電凝閉合組織含水量變化實(shí)時(shí)反饋控制系統(tǒng)

李　昊,陳明惠

(上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院, 上海　200093)

?

電凝閉合組織含水量變化實(shí)時(shí)反饋控制系統(tǒng)

李昊,陳明惠

(上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)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(shù),從而控制射頻能量的輸出,但阻抗的變化只在當(dāng)組織液沸騰,即射頻能量傳遞的最后階段才發(fā)生,在組織液溫度較低時(shí)則變化不明顯。電凝閉合時(shí)組織的脫水和變性過程其含水量會(huì)發(fā)生改變,特別在溫度上升之初組織含水量會(huì)發(fā)生顯著變化,因此組織含水量可作為射頻輸出實(shí)時(shí)反饋的一個(gè)良好參數(shù)。組織中水分對(duì)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(shí),探測(cè)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(shí)時(shí)反饋,達(dá)到了更安全有效閉合血管的目的。

關(guān)鍵詞：血管閉合; 阻抗; 含水量; 反饋系統(tǒng); 光透射率

引言

隨著外科手術(shù)技術(shù)與器械的發(fā)展,血管閉合技術(shù)已由過去單純的機(jī)械止血,發(fā)展為現(xiàn)代外科條件下的多功能技術(shù)體系,血管閉合技術(shù)大致可以分為機(jī)械結(jié)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(huì)使組織脫水和變性。如果高頻電刀輸出能量過大,會(huì)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(tǒng)的核心在于它的反饋控制,通過參數(shù)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(huì)有明顯的增加,所以使用目標(biāo)阻抗作為反饋量,控制血管的閉合過程是一個(gè)業(yè)界公認(rèn)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(dāng)組織液沸騰,也就是射頻能量傳遞的最后階段才發(fā)生,而在組織液溫度較低時(shí)則變化不明顯[10-12]。組織中的水分對(duì)1 300 nm波段的近紅外光具有很好的吸收性,且電凝閉合時(shí)組織脫水和變性過程含水量發(fā)生改變,特別在溫度上升之初已經(jīng)發(fā)生顯著變化,因而可以在此前的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行優(yōu)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(shí)時(shí)反饋控制。

1實(shí)驗(yàn)

圖1　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖Fig.1　Schematic diagram of experimental system

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示,由驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光二極管作為光源,發(fā)射出1 300 nm波段的近紅外光,先經(jīng)過第一個(gè)凸透鏡(f=10 cm)聚焦形成一個(gè)橢圓形的光斑,然后在凸透鏡的后焦平面使用一個(gè)圓形針孔得到圓形光斑,圓形針孔同時(shí)也處在第二個(gè)凸透鏡(f=10 cm)的焦平面上,第二個(gè)凸透鏡用作準(zhǔn)直鏡,經(jīng)準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直后的光線垂直照射在由有兩片導(dǎo)電玻璃和基于電凝閉合的雞腸組織樣品上。實(shí)驗(yàn)使用透明導(dǎo)體材料代替血管閉合系統(tǒng)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(zhǔn)直后形成的圓形光斑要小于組織樣本,透射光經(jīng)過射頻能量輸出裝置,光線會(huì)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(jīng)過第三個(gè)凸透鏡(f=10 cm),對(duì)這些有效光線進(jìn)行聚焦,形成一個(gè)小的圓形光斑,并且確保這個(gè)形成的光斑必須要小于光電探測(cè)器的接收部分的截面。在透鏡的焦平面處放置光電探測(cè)器,光電探測(cè)器在接收到這些光信號(hào)后便開始利用光電效應(yīng)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成微弱的電信號(hào),并通過濾波放大電路將信號(hào)放大并過濾噪聲,然后信號(hào)通過DAQ數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)。最后在電腦上用LabVIEW對(duì)這些電信號(hào)進(jìn)行編輯和運(yùn)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(jìn)而得到所檢測(cè)物中水分含量的變化。

圖2　光學(xué)檢測(cè)水分含量變化程序平臺(tái)Fig.2　Program chart of optical detection system for detecting moisture content change

