模块,配合模拟前端器械夹具进行研究^[8]。该模块由检测电路、光学设备以及软件程序三部分组成,其中检测电路包括控制近红外发光二级管及其驱动电路、接收入射光信号的光电探测器滤波放大电路、采集模拟信号并转化为数字信号的DAQ数据采集卡;光学设备为固定并调整光电二极管的光纤耦合器及空间滤波器;软件程序为利用LabVIEW编写的程序系统。

本实验研究需要将组织作用于射频能量下,并利用水吸收峰附近波长的光照射被作用组织,通过组织中的水分对光的吸收,在组织的对侧接收透射光。由于射频能量作用过程中组织的水分含量发生变化,对光的吸收逐渐减少,透射光强增加。在该过程中,需要选用波长范围适当并且性能稳定的发光二级管与光电二极管。

液态水在红外线波长范围有两个吸收峰,分别是在1 600 nm附近以及3 000 nm附近。在实验研究中,检测光束需要透过被检测生物组织以及两侧的AZO透明导体膜材料和玻璃衬底材料,其中AZO透明导体膜材料的近红外光透射率约为87.8%,其衬底材料为浮法玻璃,虽然浮法玻璃可以在一定范围的红外光波长下有较好的透射效果,但在整个波长范围内的透射效果并不理想。此外,被检测生物组织在电极的压合下形成厚度约为1 mm的组织平面,红外光线难以穿透。为获得较充足的透射光量,因此选用1 600 nm附近的近红外光作为检测光。

光电检测电路主要由两部分组成,分别是发光二级管及其驱动电路,以及光电探测器及其滤波放大电路,检测电路需要高效稳定的运行,将透射光通过光电探测器转化为微弱的电信号,并通过滤波放大电路将信号放大并过滤噪声。

信号经过光电探测器转化后会通过多级放大并通过DAQ数据采集卡采集,采集卡设定的电压检测范围是需要预先选定的,电压检测范围大的可以检测完整的电压变化情况,但是对于较精确的信号需要用尽量小的检测范围采集以保证检测精度,需要保证信号变化范围不超过量程,从而使采集的电压变化情况被完整而又精确地采集。硬件框图如图 1所示,驱动电路驱动的近红外发光二极管为光源,近红外光经过被测组织后,透射光经光电检测器探测和滤波放大后,由数据采集卡采样到计算机。

图 1

Fig. 1

图 1 系统示意图 Fig. 1 Schematic diagram of the system

近红外发光二级管需要在稳定的电源驱动下才能输出强度平稳的检测光线,设计驱动电路,从而保证其光强可调并且稳定,该驱动电路将220 V交流电压转换为5 V的稳定直流电压作为电源,选用高精度元件提供稳定的电源电压,从而保证电路输出功率稳定,产生光强恒定的检测光源;并且可以调节与近红外发光二极管串联的电位器电阻值,实现对检测光源光强度的控制,不出现超量程的情况。

光电探测器滤波放大电路:

FCI-InGaAs-1500-X光电探测器可以探测1 100～1 620 nm波长范围的光,但由于接收到的通过生物组织的透射光强很弱,相应的电压幅值也较小,无法直接用DAQ数据采集卡进行采集,并且实际应用中透射光强变化迅速,需要系统迅速响应。为此采用滤波放大电路,在该滤波放大电路中,多次运算放大,并利用差分放大器滤波,抑制共模信号,产生为DAQ数据采集卡可以检测的稳定信号的电压幅值。

采用光纤耦合器和空间滤波器将发光二极管和光电探测器固定并可以对光路进行微调,由于检测光的强度较高并且工作环境相对稳定,维持光学元件稳定的设备就可以满足实验需要。在实际使用中,将 导线引出连接发光二级管和光电二极管,利用热缩管将相应的导线和元件固定并嵌于光纤耦合器的通道中,利用标尺丈量元件之间的距离,调整基座位置并旋转空间耦合器方向,将元件对准并固定。

