生物阻抗反馈式电凝闭合系统的设计和实验研究

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3.0 高德中 2024-11-19 5 4 2.3MB 63 页 15积分
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摘要
在现代外科手术中,高频电刀的使用越来越广泛，高频电刀的类型也越来越多。
双极电凝闭合系统因其输出能量易于控制、组织热效应好大量用于生物组织切割
和血管结扎手术中。具有反馈功能的双极电凝闭合系统能根据电凝的实际情况来
智能调节高频能量的输出，已经成为高频电刀的发展趋势。电凝闭合时，生物组
织的阻抗会随着高频电流的不断作用而发生变化，通过生物组织阻抗的变化来反
馈调节高频能量的输出是一种可行的方法。同时，不同类型的高频信号对生物组
织电凝闭合的效果也存在差异，选择合适的高频信号也是电凝闭合系统的关键。
为实现电凝闭合过程中生物组织阻抗的测量，设计了一套生物组织阻抗实时
测量系统。为研究不同类型的高频信号对生物组织电凝闭合效果的影响，为电凝
闭合系统信号类型的选择提供依据，还设计了一套电凝闭合实验平台和血管爆破
压测量系统来对不同类型的高频信号进行电凝闭合实验和结果评价。
实验中，采用已有的双极电凝闭合系统对鸡肠、猪血管等生物组织进行电凝
闭合。实验表明，随着高频电流的作用，生物组织阻抗先从十几欧到几十欧缓慢
上升，然后迅速升高到 400 多欧，在电凝闭合的末断，组织阻抗上升到 500 欧左
右。采用红外热像仪对血管闭合过程进行记录，血管温度会迅速上升到 60℃，最
高达到 75℃左右，然后下降，整个闭合过程血管温度基本上维持在 60℃以上。
采用搭建的电凝闭合平台，改变高频信号的占空比、频率等进行实验。实验
结果表明，输出功率和频率不变时，占空比从 40%上升到 90%，血管在 3-4s 内都
能有效闭合，但随着占空比的升高，血管闭合效果越来越好。
关键词：双极电凝 生物阻抗 高频信号 血管爆破压 组织红外热像
ABSTRACT
High Frequency Electrotome is increasingly used in clinical surgery, and more and
more kinds of electrotome are designed. Bipolar electro-coagulation system is one of
electrotome which is used in tissue cutting and blood vessel sealing surgeries because of
the easy control of output energy and nice tissue thermal effect. The bipolar
electro-coagulation system with feedback control function can adjust the output power
with the real-time situation during the electro-coagulation, and becomes the developing
trend of electrotome. During electro-coagulation, impedance of body tissue changes
under the work of high frequency current, and it’s a valid and reliable method to adjust
the output power according to the impedance. Meanwhile, as different type of high
frequency current may cause different coagulation effect, the selection of the type of
high frequency current is also the key point of the design of electro-coagulation system.
In order to measure the real time impedance of body tissue during the
electro-coagulation procedure, a body tissue impedance real time measuring system was
designed. For the purpose of selecting a proper type of high frequency current for
electro-coagulation system, a set of electro-coagulation experimental platform and
blood vessel burst pressure measuring system were designed to sealing body tissue and
assessing the coagulation results.
An existed blood vessel sealing system was employed in the body tissue
electro-coagualtion experiments, the target tissue were chiken intestine,blood vessel
from pig. The experiment results showed that, during the electro-coagulation procedure,
the tissue impedance increased slowly in the first 2 or 3 seconds from about 10 ohms to
50 ohms, and then increased to 450 ohms rapidly in less than 1 second, the impedance
reached to about 500 ohms at last. A infrared thermal imaging camera was used to
record the temperature during the electro-coagulation process, the results showed that
the temperature of vessel increased to 60℃ rapidly and reached to the highest
temperature at about 75℃, the temperature decresed after reaching to the highest
temperature and mantained above 60℃ most of the time.
The designed electro-coagulation platform was used to changes the
parameters(such as duty cycle, frequency et al) of high frequency signals as needed to
seal blood vessels. The results showed that, when output power and frequency stay at
the same level, a better blood vessel sealing result would be achieved when using a
higher duty-cycle high frequency signal. The blood vessels could be sealed effectively
in 3-4 seconds.