實(shí)驗(yàn)中光路需要嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn),且盡量不受外界光線的影響。實(shí)驗(yàn)采用透明導(dǎo)體作為電極,保證近紅外光不被導(dǎo)體大量吸收,該透明導(dǎo)體可以向組織傳遞射頻電流,透明導(dǎo)體模擬雙極型電極,透明導(dǎo)體的夾持力度也要相當(dāng)大,而且還要避免透明導(dǎo)體在高功率的射頻電流下破碎。將上述硬件電路、光學(xué)設(shè)備和軟件程序進(jìn)行整合,搭建出生物組織水分含量變化情況檢測(cè)模塊。如圖2所示為水分含量變化情況檢測(cè)的LabVIEW程序,利用軟件程序完成信號(hào)的采集與分析,光電探測(cè)器及其濾波放大電路將透射光強(qiáng)轉(zhuǎn)化為模擬電信號(hào),利用DAQ數(shù)據(jù)采集卡將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)并傳輸?shù)接?jì)算機(jī),通過程序?qū)λ眯盘?hào)進(jìn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示,在光路準(zhǔn)直后和沒有阻擋的情況下,電壓保持穩(wěn)定并維持在近乎滿量程的狀態(tài),約為4.7 V,且沒有干擾信號(hào)。在全阻擋和所用的檢測(cè)光波完全不產(chǎn)生作用的情況下,檢測(cè)到電壓幅值約為0.25 V,電壓接近零電位并且維持穩(wěn)定,無明顯變化。說明實(shí)驗(yàn)獲得了更高的準(zhǔn)確性,保證了光電探測(cè)器全部接收有效的光信號(hào),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(cè)試過程選取雞腸為測(cè)試樣本,采集實(shí)驗(yàn)樣品測(cè)試前后的電壓值,其檢測(cè)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(shí)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(shí)的電壓值

圖4　樣品測(cè)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(dá)到最低點(diǎn),伴隨實(shí)驗(yàn)過程中開始出現(xiàn)水分逃逸現(xiàn)象,之后回升至接近電壓幅值最大值處,過程中狀態(tài)變化明顯,水分蒸干加劇,到達(dá)幅值最大點(diǎn)時(shí)停止輸出能量作為閉合時(shí)刻,并采集電壓信號(hào)直到300 s。

圖5　檢測(cè)電壓變化曲線Fig.5　Voltage curve

從采集透過樣品組織的光,轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后,隨時(shí)間變化曲線如圖5所示,組織中含水量隨時(shí)間變化趨勢(shì)也可以反映阻抗的變化。從整體的趨勢(shì)可以看出,隨著射頻能量作用時(shí)間的增加,組織內(nèi)水分蒸發(fā)逐漸加快,阻抗也在迅速上升,當(dāng)電壓保持在最大值,說明組織中的水分已經(jīng)基本蒸發(fā)完,組織變成干燥透明的凝結(jié)帶,組織阻抗這時(shí)也趨于穩(wěn)定。

在檢測(cè)電壓變化曲線的數(shù)據(jù)中,輸出功率和組織直徑均不相同,都會(huì)引起數(shù)據(jù)的起始電壓和作用時(shí)間的不相同,但閉合過程中都出現(xiàn)了曲線先下降后上升的趨勢(shì),最后均升至電壓幅值最高點(diǎn)。閉合過程中有先降后升的趨勢(shì),原因可能是所用的檢測(cè)光波長為1 300 nm,接近液態(tài)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(tài)存在,對(duì)該波長的光線透過性較好。初始檢測(cè)電壓不同的成因可能是生物組織含水量和水分形態(tài)不同。在射頻能量作用開始后,目標(biāo)雞腸樣品所含水分由于能量轉(zhuǎn)換導(dǎo)致升溫發(fā)生形態(tài)改變,液態(tài)水含量增加,對(duì)檢測(cè)光線的吸收作用加強(qiáng),導(dǎo)致電壓下降。隨著能量作用的持續(xù)溫度繼續(xù)升高,水分從聚合態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)的轉(zhuǎn)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(duì)檢測(cè)光線的吸收作用隨之降低,電壓持續(xù)升高。在水分被蒸干時(shí),光透射量達(dá)到最強(qiáng),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(shí)檢測(cè)電壓均升至相同的電壓幅值完成閉合,到達(dá)最大值處時(shí)曲線均有明顯的彎折。

