新型血管吻合器的結(jié)構(gòu)設(shè)計及離體實驗研究*

向煬，郭宏波，職康康，王偉，毛琳，宋成利△

(1.上海理工大學健康科學與工程學院，現(xiàn)代微創(chuàng)醫(yī)療器械及技術(shù)教育部工程研究中心，上海 200093;2.海軍軍醫(yī)大學第二附屬醫(yī)院，上海 200003;3.海軍特色醫(yī)學中心，上海 200433)

引言

血管吻合技術(shù)廣泛應(yīng)用于椎動脈重建、游離皮瓣移植、口腔頜面重建、頭頸部重建等領(lǐng)域[1-3]。目前，臨床上最常用的血管吻合方法為手工縫合法，但傳統(tǒng)的手工血管縫合方法對醫(yī)生要求較高，需要進行長時間的學習與練習，并且手工縫合時間長，易出現(xiàn)人為失誤。另外，縫合后的異物反應(yīng)、炎癥反應(yīng)和瘢痕組織，有可能增加術(shù)后血管狹窄或阻塞的風險[4-5]。

現(xiàn)有的血管吻合方法主要包括磁環(huán)吻合[6]、血管支架吻合[7]、醫(yī)用黏合劑吻合[8-9]以及Coupler針環(huán)吻合[10-12]等。磁環(huán)吻合是使用磁壓榨技術(shù)，利用磁體在相鄰血管間產(chǎn)生持續(xù)的壓迫，造成受壓榨區(qū)域逐漸缺血壞死，周圍組織逐漸愈合。其操作簡單、吻合速度快，但生物相容性與穩(wěn)定性不好，并且可能與其他吻合口相互影響，還會干擾體內(nèi)心臟起搏器的正常工作及影像學檢查。血管支架吻合法減少了血管吻合時縫線的使用，對血管正常生理功能起到了保護作用，但其需要在血管腔內(nèi)植入血管支架。臨床上血管支架材料多使用鉭、醫(yī)用不銹鋼、鎳鈦合金等不可吸收金屬，會造成血栓形成、血管再狹窄的風險[7,13]。醫(yī)用黏合劑方法利用生物材料模擬創(chuàng)傷修復(fù)的過程，通過某種“膠水”將斷裂的血管粘接在一起，以恢復(fù)血管的結(jié)構(gòu)與功能[14]，但吻合后吻合口質(zhì)脆、彈性差。

目前，國內(nèi)外血管吻合研究領(lǐng)域的主要方向之一為機械性的吻合方式。Coupler針環(huán)吻合器是目前唯一已商用的血管吻合器械，是機械吻合的代表產(chǎn)品。其吻合環(huán)由超高分子聚乙烯以及醫(yī)用不銹鋼針組成，該器械將血管穿過吻合環(huán)后將血管斷端外翻，外翻的血管固定至不銹鋼針上，然后將兩端吻合環(huán)對合，完成血管吻合。該器械對操作要求較低、吻合時間短、并且血管腔內(nèi)無異物、內(nèi)膜光滑。但是該裝置僅適用于靜脈血管，由于動脈血管壁厚、彈性高，故不適用動脈血管，并且在操作過程中有血管撕裂風險，會對血管造成透壁性損傷。負壓血管吻合環(huán)對Coupler針環(huán)吻合進行了改進，去除不銹鋼針采用負壓裝置外翻血管，避免了血管的透壁性損傷，但該方法的穩(wěn)定性差，吻合過程可能發(fā)生血管脫落[15]。另一吻合裝置也對Coupler血管吻合器進行了改進，將針環(huán)拆解成四個旋轉(zhuǎn)外翻部分，優(yōu)化了手術(shù)操作[16]，但仍有造成血管撕裂的風險，并且其對動脈的作用有限。

1 材料與方法

1.1 血管吻合器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

理想的血管吻合器應(yīng)符合以下四個原則：避免吻合口狹窄、避免血管腔狹窄和凹凸不平、斷端血管內(nèi)膜緊貼、避免吻合材料與血液直接接觸[17]。目前主流的手工縫合技術(shù)與coupler機械吻合由于縫針縫線穿透血管壁，且縫線與血液接觸等原因，無法實現(xiàn)理想的血管吻合。因此，本研究設(shè)計的新型血管吻合器需滿足以下要求：簡化手術(shù)操作、縮短手術(shù)時間、提高手術(shù)效率；同時適用于動、靜脈的血管吻合；吻合結(jié)構(gòu)不與血液直接接觸、斷端血管之間內(nèi)膜緊貼且需要能支撐吻合口。基于以上分析，所設(shè)計器械見圖1。