Keywords: bipolar electro-coagulation, tissue impedance, high
frequency signal, blood vessel burst pressure, tissue infrared thermal
imaging
目录
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .................................................................................................................... 1
§1.1 研究背景及意义 .................................................................................................. 1
§1.2 血管闭合技术的发展 .......................................................................................... 2
§1.3 电凝闭合系统的现状和发展趋势 ...................................................................... 4
§1.3.1 国外电凝闭合系统的研究现状 ................................................................... 5
§1.3.2 国内电凝闭合系统的研究现状 ................................................................... 7
§1.4 本文的主要内容 .................................................................................................. 8
§1.4.1 研究内容 ....................................................................................................... 8
§1.4.2 本文结构安排 ............................................................................................... 9
第二章 电凝闭合系统的设计 ...................................................................................... 10
§2.1 电凝闭合系统的基本原理 ............................................................................... 10
§2.2 生物阻抗反馈式电凝闭合系统的设计 ........................................................... 12
§2.2.1 电凝闭合系统的原理框图 ......................................................................... 12
§2.2.1 电凝闭合手术钳的设计 ............................................................................ 14
§2.3 电凝闭合实验平台的设计 ............................................................................... 17
§2.3.1 信号发生模块 ............................................................................................ 18
§2.3.2 定时电路 .................................................................................................... 20
§2.3.3 功率放大模块 ............................................................................................ 21
§2.4 本章小结 ............................................................................................................ 22
第三章 生物组织阻抗和爆破压测量系统的设计 ...................................................... 24
§3.1 基于 LabVIEW 的生物组织阻抗实时测量系统 ............................................ 24
§3.1.1 生物组织阻抗 ............................................................................................ 24
§3.1.2 生物组织阻抗测量系统 ............................................................................ 26
§3.1.3 硬件电路设计 ............................................................................................. 26
§3.1.4 基于过采样处理的数据采集平台 ............................................................. 30
§3.1.5 测量系统的校准与验证 ............................................................................. 35
§3.2 血管爆破压测量系统 ........................................................................................ 37
§3.2.1 压力转换模块 ............................................................................................. 38
§3.2.2 压力变送模块 ............................................................................................ 39
§3.2.3 血管爆破压测量系统数据采集平台 ........................................................ 40
§3.2.4 爆破压测量系统的测试 ............................................................................ 42
§3.3 本章小结 ........................................................................................................... 43
第四章 生物组织电凝闭合实验研究 .......................................................................... 44
