粗大血管在电外科设备操作环境下的阻抗规律研究

李桂香，吴飞，许为康，谭仲威，黄德群，陈军

1.广东省科学院 生物与医学工程研究所 国家医疗保健器具工程技术研究中心 广东省医用电子仪器与高分子材料制品重点实验室，广东 广州 510316；2.广东省医疗器械研究所，广东 广州 510500；3.广东工业大学 机电工程学院，广东 广州 510000

引言

电外科以其手术方便、损伤低、对患者疼痛少等优点，在临床手术中发挥着越来越重要的作用[1-2]。随着微创腔镜手术的发展，能量型外科手术设备成为未来吻合器械发展的主要方向。目前，能量型手术设备的原理是利用射频水平上的交流电，通过导电元件到达目标组织，当组织抵抗来自电极的电流时，组织中的电能被转换为热量，以达到一定的手术效果[3]。实现热效应取决于电流密度、时间、电极、组织电导率的大小和电流波形的类型等因素[4]。

电外科手术设备在组织切割和血管闭合方面起到十分重要的作用[5]。双极血管封闭器是一种比较新型的电外科设备[6-7]，其原理是借助两电极之间的物理性压迫和电能影响，使电极间所夹持组织发生蛋白变性，从而封闭血管[8]。目前多用于外科手术中小脉管较多的组织如肝叶、肺叶、子宫韧带的分离等。双极血管闭合器技术仅少数发达国家拥有，主要包括德国ERBE的百克钳、美国Covidien的Ligasure，两者均已通过FDA认证。尤颢等[9]研究表明，通过检测电极间夹持组织的电阻变化，以主机调控输出电流功率，可安全闭合最大直径7 mm的动脉血管，最终被封闭的血管可以抵抗冲击力达到正常值3倍以上。日本Olympus的超声刀血管封闭系统是通过机械震动来封闭血管组织，可安全对直径3 mm的血管进行凝固和切断[10]。然而，国内尚无同类设备，临床依赖进口，且此类设备价格昂贵、需专人维护、使用成本高，仅有少数临床机构配置。随着血管闭合器临床应用量的持续增长，研制具有完全自主知识产权的血管闭合器将成为我国介入治疗器械研究的热点[7]。

生物组织具有电阻、电感和电容的特性，会对电路中的电流产生阻碍作用，即阻抗。实时阻抗反馈技术和高频能量智能输出控制技术是能量型手术设备两大关键技术[11-12]。血管阻抗在电外科血管闭合设备操作环境下的变化规律是该技术研究和设备研发的前提，而国内外仅有极少报道[13-14]。我国生产的电外科手术设备尚缺少自动检测电极间目标组织阻抗的功能[5]。虽然电外科血管闭合术有缩短手术时间和利于术后康复等优点，但手术过程中产生的热量对闭合位置邻近组织或神经仍存在热损伤，是该技术需要亟须解决的问题[15-16]。在热效应的影响因素中，组织电导率为组织电阻的倒数，而组织在能量型手术设备操作下的阻抗变化会引起电流密度的改变，在其他因素不变情况下，热效应也会变化。在电外科手术设备闭合血管过程中，温度、电压、钳口压力、电流频率等都会造成血管阻抗变化[4]。因此，本文研究阐明血管组织阻抗在电压、电流频率、手术电极压力、温度等电外科血管闭合设备操作环境因素作用下的变化规律，为电外科血管闭合设备的关键技术实时阻抗反馈技术研究和突破提供理论和技术基础。

1 材料与方法

1.1 系统设计

血管阻抗规律实验系统需要测试电流频率、温度、压力、电压等变化对血管阻抗的影响。该系统包括电流频率阻抗测试平台、温度阻抗测试平台、压力阻抗测试平台和电压阻抗测试平台。其中，频率阻抗测试平台和电压阻抗测试平台需要恒定电流源激励，因此高品质的恒流源是血管电阻抗变化规律研究的重要部分。

1.2 恒流源电路设计

血管阻抗规律实验系统要求激励电流频率范围为200 kHz至1 MHz，电压输出范围为0～400 V。AD844运算放大器内部集成电流镜电路，基于CC2电流传输器技术克服了电流镜不对称问题，其电流反馈结构可以实现较好的交流性能和高线性度，电流大小由内阻和反馈电阻决定。ADA4898是一个带宽为65 MHz，压摆率为55 V/us的超低噪声和失真（500 kHz下，-93 dBc）、单位增益稳定、电压反馈型高速运算放大器，可作为缓冲级，满足系统要求。电容C是一个交流负反馈，可有效隔除直流信号。AD844的5脚输出电流由其内阻和R共同决定。5脚输出电流通过电流电极施加于血管组织中对组织进行激励。经测试，其输出阻抗在高频200 kHz时输出阻抗可达到200 kΩ，在频率为1 MHz下可达到210 kΩ，具备很好的恒流性能。图1为恒流源电路框图。