软件程序由DAQ数据采集卡和LabVIEW程序实现,完成信号的采集与分析,光电探测器及其滤波放大电路将透射光强转化为模拟电信号,利用DAQ数据采集卡将采集到的模拟信号转化为数字信号并传输到计算机,通过程序对所得信号进行处理,在程序界面显示射频能量作用过程中电压变化的完整曲线并保存。将硬件电路、光学系统和软件程序进行整合,搭建出生物组织水分含量变化情况检测模块,实物图如图 2所示。

图 2

Fig. 2

图 2 光学检测水分含量变化系统 Fig. 2 The system of optical detection of water content changes

将成年活鸡进行屠宰,取出鸡肠,清洗并剥离附着表面的油脂等杂物,选取直径较宽并且肠壁完整的鸡肠,利用手术剪将其中直径约7 mm的部分剪切成4 cm长的实验样品,放置于4 ℃环境并覆盖湿纱布保鲜以备实验;利用选定的能量装置输出射频能量,通过导体玻璃夹持生物组织进行作用,其中利用检测光路透过观察装置采集组织水分变化情况,并在计算机中采集数据。

选取一组样本,电凝闭合器功率为25 W,组织的直径为7 mm,共同采集闭合过程中阻抗和光透射量,所得结果如图 3所示。可以看到,在水分变化量检测出现到达幅值最大值的时刻阻抗值依然小幅上升。

从阻抗和含水量变化情况可以看出,水分蒸干导致检测电压先于阻抗值升至最大,并且闭合完成时刻检测电压变化明显,利于分析处理。以含水量变化情况作为检测方式控制射频能量输出,所得爆破压低于采用手术器械闭合的爆破压,但通过两种检测方式所得的闭合效果没有进行系统的比较处理,并且搭建的观察装置和导体玻璃在结构和机械性能上存在精度较低的问题,会对闭合产生影响,现阶段也无法对两种方式的检测效果进行客观评估比较。

图 3

Fig. 3

图 3 闭合过程中组织阻抗和光透射量 Fig. 3 Impedance and light transmission conditions corresponding to the amplitude of the voltage

选用直径7 mm的鸡肠剖开,展平后利用玻璃电极夹持,作用功率为35 W射频能量,作用时间为97 s,将作用完成后的组织制作成病理切片,如图 4。使用35 W恒功率作用97 s,该过程电极外表面达到的最高温度为110 ℃。鸡肠子病理切片图(横切)放大倍数20倍,由图可见黏膜层的破损较为严重,对浆膜层也造成了明显的裂痕,如图 4中箭头指示。

图 4

Fig. 4

图 4 作用功率35 W,时间97 s的组织病理切片图 Fig. 4 Pathological section with the condition of 97-second 35 W RF energy

通过上述实验和分析,说明利用近红外光透射谱可以进行水分含量变化情况的检测;在射频输出功率较低的情况下,透明导体玻璃电极可以稳定工作,利用水分含量变化情况作为能量输出的控制参数可以对组织进行较为有效的闭合,闭合所需的时间比阻抗检测所需时间略短。

3 结 论

具有智能控制系统的射频能量闭合装置是高频电刀的发展趋势,在临床运用中有更广泛的前景。分析闭合机理和综合运用性质变化参数发展智能控制系统具有重要的意义,本文针对这方面进行了研究。通过分析和检测生物组织闭合过程中水分含量的变化情况,得到生物组织在射频能量作用过程中性质变化的情况,为综合分析变化过程提供实验依据和系统平台。该系统利用一束特定波长的近红外光照射射频能量作用组织,在组织的对侧接收并检测透射光,该波长是水的吸收峰,在射频闭合作用过程中,透射光量会改变,通过对透射光变化情况的采集分析就可以了解组织水分的变化情况。搭建的系统能够初步实现对生物组织水分变化情况的检测,具有良好的研究前景。