圖1 新型血管吻合器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of the novel vascular stapler

新型血管吻合器包括吻合結(jié)構(gòu)與手柄結(jié)構(gòu)兩大部分。吻合結(jié)構(gòu)包括內(nèi)環(huán)與外環(huán)，環(huán)上采用非永久性止逆鎖的卡扣結(jié)構(gòu)，用于完成血管的吻合。吻合環(huán)設(shè)計有不同尺寸，以適應(yīng)各個直徑血管的吻合。手柄結(jié)構(gòu)包括執(zhí)行機構(gòu)、傳動機構(gòu)和驅(qū)動機構(gòu)。執(zhí)行機構(gòu)上設(shè)有相互垂直的卡槽安裝吻合環(huán)；傳動機構(gòu)采用連桿傳動，外管設(shè)計細窄便于進入狹窄處進行手術(shù)，手柄處符合人因工程學設(shè)計。該手柄結(jié)構(gòu)用于輔助吻合環(huán)對合，完成血管吻合操作。吻合器吻合步驟見圖2。首先，將血管斷端穿過內(nèi)環(huán)，修剪血管斷端，減小血管張力。然后，將血管斷端外翻，推入外環(huán)夾緊外翻血管且與內(nèi)環(huán)對合，將血管斷端固定，另一端相同操作后，將兩端對合，完成血管吻合。吻合環(huán)、手柄外殼等使用3D打印加工，其余零件采用機加工方式。

圖2 血管吻合步驟示意圖Fig.2 Schematic diagram of anastomosis steps

1.2 血管吻合器結(jié)構(gòu)的有限元分析

在血管吻合的過程中，若吻合環(huán)對血管的施壓過大，會造成血管內(nèi)膜永久性受損，若施壓過小，則會造成吻合口密封性不好，滲漏量大，上述情形均視為吻合失敗[18]。并且，扣合的吻合器需承受正常的生理載荷，故使用有限元分析模擬吻合過程中血管與血管吻合器的相互作用，完善器械參數(shù)。

1.2.1有限元模型與材料參數(shù) 幾何模型使用SolidWorks建模，吻合環(huán)內(nèi)環(huán)內(nèi)徑為6 mm，壁厚0.75 mm，外環(huán)內(nèi)徑8.4 mm，壁厚1.4 mm。動脈血管模型直徑為6 mm，壁厚1 mm。模型導入ANSYS進行網(wǎng)格劃分，共69 546個節(jié)點，15 589個單元。

動脈血管分為內(nèi)層、中層和外層。研究表明，血管的力學性質(zhì)取決于血管的中層。而動脈的主要力學特性有超彈性、各向異性、非線性和不可壓縮性[19-20]。在模擬生理載荷下，動脈組織的周向和縱向特性無顯著差異，故選用5常數(shù)3階各向同性超彈性模型(Mooney-Rivlin)[21-22]:

W=a10(I1-3)+a01(I2-3)+a10(I1-3)2+

a11(I1-3)(I2-3)+a30(I1-3)3

(1)

其中，a10=18.90 kPa，a01=2.75 kPa，a10=85.72 kPa，a11=590.43 kPa，a30=0 kPa。

（3）ES 提供了RESTful API，使用JSON 格式，提供了非常優(yōu)秀的外部交互能力，使得搜索引擎能夠支持多種文件類型的搜索。ES 項目提供了多種語言版本的客戶端，包括Java、Python、.NET 和Groovy，提供了友好的二次開發(fā)平臺。

吻合環(huán)采用高密度聚乙烯(HDPE)材料，使用Sherwood-Frost模型描述HDPE的力學行為[23-24]：

(2)

1.2.2邊界與載荷 本研究使用有限元ANSYS19.2軟件來仿真分析吻合環(huán)與血管之間的相互作用。吻合環(huán)通過對血管的軸向施壓來完成吻合，首先需要確定吻合環(huán)對血管的施壓距離。仿真中設(shè)置模型徑向位移和周向位移為0，保留軸向位移。兩側(cè)吻合外環(huán)對外翻的血管壁持續(xù)施加等大反向的壓力，記錄此時吻合環(huán)產(chǎn)生的軸向位移作為其施壓距離，該條件下血管壁產(chǎn)生的應(yīng)力為吻合后血管上的預(yù)緊力。再對血管兩端施加軸向位移，模擬由于日?；顒佣a(chǎn)生的血管拉伸，觀察吻合環(huán)上的應(yīng)力分布情況。

