人造肛門括約肌經(jīng)皮無線供能系統(tǒng)安全性及相容性分析

楊 辰，顏國正，周澤潤，華芳芳

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院; 醫(yī)療機器人研究院，上海 200240)

肛門失禁(FI)是指人體腸道內(nèi)容物不受生理控制產(chǎn)生自溢出的病癥.FI病因有多種，且總會給患者的正常生活帶來極大的困擾.相關(guān)文獻記載，肛門失禁是最令患者心理崩潰和社交恐懼的疾病之一[1].根據(jù)Pretlove等[2]的研究，F(xiàn)I發(fā)病率與年齡呈正相關(guān).一項在新西蘭與澳大利亞的研究表明：老年人中肛門失禁的總發(fā)病率約為12%～13%，而因老年護理住院的老者患病率最高達50%[3].

隨著我國人口老齡化的加劇，F(xiàn)I患病率提升的嚴峻形勢可被預(yù)見.而目前FI的治療方法效果不佳，無法達到患者的心理預(yù)期且常伴有部分后遺癥[4-7].而采用經(jīng)皮無線供能(TET)技術(shù)的新型肛門括約肌系統(tǒng)相較傳統(tǒng)手動、一次性電池供電或拖線供能括約肌系統(tǒng)具有植入方便、保護患者隱私、能量供給可重復(fù)使用等優(yōu)點.TET系統(tǒng)是一種短距離、跨越皮膚的無線供能系統(tǒng)，通過發(fā)射線圈與接收線圈之間的交變磁場來傳輸電能.目前，TET系統(tǒng)已運用于人造器官的供能.Kaga 等[8]就成功地為心室輔助裝置設(shè)計了一款工作頻率在500 kHz，效率最高為91.82%的TET系統(tǒng).

然而，TET系統(tǒng)在人造肛門括約肌(AAS)系統(tǒng)中的運用也帶來了生物安全性及相容性方面的問題.昝鵬等[9]對TET系統(tǒng)的電磁相容性進行了仿真分析，得出非對稱松耦合TET系統(tǒng)的電磁相容性良好的結(jié)論.Xiao等[10]針對心臟起搏器的TET系統(tǒng)進行了充電實驗與安全性仿真，仿真結(jié)果表明低電流、小功率的經(jīng)皮無線供能系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁輻射對于人體大腦的影響幾乎可以忽略.Zhou等[11]對人造肛門括約肌的TET系統(tǒng)進行了分析，針對穩(wěn)壓器進行了專門的優(yōu)化，有效降低了TET工作過程中的升溫情況.

以往研究大多局限于TET系統(tǒng)生物安全性的某方面如電磁輻射量或發(fā)熱量.本文針對TET系統(tǒng)的電磁輻射、溫升等進行研究，結(jié)合生物相容性對TET系統(tǒng)的植入性能進行一體化分析，為人造肛門括約肌的人體實驗奠定基礎(chǔ).

1 TET系統(tǒng)生物電磁安全性研究

1.1 TET系統(tǒng)的構(gòu)成

人造肛門括約肌系統(tǒng)主要由體內(nèi)部分和體外部分構(gòu)成，體內(nèi)部分主要包括括約肌主體機構(gòu)及接收線圈，體外部分分為體外控制系統(tǒng)、發(fā)射線圈以及體外供能系統(tǒng)，如圖1所示.

圖1 人造肛門括約肌系統(tǒng)示意圖

括約肌主體機構(gòu)通過調(diào)節(jié)肛腸角完成控便、排便操作，機構(gòu)配備壓力傳感器記錄腸道壓力數(shù)據(jù).體外控制器通過通訊芯片發(fā)送控制指令到達機構(gòu)，同時接收機構(gòu)記錄的壓力數(shù)據(jù)并在壓力值到達預(yù)設(shè)閾值時發(fā)出提醒.AAS系統(tǒng)的典型TET系統(tǒng)示意圖如圖2所示.其主要由發(fā)射電源、發(fā)射線圈、接收線圈、整流器、穩(wěn)壓器、電源管理模塊、鋰離子電池及后續(xù)的主體機構(gòu)構(gòu)成.發(fā)射電源為發(fā)射線圈提供交變電流，兩線圈通過電磁感應(yīng)傳輸電能.感應(yīng)電流經(jīng)過后續(xù)的整流穩(wěn)壓以及電源管理模塊為電池充電的同時也為后續(xù)系統(tǒng)供能.

