鄭 靖 ,劉祎程 ,張 浩 ,楊 丹 ,李可洲
(1. 西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,四川 成都 610031;2. 四川大學(xué)華西醫(yī)院,四川 成都 610041)
胰瘺是胰腺外科手術(shù)中最常見的術(shù)后并發(fā)癥,胰瘺往往會引起腹腔膿腫、腹腔血管破裂、胃排空延遲等問題,顯著增加患者圍手術(shù)期的死亡風(fēng)險(xiǎn),因胰瘺引起的死亡率高達(dá)20%[1-4]. 術(shù)后胰瘺主要與胰管內(nèi)胰液外滲有關(guān)[5],目前,預(yù)防術(shù)后胰瘺尚無可靠的解決方法[6].
現(xiàn)有研究表明高頻電刀在預(yù)防術(shù)后胰瘺上有積極的效果:Burdío等[7]發(fā)現(xiàn)使用射頻消融裝置可以使胰腺殘端組織完全收縮閉合,與機(jī)械吻合器相比有更好的胰管封閉效果; Ikeda等[8]通過對比研究雙極電凝和直線切割閉合器在進(jìn)行豬胰腺遠(yuǎn)端切除時(shí)的作用效果,發(fā)現(xiàn)雙極電凝組胰管爆破壓明顯更高;Chamberlain等[9]通過活體和體外模擬實(shí)驗(yàn),研究超聲刀與標(biāo)準(zhǔn)單極電凝對胰管閉合效果的影響,發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)電凝組的胰瘺發(fā)生率略低于超聲刀處理組;Nagakawa等[10]開發(fā)了一種柔性電凝系統(tǒng),該系統(tǒng)的峰值電壓小于200 V,遠(yuǎn)低于普通高頻電刀,不僅能緩解手術(shù)過程中的電弧放電現(xiàn)象,還能有效閉合小直徑胰管,具有良好的止血防胰瘺效果; 李宵宇[11]通過體外模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)高頻電刀的操作參數(shù)會影響胰管閉合效果;此外,電極的尺寸參數(shù)會在一定程度上影響電流密度的分布,進(jìn)而影響組織損傷范圍、損傷程度以及電刀的作用效果[12-13]. 然而,目前尚缺乏高頻電刀機(jī)電參數(shù)對胰管封閉效果影響規(guī)律的系統(tǒng)認(rèn)識,醫(yī)生僅依靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)對高頻電刀機(jī)電參數(shù)進(jìn)行選擇,這導(dǎo)致在臨床上無法有效利用高頻電刀的止血防胰瘺功能.
本研究采用體外模擬實(shí)驗(yàn)方法,利用胰管爆破壓測試方法對豬胰管封閉效果進(jìn)行定量評價(jià). 通過單因素實(shí)驗(yàn)研究干燥模式下不同機(jī)電參數(shù)對胰管爆破壓的影響規(guī)律,結(jié)合三因素三水平的響應(yīng)面分析方法,分析胰管封閉效果與電刀功率、作用時(shí)間以及電極前端直徑之間的關(guān)系,獲取影響防胰瘺焦痂結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵機(jī)電參數(shù),并且優(yōu)化計(jì)算出干燥模式下閉合胰管的最佳機(jī)電參數(shù). 本研究結(jié)果可為胰腺外科醫(yī)生的臨床操作方案提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)和理論支撐.
1.1.1 生物組織樣品
豬胰腺的解剖位置、生理結(jié)構(gòu)和CT影像特征等均與人體胰腺高度一致,因此在針對胰腺疾病的研究中,通常采用豬胰腺作為試驗(yàn)樣本[14]. 本研究選用新鮮離體豬胰腺進(jìn)行試驗(yàn),所用豬胰腺均來自本地屠宰場,總長在23 cm左右,主胰管直徑在1.30 mm左右,保存于4 ℃生理鹽水中于1 h內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室;用陶瓷刀切除胰腺表面的結(jié)締組織,截取胰腺左部約14 cm的主體部分進(jìn)行試驗(yàn);為防止樣品失活,整個(gè)試驗(yàn)過程在豬胰腺離體4 h內(nèi)完成.
1.1.2 手術(shù)電極樣品
本研究中共使用了以下6種手術(shù)電極,均是304不銹鋼加工制造的球狀電極,前端直徑分別為0.50、1.00、2.00、3.00、4.00、5.00 mm;加工設(shè)備為磨床,樣品表面粗糙度為0.4~0.6 μm.