图1 恒流源模块电路

1.3 血管阻抗规律实验系统搭建

在电外科设备操作环境单因素情况下血管阻抗规律研究平台原理图如图2所示：① 频率/电压阻抗测试平台，采用恒流源、高精度LCR测试仪（E4980A，安捷伦）、样品工装（树脂3D打印）、紫铜片电极搭建；② 温度阻抗测试平台，采用数显恒温水浴锅（HH-S1，巩义予华）、高精度LCR测试仪（E4980A，安捷伦）、样品工装（树脂3D打印）、测温仪（TES1310热电偶温度计，台湾泰仕）、紫铜片电极搭建；③ 压力阻抗测试平台，采用压力系统（S型拉压力传感器AT8301，江苏工业衡器）、小型数控雕刻机（3020MAX，新睿科技）、高精度LCR测试仪（E4980A，安捷伦）、样品工装（树脂3D打印）、紫铜片电极搭建。

图2 血管阻抗规律测试系统

2 结果

基于搭建的血管阻抗规律测试系统，采用离体新西兰兔较粗大血管进行血管组织阻抗规律研究。

2.1 血管获取与处理

本研究需要完成血管阻抗测试为血管组织所受电流频率、温度、压力和电压之间的规律关系研究。为避免各组实验间的相互影响和确认各组实验的稳定性，从实验动物中心挑选采购了8只约1.5 kg的新西兰兔，每组实验前以颈部动脉放血处死2只新西兰兔，从兔脊椎中剥离出16.0～18.0 cm长的兔脊椎大动脉，获取的血管经清理管腔内部血液等杂质后在SBF模拟体液中置于冰箱冷藏保存12 h。实验前用0.9%氯化钠溶液清洗组织，剔除血管表面上包含脂肪的结缔组织，使试样表面平整干净以保证接触性能良好。初步采用游标卡尺测量血管长度和直径，筛选出长45.0～50.0 mm、直径5.0～5.5 mm的血管4根，分别将其从一端套入表面光滑的标准塑料输液管（外直径4.5 mm、长度约50.0 mm）以撑圆血管，将两端分别拉至管端用游标卡尺分别测量血管两端内直径，以最接近5 mm的为保留端，通过精密切割机（精度0.2 mm）细心切割和处理，制备长（40.0±0.5）mm、直径（5.1±0.1）mm的2个兔血管样品（血管壁厚度0.8～0.9 mm）用于测试。为了保证实验可靠性，后续3组实验采用同样步骤制备2个长（40.0±0.5）mm、直径（5.1±0.1）mm的实验兔血管样品。

2.2 血管频率阻抗关系研究

高频电外科手术设备采用的信号频率均大于200 kHz，因此血管温度阻抗研究过程中，选取频率范围为2 0 0～9 5 0 kHz，采用长（40.0±0.5）mm、直径（5.1±0.1）mm的2个兔血管样品，实验2次。每次实验前将样品外裹食品级PE膜，放置于恒温26℃的恒温水浴锅加温2 min，然后取出并去除外裹的食品级PE膜后置于测试工装中。在环境温度为26℃情况下，采用LCR精密测量仪记录血管在频率范围为200～950 kHz的恒流源刺激下的阻抗变化。

血管频率阻抗研究时，以递增的方式调整信号频率，LCR精密测量仪不断采集记录得到各频率点的电阻抗值。实验结果如图3所示，在手术室温度为26℃的环境中，长（40.0±0.5）mm、直径（5.1±0.1）mm的兔血管在200～350 kHz范围内随着频率的增加，实部阻抗降低。虚部阻抗在200～350 kHz范围内随着频率的增加先减小，当频率在350 kHz时，血管的虚部阻抗达到最小，然后随着频率增加又迅速增加直到平稳。