圖2 AAS系統(tǒng)的典型TET系統(tǒng)示意圖

1.2 比吸收率

電磁輻射對人體的作用機理復(fù)雜，常采用比吸收率(SAR)定量分析電磁波與生物體之間的相互作用程度[12].SAR為物體單位質(zhì)量在單位時間內(nèi)吸收的電磁能量，計算公式為

(1)

式中：m為受影響組織質(zhì)量；V為受影響組織體積；W為組織所吸收的電磁輻射能量；E為電場強度；ρ為組織液密度；σ為組織液電導(dǎo)率.基于SAR的定義，常用的生物電磁安全性標準參考量還有SAR1g和SAR10g，分別表示1 g生物體單位時間內(nèi)吸收的平均能量和10 g生物體單位時間內(nèi)吸收的平均能量.SAR能表征電磁輻射熱效應(yīng)，無外部熱傳遞時，對典型軟組織施加強度為1 W/kg的電磁輻射，其溫度升高速率為0.018 ℃/min[13].

1.3 人造肛門括約肌的TET系統(tǒng)電磁安全性仿真研究

1.3.1線圈參數(shù)設(shè)計 AAS為一種在體長期工作人造器官，充電不可過于頻繁，同時為減少患者充電過程中的不便，充電時間應(yīng)盡量縮短.專業(yè)醫(yī)生建議整個TET系統(tǒng)厚度應(yīng)控制在8 mm內(nèi)，否則將給植入手術(shù)及患者日常生活帶來諸多不便[11].本文根據(jù)以上系統(tǒng)需求及目前實際使用的TET系統(tǒng)進行線圈建模，具體參數(shù)如表1所示.

表1 線圈參數(shù)

仿真中，線圈間傳輸頻率為110 kHz，發(fā)射線圈發(fā)射功率為10 W，使用阻值為8.2 Ω的電阻等效替代接收線圈的后續(xù)負載，測得負載實際接收功率為2.13 W.由于在實際能量傳輸過程中，發(fā)射線圈使用趨膚效應(yīng)較弱的Litz線繞制成平面螺線圈狀，且發(fā)射線圈中的電流遠大于接收線圈中的電流，發(fā)射線圈的電磁場也遠大于接收線圈，所以仿真驗證主要針對發(fā)射線圈.對發(fā)射線圈模型進行簡化，使用有限密繞螺線管模型來模擬發(fā)射線圈，該模型已被證明電磁場強度分布與實際線圈相似[14].

發(fā)射線圈安裝在錳鋅鐵氧體材料上，這種線圈結(jié)構(gòu)能夠屏蔽非目標方向高頻磁場，增強線圈之間的電磁場，提高磁通量密度.為發(fā)射線圈配備厚度為0.25 mm，直徑為48 mm的圓柱形錳鋅鐵氧體層，如圖3(a)所示.

寫作是指學(xué)生以文字的形式來描述自己的經(jīng)歷與真情實感。但是在這個過程中，多數(shù)學(xué)生為了完成老師留下來的任務(wù)而應(yīng)付式的寫作。由于缺乏教師針對性的指導(dǎo)，很多學(xué)生不重視實際生活中素材積累的意識，在寫作的過程中多是以模仿的形式去創(chuàng)作，缺乏自己的真實情感，導(dǎo)致創(chuàng)作出來的文章太過形式化，毫無獨特性。還有普遍的虛假作文、“造文”現(xiàn)象非常嚴重，作為缺少創(chuàng)新，文章缺少靈性。

圖3 線圈與人體仿真模型

1.3.2人體結(jié)構(gòu)仿真及結(jié)果 為衡量TET系統(tǒng)對人體產(chǎn)生的最大SAR值是否超出安全限制，使用Zhang等[15]完成的中國數(shù)字可視化人體圖像構(gòu)建高精度人體電磁計算模型，如圖3(b)所示.此人體數(shù)據(jù)相較于歐美數(shù)據(jù)更貼近中國人體，構(gòu)建的模型高度為170 cm，質(zhì)量為65 kg.在有限元軟件HFSS中將模型進行網(wǎng)格劃分后，對發(fā)射線圈施加10 W正弦激勵并分配輻射邊界條件.

由于在實際實驗過程中，發(fā)射線圈放置在正對人體腹部、距離人體5 mm處，所以仿真設(shè)計也放置于腹部外5 mm處.通過有限元分析重點研究了發(fā)射線圈附近人體組織的電磁能量吸收情況，并通過后處理獲得了SAR分布及電場分布圖.沿剖面線的SAR1g及SAR10g分布如圖4(a)所示.其中：L為該點與剖面線原點的距離.人體模型接收到的SAR1g最大值為13.11 mW/kg，出現(xiàn)在距離皮膚表層4 mm處；SAR10g的走勢與SAR1g基本相同，最大值為 4.4 mW/kg，且均隨與發(fā)射線圈距離的增大而減小.仿真得到的模型全身平均SAR值為49.472 μW/kg，電場強度的最大值為 9.622 1 V/m，電場強度分布如圖4(b)所示.