1.2.1 爆破壓測試方法
測試血管吻合口承壓能力通常采用爆破壓試驗(yàn),吻合口破裂時(shí)的壓力即為血管吻合口的爆破壓[15]. 為定量分析高頻電刀作用后組織融合部位對胰管的封閉效果,本研究基于焦痂封閉胰管與血管閉合的相似性,將爆破壓作為評價(jià)胰管閉合效果的指標(biāo),并自行設(shè)計(jì)了一種測量胰管爆破壓的裝置,如圖1所示,該裝置由蠕動泵、中心靜脈導(dǎo)管和數(shù)字壓力表組成. 胰管爆破壓的測試步驟如下:1) 中心靜脈導(dǎo)管從胰腺遠(yuǎn)端主胰管中穿入,貫穿胰管后尾端接入三通;2) 利用高頻電刀燒灼胰腺斷面,形成焦痂封閉胰管;3) 蠕動泵泵水速率設(shè)置為0.4 mL/s(模擬胰液流動速度),觀察數(shù)字壓力表讀數(shù),記錄峰值壓力為胰管爆破壓.
圖1 爆破壓測試裝置和高頻電刀裝置Fig. 1 Burst pressure test device and electrosurgical unit
1.2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析方法
首先進(jìn)行胰管爆破壓單因素試驗(yàn):
步驟1作用時(shí)間2.00 s,電極前端直徑2.00 mm,功率分別為40、50、60、70、80 W,每組測10次取均值;
步驟2取步驟1中最佳作用功率為定值,電極前端直徑2.00 mm,時(shí)間分別為1.00、2.00、3.00、4.00、5.00 s,每組測10次取均值;
步驟3取步驟1中最佳作用功率和步驟2中最佳作用時(shí)間為定值,電極前端直徑分別為1.00、2.00、3.00、4.00、5.00 mm,每組測10次取均值.
根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果,獲取各變量的最優(yōu)取值范圍,確定因素水平,采用Box-Benhnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法確定試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行爆破壓測試[16]. 本研究采用式(1)多元二次響應(yīng)面函數(shù)進(jìn)行分析.
式中:xi、xj為自變量,p為變量個(gè)數(shù);β0、βi、βii分別為常數(shù)項(xiàng)、一階待定系數(shù)和二階待定系數(shù);βij為交互作用待定系數(shù).
為探明機(jī)電參數(shù)對胰管爆破壓的影響關(guān)系,將爆破壓設(shè)為響應(yīng)變量Y,自變量分別設(shè)為A、B、C,響應(yīng)面函數(shù)為
獲得各試驗(yàn)點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)后,通過響應(yīng)面分析軟件Design-Expert進(jìn)行擬合,確定響應(yīng)面函數(shù)的待定系數(shù),獲取胰管爆破壓響應(yīng)面回歸方程模型. 進(jìn)行方差分析確定函數(shù)關(guān)系的可靠性;通過響應(yīng)面分析各因素間的交互作用關(guān)系;求解該回歸方程的最大值獲取具有最佳胰管封閉效果的電刀機(jī)電參數(shù).
2.1.1 電刀功率的影響
干燥模式下作用時(shí)間為2.00 s,電極前端直徑為2.00 mm時(shí),豬胰管爆破壓隨電刀功率增加的變化趨勢如圖2所示. 由圖2可知:功率從40 W到60 W時(shí),輸出能量的增大使斷面組織有足夠的熱量形成焦痂,胰管爆破壓從(4.28 ± 0.55) kPa增至(9.74 ±0.57) kPa;功率從60 W到80 W時(shí),胰管爆破壓持續(xù)降低,說明過高的熱效應(yīng)會破壞焦痂結(jié)構(gòu);電刀功率在60 W附近時(shí),生成的焦痂具備最佳胰管封閉效果. 文獻(xiàn)報(bào)道中狗胰管的爆破壓為8.00~40.00 kPa[10],與本研究爆破壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似.
2.1.2 作用時(shí)間的影響
干燥模式下作用功率為60 W,電極前端直徑為2.00 mm時(shí),爆破壓隨作用時(shí)間增加的變化趨勢如圖3所示. 由圖3可知:作用時(shí)間從1.00 s到2.00 s時(shí),作用時(shí)間的延長使能量能傳導(dǎo)深度增加,進(jìn)而使得焦痂厚度增加,爆破壓升高;作用時(shí)間從2.00 s到5.00 s時(shí),胰管爆破壓下降,說明延長作用時(shí)間雖然能增加焦痂厚度,但也會導(dǎo)致焦痂碳化嚴(yán)重,破壞焦痂結(jié)構(gòu);作用時(shí)間在2.00 s附近時(shí),生成的焦痂具備最佳胰管封閉效果.