1.3 體外實驗

1.3.1體外拉伸實驗 在日常生活中，由于人的運動，血管會受到一定的拉伸。故設(shè)置拉伸實驗評估本研究血管吻合器所能承受的最大力。將采集的豬動脈切成兩半，然后利用新型血管吻合器將其重新連接。將血管兩端使用縫線固定至PC軟管，而后將兩端軟管分別固定于拉伸試驗機的上、下夾具上，使血管保持豎直不能傾斜，見圖3(a)。以100 mm/min的速度進行拉伸，直至斷裂。重復(fù)進行6組實驗(血管編號為1—6)，記錄最大拉伸力以及斷裂狀態(tài)。

1.3.2體外滲漏實驗 在正常生理狀態(tài)下，血管舒張壓范圍為60～80 mmHg，收縮壓范圍為100～120 mmHg。為了驗證新型血管吻合器在正常情況的密封性，保證其安全有效，設(shè)計了滲露試驗測試吻合口的滲露程度。將采集的主動脈分成兩半，分為四組：第一組由血管外科醫(yī)生使用手工縫合，將血管重新連接；第二組使用單側(cè)加壓距離為0.2 mm的血管吻合器將血管重新連接；第三組使用單側(cè)加壓距離為0.3 mm的血管吻合器將血管重新連接；第四組使用單側(cè)加壓距離為0.4 mm的血管吻合器將血管重新連接。然后將吻合完成的血管一端堵住，另一端勻速注水，使血壓緩慢上升至極值，高于正常血壓，至極值后觀測5 min，見圖3(c)。每組重復(fù)進行4次。記錄血管吻合時間、極值水壓以及5 min滲漏程度。

圖3 體外拉伸實驗與滲漏實驗Fig. 3 Ex vivo tensile test and leaktest

2 結(jié)果

2.1 有限元分析結(jié)果

本研究對吻合環(huán)與血管的相互作用過程進行了仿真模擬。首先，對吻合環(huán)對血管施壓過程進行仿真，單側(cè)施壓距離與血管的應(yīng)力關(guān)系見圖4。在單側(cè)施壓距離0.2、0.3、0.4 mm時，血管壓縮率分別為20%、30%、40%，血管內(nèi)膜所受到的最大應(yīng)力分別為0.22、0.58、1.31 MPa。由圖4可知，隨著施壓距離的增大，血管組織受到的應(yīng)力也隨之增加。

圖4 血管在不同施壓距離下的應(yīng)力分布Fig. 4 Stress distributions of blood vessels under applying different pressures

然后，對吻合完成后的血管兩端施加位移載荷，使血管處于極端拉伸情況，得到吻合環(huán)上的應(yīng)力分布。在單側(cè)施壓距離0.2、0.3、0.4 mm，血管壓縮率分別為20%、30%、40%時，吻合環(huán)所受到的最大應(yīng)力分別為18.24、28.54、32.49 MPa，吻合環(huán)上的最大應(yīng)力隨著施壓距離的增大而增大，但均低于材料屈服強度。可以得出，在三種不同壓縮情況下，吻合環(huán)強度均可以滿足吻合要求。

2.2 體外實驗結(jié)果

2.2.1拉伸實驗 拉伸實驗對松弛的動脈施加載荷，直至動脈撕裂或吻合環(huán)脫落，結(jié)果見表1。在實驗中出現(xiàn)了不同的斷裂方式：(1)血管從單側(cè)外環(huán)與內(nèi)環(huán)之間脫落；(2)血管從PC軟管處滑脫。吻合后血管的平均最大拉伸力為6.08 N，遠高于血管在極端拉伸(20%)情況的受力[25]。故吻合后的動脈血管足以承受人體正常的生理載荷，滿足吻合血管的要求。

表1 拉伸實驗結(jié)果Table 1 Results of tensile test

2.2.2滲漏實驗 滲漏實驗結(jié)果見圖5，第一組、第二組、第三組以及第四組的極值水壓均值分別為90.87、83.04、148.25、148.20 mmHg，第一組的極值水壓略高于第二組，但第一、第二組的極值水壓均低于第三、第四組。

第一與第二組吻合后血管均發(fā)生滲漏，第三與第四組大部分吻合后血管發(fā)生滲漏。第一、二、三、四組的5 min滲漏量均值分別為21.4、46.9、5.7、7.8 mL，第二組平均滲漏最多，第一組滲漏略少于第二組，第三、第四組平均滲漏量較少，但出現(xiàn)單個滲漏略大情況。