圖4 仿真分析結(jié)果

1.4 分析與討論

目前，國際通用的SAR安全標準有國際非電離輻射防護委員會(ICNIRP)制定的IEEE1528SAR-200x標準與美國國家標準學(xué)會制定的ANSI/IEEE標準.IEEE1528SAR-200x標準規(guī)定在非受控電磁環(huán)境下生物組織的SAR10g應(yīng)低于2 W/kg.ANSI/IEEE標準則規(guī)定在任意連續(xù)的30 min內(nèi)，生物組織的SAR1g應(yīng)不大于1.6 W/kg[16].ICNIRP認為對于普通民眾而言，110 kHz下的安全電場強度應(yīng)不高于11.85 V/m[17].

表2 不同標準對于SAR的不同要求

本實驗所采用的TET系統(tǒng)最大SAR1g值為13.11 mW/kg，完全符合各項SAR值安全標準，產(chǎn)生的最大電場強度為 9.622 1 V/m，低于ICNIRP規(guī)定的安全標準的11.85 V/m.證明在此TET系統(tǒng)形成的電磁場中，人體受到的電磁輻射劑量完全符合國內(nèi)外電磁輻射安全標準，此系統(tǒng)具有優(yōu)異的生物電磁安全性.

2 TET系統(tǒng)溫控安全性實驗

2.1 溫控安全性

生物安全性包括生物電磁安全性及溫控安全性.過度的升溫會改變細胞膜流動性和通透性，導(dǎo)致細胞質(zhì)被破壞；抑制細胞內(nèi)DNA、RNA 及蛋白質(zhì)的合成和修復(fù)，導(dǎo)致細胞無法正常工作甚至凋亡.研究認為接收線圈的溫度應(yīng)低于42.5 ℃[18]，正常人體腹腔溫度接近肛溫，為36.5～37.7 ℃，則按照最嚴格標準，接收線圈升溫不得超過4.8 ℃.

2.2 充電實驗

溫控實驗的TET系統(tǒng)與仿真規(guī)格一致，充電電池采用標稱電壓3.7 V，充電終止電壓為4.2 V，放電終止電壓為3.2 V，容量為 3 420 C的聚合物鋰電池.為發(fā)射線圈配置耦合電容使諧振頻率為110 kHz，調(diào)整發(fā)射電源的輸出功率為10 W，在發(fā)射線圈與接收線圈之間墊入厚度為5 mm的豬皮及5 mm的塑料墊片作為中間介質(zhì)，每隔3 min記錄發(fā)射線圈下表面溫度以及接收線圈上表面溫度，同時記錄下電池電壓，3次充電實驗的平均實驗結(jié)果如圖5所示.其中：t為充電時間；U為電池電壓；ΔT為平均溫度變化量.

圖5 體外充電實驗結(jié)果

2.3 體外充電實驗結(jié)果

實際上，接收線圈、電池以及電路芯片均封裝在接收線圈外殼內(nèi)，因此接收線圈表面平均溫度變化量正是TET系統(tǒng)實際所造成的溫度變化量.實驗結(jié)果表明，TET系統(tǒng)工作過程中，兩線圈溫度均不斷上升，經(jīng)過30 min的高速充電，接收線圈表面溫升僅2.81 ℃.在41 min后，接收線圈升溫3.86 ℃，發(fā)射線圈升溫7.32 ℃.因此，為保障TET系統(tǒng)在工作過程中的溫控安全性，應(yīng)對充電時長進行限制，且避免發(fā)射線圈直接接觸人體皮膚.

3 活體實驗

3.1 植入手術(shù)

對標號為1號與2號的兩頭健康巴馬仔豬進行植入手術(shù)，手術(shù)由上海市浦東新區(qū)人民醫(yī)院的醫(yī)生實施.植入過程如圖6所示.手術(shù)時，仔豬下腹開約8 cm切口，取直腸，將AAS主體機構(gòu)套裝在直腸末端；確認機構(gòu)正常工作后，埋回直腸與機構(gòu)；將接收線圈埋入仔豬腹股溝位置皮下近5 mm處，關(guān)腹；對仔豬肛門消毒，人為摧毀內(nèi)外括約肌.兩臺手術(shù)分別耗時51和67 min，手術(shù)順利，無任何并發(fā)癥.