圖3 不同作用時(shí)間下豬胰管爆破壓Fig. 3 Burst pressure of porcine pancreatic duct under different action time
2.1.3 電極直徑的影響
干燥模式下作用功率為60 W,作用時(shí)間為2.00 s時(shí),爆破壓隨電極前端直徑增加的變化趨勢如圖4所示. 由圖4可知:電極前端直徑從1.00 mm到2.00 mm時(shí),電極前端與組織的接觸面積擴(kuò)大,局部電流密度減小,電火花對焦痂表面結(jié)構(gòu)的破壞程度減弱,爆破壓升高;電極前端直徑從2.00 mm到5.00 mm時(shí),爆破壓緩慢下降,說明電流密度減小雖然使電火花對焦痂表面結(jié)構(gòu)的破壞程度減輕,但電極產(chǎn)熱分散,主胰管附近組織無法獲得足夠熱量,組織收縮程度不夠,導(dǎo)致胰管封閉效果變差;電極前端直徑在2.00 mm附近時(shí),生成的焦痂具備最佳胰管封閉效果.
圖4 不同直徑電極作用下豬胰管爆破壓Fig. 4 Burst pressure of porcine pancreatic duct under different diameter electrodes
圖5為具有不同胰管封閉效果的焦痂表面激光共聚焦顯微鏡(LSCM)形貌圖. 由圖5可知:爆破壓高的胰腺組織斷面焦痂表面孔洞直徑較小、孔洞數(shù)量較少、碳化程度較輕,且無明顯貫穿孔洞. 圖6為具有不同胰管封閉效果的焦痂剖面光學(xué)顯微鏡(OM)形貌圖,由圖6可知:爆破壓高的胰腺組織焦痂剖面碳化區(qū)較薄,過渡區(qū)與碳化區(qū)總體厚度較厚,胰管封閉區(qū)域厚度明顯大于對照組;圖6(a)中胰管并未被焦痂完全封堵,圖6(b)中胰管封閉效果較好,但是焦痂過渡區(qū)與碳化區(qū)以及正常組織之間均有裂縫,易被液體滲漏. 結(jié)合具有不同胰管封閉效果的焦痂剖面形貌、焦痂表面形貌以及胰管爆破壓數(shù)據(jù)表明,胰腺組織焦痂形貌結(jié)構(gòu)與胰管爆破壓高低有密切聯(lián)系.
圖5 焦痂表面LCSM形貌Fig. 5 LCSM morphology of eschar surface
圖6 焦痂剖面OM形貌Fig. 6 OM morphology of eschar section
單因素試驗(yàn)結(jié)果表明以上3個(gè)因素均對胰管封閉效果存在顯著影響,因此選擇高頻電刀的功率(A)、高頻電刀的作用時(shí)間(B)以及高頻電刀電極前端直徑(C)進(jìn)行三因素三水平的響應(yīng)面分析試驗(yàn),各因素的水平根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果確定,具體數(shù)值見表1.
表1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平表Tab. 1 Levels of independent variables for BBD
通過Box-Benhnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理獲取17個(gè)試驗(yàn)點(diǎn),并通過體外模擬試驗(yàn)獲取了各試驗(yàn)點(diǎn)的胰管爆破壓試驗(yàn)數(shù)據(jù),如表2所示. 采用Design-Expert進(jìn)行二次響應(yīng)面回歸分析,得到式(3)所示多元二次響應(yīng)面回歸模型.
表2 響應(yīng)面試驗(yàn)點(diǎn)與試驗(yàn)結(jié)果Tab. 2 Test points and results of BBD
如表3所示,胰管爆破壓方程模型的F值為67.95,表明該方程模型極顯著. 校正復(fù)相關(guān)系數(shù)與預(yù)測復(fù)相關(guān)系數(shù)差異小,且均接近1,說明該方程模型無需進(jìn)一步優(yōu)化. 該方程模型中的一次項(xiàng)A顯著(P< 0.05),一次項(xiàng)B、C,二次項(xiàng)AB、AC、A2、B2、C2極顯著(P< 0.01),這說明各因素除了單獨(dú)對爆破壓有影響外,它們之間還有明顯的交互作用. 變異系數(shù)顯著低于15%表示所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)無明顯異常;此外,失擬項(xiàng)表示模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合程度,如表3所示,該模型的失擬項(xiàng)極不顯著(P值0.247? 0.05),表明該回歸方程模型的擬合值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比非正常誤差占比小,無失擬因素存在. 信噪比的數(shù)值(21.786)較大,表明用該方程模型對胰管爆破壓進(jìn)行預(yù)測分析極為可靠.
表3 爆破壓響應(yīng)面回歸模型方差分析Tab. 3 ANOVA test results for burst pressure model
通過爆破壓的殘差正態(tài)概率圖(圖7)可以判斷殘差是否服從正態(tài)分布,爆破壓殘差點(diǎn)位于直線兩側(cè),服從正態(tài)分布. 模型的擬合度圖(圖8)為爆破壓預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值的對應(yīng)關(guān)系,預(yù)測值是根據(jù)回歸方程模型計(jì)算得到的響應(yīng)值,可以看到預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值分布規(guī)律吻合,大致處于同一直線上. 方差分析結(jié)果表明,該模型能較好地?cái)M合實(shí)驗(yàn)結(jié)果,因此可用該響應(yīng)面方程模型來分析各因素之間的作用關(guān)系并獲取各因素的最優(yōu)組合.