图3 环境温度26℃时血管频率阻抗特性曲线

2.3 血管温度阻抗关系研究

基于血管频率阻抗研究发现，长（40.0±0.5）mm、直径（5.1±0.1）mm的兔血管虚部阻抗在约350 kHz处最小。在测试血管温度阻抗时，为了尽量减少虚部阻抗的影响，设定恒流源频率固定为350 kHz，然后通过调节恒温水浴锅的目标温度逐步递增，精密LCR测量仪不断采集各整数温度点下的电阻抗值，以获得特定频率下兔血管组织的温度阻抗特性。采用长（40.0±0.5）mm、直径（5.1±0.1）mm的兔血管样品2个，测试恒流源设定为350 kHz条件下实验2次，研究血管组织在温度26～65℃范围下的阻抗变化，结果如图4所示。兔血管在温度26～53℃期间随着温度增加，血管阻抗先缓慢下降，至53℃左右骤然极速下降，54℃达最低，然后随着温度增加骤然反弹后较缓慢增加。

图4 350 kHz条件下血管阻抗与温度关系曲线

2.4 血管压力/电压阻抗关系研究

血管组织在闭合过程中会受到双极钳钳口的压力影响，电压改变时血管组织阻抗也会产生变化。因此，采用长（40.0±0.5） mm、直径（5.1±0.1） mm的新西兰兔血管样品2个，置于压力阻抗实验平台，不断对血管增加压力，研究血管阻抗与受压情况的变化规律，实验2次；基于频率阻抗关系研究发现，长（40.0±0.5）mm、直径（5.1±0.1）mm的兔血管虚部阻抗在约350 kHz处最小，为减少虚部阻抗的趋势变化影响，研究血管阻抗与电压关系过程中，设定恒流源刺激频率为350 kHz，逐渐增大施加电压，采用精密LCR测量仪采集血管在20～400 V范围的阻抗变化。结果如图5所示，兔血管在突然受压力改变时阻抗迅速降低，然后缓慢降低；兔血管阻抗随电压增加而升高，在施加的电压升高至100 V后血管阻抗迅速增加，之后缓慢增加至保持平稳。

图5 血管受压力/电压变化阻抗曲线

3 讨论

本文对健康新西兰兔较粗大血管在电流频率、温度、压力、电压等电外科血管闭合设备操作环境影响因素下的阻抗变化规律进行了初步研究。实验结果表明，在26℃下，长（40.0±0.5）mm、直径（5.1±0.1）mm的兔血管组织在200～950 kHz范围内，阻抗实部随着频率增加而降低，虚部先降低后升高，在350 kHz时虚部阻抗达最小，表现出频率转折特性；在350 kHz恒流源刺激下，血管阻抗随着温度增加先缓慢降低，在53～56℃之间出现突然下降和反增，表现出温度转折特性；在突然受压时，血管阻抗先迅速降低，然后缓慢降低；两端电压升高时，血管阻抗随之增加。这与张琴艳等[17]前期研究离体肥肉组织的电阻抗频率和温度特性规律一致：离体肥肉组织电阻抗实部随频率升高而降低，虚部先降低后升高，在80～120 kHz出现转折频率特性；在100 kHz电流频率刺激下，小于53℃时，组织电阻抗随温度升高呈现较缓慢下降趋势，在53～59℃之间形成一个突变。转折频率特性的出现是由于较低频下电流信号不穿透细胞膜，而随着频率的升高交流电流信号穿过细胞膜从内液和外液流通，转折温度特性和两端电压升高时血管阻抗先增加而后至平稳现象，是由于频率一定时，温度升高到某温度细胞膜破裂导致细胞内液外流，蛋白开始变性凝结，使得组织整体阻抗值发生改变。突然受压时，血管阻抗迅速降低而后缓慢降低，这类似于皮肤受到拉伸，电位迅速增加，而后缓慢增加[18-19]。徐佳伟[20]研究发现，血管阻抗与血管长度、横截面积及电阻率有关。不同生物组织间存在较大的阻抗差异[21]。因此，血管阻抗还与含水量、尺寸及材料有关。因此，转折频率和转折温度点会因血管材料含水量、不同生物血管组织和尺寸不同。在电外科血管闭合设备的关键技术实时阻抗反馈技术研究和设备操作过程中需要充分考虑这些影响。

4 结论

本文通过采用恒流源、样品架、恒温水浴锅、测温仪、信号发生器、LCR测试仪等搭建血管阻抗规律测试系统，初步对新西兰兔较粗大血管在电外科血管闭合设备操作环境作用下的阻抗变化规律进行了探究。结果表明血管阻抗与电流频率、温度、压力及电压的变化规律可为医师操作电外科血管闭合设备提供一定指导，并为该类设备研究的关键技术实时阻抗反馈技术研究突破提供基本理论和实验依据，具有重要意义。