圖6 植入過程

3.2 血常規(guī)檢查

手術(shù)后兩頭仔豬均失去控便的能力，恢復(fù)情況均良好.在手術(shù)前及2周康復(fù)期后，均對兩頭仔豬的血樣進行血常規(guī)檢查，所測得的各項血液參數(shù)如表3所示.

植入后兩仔豬的白細胞含量分別下降36%和42.46%，血小板含量分別下降35.5%和21.88%，其余指標與健康巴馬仔豬無異.整個實驗過程中并未對仔豬進行放射治療，仔豬白細胞偏低為注射抗生素導(dǎo)致.康復(fù)期間為控制仔豬體重，一直嚴格控制仔豬飲食，導(dǎo)致仔豬存在營養(yǎng)不良、血小板含量偏低的情況.

3.3 活體溫控實驗

康復(fù)期結(jié)束后立即進行活體溫控實驗.當前TET系統(tǒng)供能時需要線圈間距離適中，對心耦合，以達到最佳充電效率.因此對仔豬進行麻醉，四腿固定、腹部朝上、墊上墊片，手動尋找對心位置進行充電實驗，并通過接受線圈內(nèi)置的溫度傳感器進行溫度記錄.

實驗開始時室溫為26.2 ℃，仔豬皮膚表面溫度均為40.1 ℃.基于體外溫控實驗結(jié)論，充電時長控制為30 min，每隔3 min記錄一次接收線圈溫度，實驗結(jié)果如圖7所示.在30 min充電后，1號TET系統(tǒng)接收線圈升溫最大值為3.12 ℃；2號TET系統(tǒng)接收線圈升溫最大值為2.92 ℃，均低于4.8 ℃，證明TET系統(tǒng)在合理控制充電時長情況下具有良好溫控安全性.

圖7 活體實驗充電數(shù)據(jù)

3.4 切片染色實驗

在AAS系統(tǒng)植入7周以后，對仔豬進行解剖，解剖的過程中沒有發(fā)現(xiàn)仔豬組織出現(xiàn)熱誘導(dǎo)組織學(xué)損傷，因此主刀醫(yī)生做出TET系統(tǒng)溫控安全的判斷.仔豬增生平均厚度為1.72 mm，相較于前一代尼龍材料的2.84 mm減小了39.44%.切取接收線圈附近的組織進行病理檢查，包括蘇木精-伊紅(HE)染色與Masson三色染色，兩種染色結(jié)果如圖8所示.由圖8可以知道，HE染色中組織呈白色堅韌塊狀，細胞漿難以著色，細胞核可見大量驗證細胞浸潤；Masson染色可見大量膠原纖維著色，少見彈力纖維著色；說明植入處增生為皮下膠原纖維組織，沒有出現(xiàn)感染.與表面為尼龍12材料的接收線圈病理檢查結(jié)果對比，PEEK材料周圍的增生更加細小致密，與正常未植入的組織相似，展現(xiàn)了此系統(tǒng)優(yōu)異的生物安全性.

圖8 巴馬仔豬的切片染色實驗結(jié)果

3.5 活體實驗結(jié)果

活體實驗驗證了TET系統(tǒng)的溫控安全性與生物相容性.對兩頭仔豬分別進行30 min快速充電產(chǎn)生的溫升分別為3.12 ℃和2.92 ℃，較體外實驗稍有增加，但均低于4.8 ℃的安全限制.血常規(guī)檢查表明，TET系統(tǒng)的植入對仔豬并未造成病理性改變.切片染色實驗表明，TET系統(tǒng)表面的增生主要為細小致密的皮下膠原纖維組織，證明此TET系統(tǒng)的生物相容性良好.

4 結(jié)語

本文基于人體模型仿真與實驗相結(jié)合的研究方法，對AAS系統(tǒng)的TET模塊的生物安全性與相容性進行相關(guān)研究.最終結(jié)果證明，AAS系統(tǒng)所使用的TET模塊具有良好的生物安全性與相容性，其產(chǎn)生的電磁輻射量遠低于國際標準；供能過程溫升低于安全閾值；系統(tǒng)植入對周圍組織無顯著影響.研究驗證了TET模塊的安全性，為后續(xù)AAS系統(tǒng)進行人體實驗提供了強有力的理論與實驗支撐.此方法不僅能夠用于AAS系統(tǒng)的研究，還可用于其他存在電磁輻射的醫(yī)用植入設(shè)備中.

目前系統(tǒng)仍存在一些問題：需控制充電時長、操作依賴人工、受仔豬掙扎影響大等.因此，后續(xù)研究將進一步強化TET系統(tǒng)溫控方面的能力，提升供能效率，增大供能范圍.