3結(jié)論

實(shí)時(shí)和智能化檢測(cè)各參數(shù)是高頻電刀的發(fā)展趨勢(shì),在臨床運(yùn)用中有很重要的臨床意義。生物組織閉合機(jī)理和組織含水量檢測(cè)系統(tǒng)的智能化對(duì)高頻電刀的發(fā)展提供了參考。本文在之前的研究基礎(chǔ)上[13],對(duì)整個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)和軟件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),系統(tǒng)光路的搭建進(jìn)一步的規(guī)范和優(yōu)化,準(zhǔn)直部分利用凸透鏡嚴(yán)格對(duì)光線均勻照射在樣品上,穿透樣品后并聚焦在光電探測(cè)器上,將達(dá)到了較為理想的效果。雞腸樣品在測(cè)試前后的電壓值對(duì)比明顯,充分說明實(shí)驗(yàn)的有效性和可行性。

通過分析和檢測(cè)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(zhì)變化的情況,為綜合分析變化過程提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)和系統(tǒng)平臺(tái)。該系統(tǒng)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(duì)側(cè)接收并檢測(cè)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(huì)改變,通過對(duì)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(tǒng)能夠初步實(shí)現(xiàn)對(duì)生物組織水分變化情況的檢測(cè),具有良好的拓展研究前景。系統(tǒng)能夠初步通過光透射率實(shí)現(xiàn)對(duì)生物組織水分變化情況的檢測(cè),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(yīng)該結(jié)合其它的反饋裝置系統(tǒng)確保手術(shù)的安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]FLOUME T,SYMS R R A,DARZI A W,et al.Optical,thermal,and electrical monitoring of radio-frequency tissue modification [J].Journal of Biomedical Optics,2010,15(1):018003.

[2]張民,徐迅.用LabVIEW和數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)[J].北方交通大學(xué)學(xué)報(bào),2000,24(5):78-81.

[3]代文杰,姜洪池,喬海泉等.外科臨床止血技術(shù)的進(jìn)展[J].中國普外基礎(chǔ)與臨床雜志,1997,6(4):260-261.

[4]SCHUELE G,VITKIN E,HUIE P,et al.Optical spectroscopy noninvasively monitors response of organelles to cellular stress[J].Journal of Biomedical Optics,2005(5):051404.

[5]RAMASWAMY B,YEH Y T T,ZHENG S Y.Microfluidic device and system for point-of-care blood coagulation measurement based on electrical impedance sensing[J].Sensors and Actuators B:Chemical,2013,180:21-27.

[6]GRASSO G,GIAMBARTINO F,IACOPINO D G.Hemostasis in brain tumor surgery using the Aquamantys system[J].Medical science monitor:international medical journal of experimental and clinical research,2014,20:538-543.

[7]ZHANG Y X,WANG Z,YE W H,et al.Enhancement of polyaniline’s electrical conductivity by coagulation polymerization[J].Colloid and Polymer Science,2013,291(12):2 903-2 910.

[8]許棠,張春平,王新宇,等.用 CCD 測(cè)量生物組織的漫反射率和透射率[J].光譜學(xué)與光譜分析,2004,24(4):392-395.

[9]徐向群,吳柳.不同結(jié)構(gòu)生物組織光透明作用比較[J].中國激光,2006,33(7):998-1 002.

[10]趙友全,范世福,李小霞.生物組織光熱傳輸和熱損傷的研究[J].中國激光,2004,31(5):631-634.

[11]丁海峰,黃梅珍,童雅星,等.激光輻照下皮膚組織光熱響應(yīng)有限元分析[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2008,28(10):1 983-1 988.

[12]BELLO O,HAMAM Y,DJOUANI K.Fuzzy dynamic modelling and predictive control of a coagulation chemical dosing unit for water treatment plants[J].Journal of Electrical Systems and Information Technology,2014,1(2):129-143.

[13]宋成利,李昊,陳晟達(dá),等.射頻能量作用下生物組織含水量測(cè)量系統(tǒng)[J].光學(xué)儀器,2014,36(4):283-286.

(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(hào)：O 433

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1005-5630.2016.01.013

作者簡(jiǎn)介：李昊(1990—),男,碩士研究生,主要從事光學(xué)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(yī)學(xué)光學(xué)方面的研究。E-mail:mchen@usst.edu.cn

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(61308115); 上海市自然科學(xué)基金(13ZR1457900); 上海高校青年教師培養(yǎng)資助計(jì)劃項(xiàng)目(zzslg12017)

收稿日期：2015-06-01