§4.1 电凝闭合时生物组织阻抗的变化情况 ........................................................... 44
§4.1.1 电凝闭合系统鸡肠闭合实验 .................................................................... 44
§4.2 电凝闭合时生物组织温度的变化情况 ........................................................... 45
§4.2.1 实验材料和方法 ........................................................................................ 46
§4.2.2 热成像仪测量结果及分析 ........................................................................ 47
§4.3 不同高频电流对血管闭合效果的影响 ........................................................... 49
§4.3.1 高频电流占空比变化对血管闭合效果的影响 ........................................ 49
§4.3.2 血管闭合正交试验 .................................................................................... 50
§4.4 本章小结 ........................................................................................................... 53
第五章 总结与展望 ...................................................................................................... 54
§5.1 总结 ................................................................................................................... 54
§5.2 展望 ................................................................................................................... 54
参考文献 ........................................................................................................................ 56
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 研究背景及意义
现代外科手术中，器官、肿瘤等组织的切除是非常常见的。在这些手术中，
通常需要进行组织分离和血管闭合止血。几乎所有的外科手术中都无法避免地会
出现术中止血。快速地组织分离和血管闭合止血能有效地缩短手术时间、减轻病
患痛苦、提高手术质量[1]。
最近二十年以来，随着现代医学、手术器械的发展，微创外科手术得到迅猛
发展，逐渐成为外科手术发展的趋势[2]。微创外科手术由于其视野有限，手术情况
复杂，手术过程中应尽可能减少出血且应快速止血，因为大量出血会对后续手术
造成阻碍，出血后的处理难度也相应增大。快速进行组织分离和血管止血，能保
持清楚的解剖视野和清晰的解剖层次，是手术成功的关键。
另外，在对一些器官进行分离时，医生往往需要切除粘附在器官上面的网膜、
系膜、韧带。传统的方法是采用剪刀直接剪断这些组织，这个过程中，往往会同
时剪断一些较隐蔽且很难分离的细小血管，造成出血，影响手术视野，也增加了
手术风险以及手术并发症的发生几率。
为了能快速、有效地进行组织分离和血管闭合，减少出血，高频电刀在越来
越多的手术中得到应用。高频电刀是一种利用高频电流对生物组织的热效应来进
行组织切割和血管闭合的电外科手术设备。高频电刀通常分单极和双极两种。单
极的高频电刀只有一个有活动电极，能有效地进行组织切除，并能电凝闭合组织
中的微小血管；双极的高频电刀的两个电极将高频能量传导至电极之间的组织，
因其能量密度大，且均匀，常用于较大血管的闭合。目前，较先进的双极高频电
刀能有效闭合直径达 7mm 的血管，一些输卵管、输精管等直径较小的管腔的结扎
手术中也常常采用双极高频电刀 [3~6]。
高频电刀在手术中得到广泛应用，为医生的手术提供了便利，同时也降低了
手术风险。但是，高频电刀的使用也存在着一定的危险性。由于高频电刀是将高
能量的高频电流直接作用于人体组织，操作不当，会造造成电击，灼伤等事故的
发生。传统的高频电刀存在着术中烟雾大、止血效果差、热效应大、易造成周围
生物阻抗反馈式电凝闭合系统的设计和实验研究
2
组织损伤、组织焦痂等缺点[7]。由于大部分高频电刀都没有精确的能量控制模块，
采用双极型高频电刀进行血管或组织闭合时，其闭合效果往往是由医生的经验来
决定的。然而，组织和血管的尺寸大小因人而异，单凭医生的经验往往存在着很
大的风险，血管闭合部位术后再次破裂产生的后果也是非常严重的。因此，组织
电凝闭合过程中，高频电刀输出能量的精确控制显得尤为重要。为了研究电凝闭
合时高频电流对组织的影响，需要对电凝闭合时，组织和血管的一些特征（如阻
抗、温度、血管爆破压等）进行分析，对血管闭合的结果进行评价。通过相关实
验，可以为电凝闭合系统使用的高频信号进行选择，对高频电流的反馈控制提供
依据。
§1.2 血管闭合技术的发展
如前文所述，止血是外科手术中最基本也是核心操作技术之一，人体任何部
位的外科手术操作几乎无一例外地涉及到出血与止血。当毛细血管或者直径较小
的血管出血时，由于血细胞的凝血功能，出血处能自动止血，但是随着血管直径
的增大，血细胞自身的凝血功能已经不能或不能快速凝血而导致出血事故。在手
术中遇到较大的血管损伤或切除时，需要立即对血管进行闭合。随着外科手术技
术和手术器械的发展，止血技术已由过去单纯的器械止血措施发展为现代外科条
件下的纷繁复杂的技术体系，血管闭合技术大致也可以分为传统的机械性闭合、
药物止血闭合和理化方式闭合三种方式[8,9]。
1. 机械性闭合
机械性血管闭合是一种传统的手术方式，伴随着外科手术的发展沿用至今，
是最简单、最有效的血管闭合方式。机械性血管闭合通常采用手术缝线缝合血管
或者采用止血带、血管夹等器械进行血管闭合，或者直接采用将血管打结结扎达
到血管闭合的目的。采用机械性血管闭合方法可以闭合所有人体血管，在器官移
植或切除手术中，通常采用机械性血管闭合将需要切断的血管两端永久闭合，然
后再进行切除。随着科技的进步，钛夹、血管吻合器等器械被应用到血管闭合手
术中，操作方便。
机械性血管闭合是最可靠的血管闭合技术，用于机械性闭合的手术器械也越
来越齐全。然而，机械性止血通常需要较长的时间，且辅助止血的手术器械（如，
手术缝线、止血带、止血夹等）会长时间留在人体体内，存在生物相容性的问题，
也增大了术后并发症的风险，且会对患者的日后生活造成一定的影响。
摘要：

摘要在现代外科手术中,高频电刀的使用越来越广泛，高频电刀的类型也越来越多。双极电凝闭合系统因其输出能量易于控制、组织热效应好大量用于生物组织切割和血管结扎手术中。具有反馈功能的双极电凝闭合系统能根据电凝的实际情况来智能调节高频能量的输出，已经成为高频电刀的发展趋势。电凝闭合时，生物组织的阻抗会随着高频电流的不断作用而发生变化，通过生物组织阻抗的变化来反馈调节高频能量的输出是一种可行的方法。同时，不同类型的高频信号对生物组织电凝闭合的效果也存在差异，选择合适的高频信号也是电凝闭合系统的关键。为实现电凝闭合过程中生物组织阻抗的测量，设计了一套生物组织阻抗实时测量系统。为研究不同类型的高频信号对生物...

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