第一、二、三、四組的平均吻合時間分別為8.6、2.8、3.0、2.9 min，第一組手工縫合組所用吻合時間高于其他3組。

注：圖中第一組為手工縫合組；第二組為吻合器組(施壓距離0.2 mm)；第三組為吻合器組(施壓距離0.3 mm)；第四組為吻合器組(施壓距離0.4 mm)。

3 討論

在滲漏實驗中，手工縫合組與吻合器組的極值水壓均高于人體平均生理載荷[26]，但第二組的平均極值水壓最低，且滲漏量與滲漏速度最大，還未達到最好的血管密封效果。第三組與第四組平均極值水壓高于手工縫合組，且滲漏量均低于手工縫合組，吻合效果優(yōu)于手工縫合。兩組之間的平均極值水壓接近，滲漏量均較少，但第四組出現(xiàn)單個血管極值水壓下降、滲漏量較大的情況。從有限元分析結(jié)果可知，施壓距離為0.3、0.4 mm時，血管內(nèi)膜所受最大應(yīng)力分別為0.58、1.31 MPa，第三組血管所受應(yīng)力更小，血管內(nèi)膜損傷程度小，組織愈合速度更快。第四組有血管出現(xiàn)極值水壓下降以及滲漏量較大情況，可能是由于對血管內(nèi)膜施壓過大，血管出現(xiàn)了破損。綜上，血管吻合器的最佳單側(cè)施壓距離為0.3 mm，此時，吻合后的血管可達到良好的密封效果，且對血管內(nèi)膜損傷最小。

本研究的新型血管吻合器遵循理想血管吻合原則設(shè)計，實驗研究證明，該器械的吻合速度要明顯優(yōu)于臨床常用的手工縫合技術(shù)，并且在能夠承受人體生理載荷的情況下，吻合密封效果比手工縫合更優(yōu)。此外，該器械剛性的吻合環(huán)可以對血管起到支撐擴張的作用，使吻合后的血管有更好的通暢率，且不受人為影響。針環(huán)吻合需要鋼針穿透血管壁，可能導致炎癥，而且由于動脈壁厚而富有彈性，鋼針無法起到很好的固定作用，吻合過程中易滑脫撕裂。因此，本研究針對針環(huán)吻合做出了改進，使用卡扣結(jié)構(gòu)，利用內(nèi)外環(huán)施壓固定血管壁，并且外翻達到吻合動脈的目的。

實驗過程中可觀測到，使用新型血管吻合器吻合的血管內(nèi)壁光滑、無異物，避免了縫線縫合后，內(nèi)壁凹凸不平的情況。輔助安裝手柄可以進入較深的位置進行吻合，避免了手工縫合時縫合不便的問題。本研究吻合環(huán)還配置了不同尺寸，以適應(yīng)不同部位的血管。

在后續(xù)的工作中，我們會對器械進行更深入的研究和改進。剛性吻合環(huán)雖能起到支撐作用，但也限制了動脈正常的收縮與舒張，且吻合環(huán)需要永久留置于體內(nèi)，使體內(nèi)長期存在異物。因此，未來考慮采用可降解材料解決該問題，使吻合環(huán)在血管愈合后逐漸降解。這樣既保留了其在血管愈合期間的支撐功能，吻合環(huán)降解后，不影響血管的舒縮，無體內(nèi)留置異物。對于吻合器在生理狀態(tài)下的表現(xiàn)，后續(xù)將進行動物實驗驗證，觀察術(shù)中吻合時間和滲漏情況，并進行隨訪指標(吻合口狹窄率、血栓形成、血常規(guī)、凝血4項、D-二聚體等)以及病理指標(內(nèi)中膜損傷、吻合口內(nèi)皮生長、血管與周圍組織粘連、炎癥細胞浸潤以及周圍組織纖維化情況等)的數(shù)據(jù)采集。

4 結(jié)論

本研究基于理想血管吻合的四大原則設(shè)計了一種血管吻合器，建立了吻合器吻合血管的有限元模型，研究了血管內(nèi)膜吻合后的受力情況，探究了吻合器施壓距離對血管吻合效果的影響規(guī)律，并通過離體實驗進行了驗證。

研究結(jié)果表明，當單側(cè)施壓距離為0.3 mm時，吻合效果最好，吻合口密封性良好、滲漏量少，其極值水壓為(148.25±0.13) mmHg，最大拉伸力為(6.08±1.78) N，滿足臨床上對血管吻合的要求。本研究設(shè)計的新型血管吻合器探究了新的血管吻合方式，可以實現(xiàn)快速有效的血管吻合，為未來的臨床醫(yī)學研究奠定了基礎(chǔ)。