圖7 殘差正態(tài)概率Fig. 7 Residual normal probability
圖8 方程模型的擬合度Fig. 8 Goodness-of-fit of empirical model
等高線及響應(yīng)曲面圖可以直觀地反映各自變量對因變量的影響,便于找出最佳機(jī)電參數(shù)以及各個(gè)機(jī)電參數(shù)之間的相互作用關(guān)系. 當(dāng)?shù)雀呔€圖趨向于圓形時(shí),說明兩個(gè)因素相對獨(dú)立的對響應(yīng)值產(chǎn)生影響,當(dāng)?shù)雀呔€圖趨向于橢圓形時(shí),說明兩個(gè)因素之間有顯著的交互作用[17];而在響應(yīng)曲面圖中,可以通過曲面的傾斜度確定某個(gè)因素對響應(yīng)值的影響程度,曲面傾斜度越高、坡度越陡,說明該因素對響應(yīng)值影響越顯著,傾斜度可以從顏色變化趨勢來判斷,由藍(lán)到紅的變化趨勢越快,說明坡度越陡. 在本研究中將高頻電刀的功率(A)、高頻電刀的作用時(shí)間(B)和高頻電刀電極前端直徑(C)分為(A,B)、(A,C)和(B,C) 3組進(jìn)行對比分析.
不同時(shí)間和功率作用下胰管爆破壓等高線及響應(yīng)曲面如圖9所示,由圖9可知:等高線大致呈橢圓形,這表明作用時(shí)間和電刀功率之間有較強(qiáng)的交互作用;從響應(yīng)曲面的顏色變化趨勢可以看到,作用時(shí)間的響應(yīng)曲面略陡于電刀功率的響應(yīng)曲面,而作用時(shí)間的等高線密度也略高于電刀功率,因此能判斷出電刀的作用時(shí)間對爆破壓的影響程度相比電刀功率更顯著;同時(shí),從響應(yīng)曲面能明顯看出爆破壓并不會隨著作用時(shí)間或者作用功率的增加或者減小發(fā)生發(fā)散性變化,而是在某個(gè)區(qū)域內(nèi)存在一個(gè)最佳響應(yīng)峰值;在最佳響應(yīng)區(qū)域內(nèi)胰管爆破壓大于9.00 kPa,電刀的作用時(shí)間在1.50~2.50 s,電刀的作用功率在55~65 W.
圖9 不同作用功率和作用時(shí)間下爆破壓等高線與響應(yīng)曲面Fig. 9 Contour plots and Response surface of burst pressure under different power and times
不同功率和電極前端直徑作用下的等高線及響應(yīng)曲面如圖10所示. 由圖10可知:等高線趨向于圓形,這表示電刀功率和電極前端直徑對爆破壓的交互作用較弱,兩個(gè)因素相對獨(dú)立地對爆破壓產(chǎn)生影響;從響應(yīng)曲面的顏色變化趨勢可以看到,電極前端直徑的響應(yīng)曲面略陡于電刀功率的響應(yīng)曲面,而電極前端直徑的等高線密度也略高于電刀功率,因此能判斷出電極前端直徑對爆破壓的影響程度相比電刀功率更顯著;同時(shí),從響應(yīng)曲面能明顯看出爆破壓并不會隨著功率和電極前端直徑的增加或者減小發(fā)生發(fā)散性變化,而是在某個(gè)區(qū)域內(nèi)存在一個(gè)最佳響應(yīng)峰值;在最佳響應(yīng)區(qū)域內(nèi)胰管爆破壓大于9.00 kPa,電刀的作用功率在55~65 W,電極前端直徑在1.50~3.00 mm.
圖10 不同電極前端直徑和作用功率下爆破壓等高線與響應(yīng)曲面Fig. 10 Contour plots and Response surface of burst pressure under different electrode diameter and power
不同時(shí)間和電極前端直徑下的等高線及響應(yīng)曲面如圖11所示. 由圖11可知:等高線趨向于圓形,這說明作用時(shí)間和電極前端直徑對爆破壓的交互作用較弱,兩個(gè)因素相對獨(dú)立地對爆破壓產(chǎn)生影響;從響應(yīng)曲面的顏色變化趨勢可以看到,兩個(gè)因素的響應(yīng)曲面陡度無明顯區(qū)別,等高線密度基本一致,因此能判斷出作用時(shí)間與電極前端直徑對爆破壓的影響程度相當(dāng);同時(shí),從響應(yīng)曲面能明顯看出爆破壓并不會隨著作用時(shí)間和電極前端直徑的增加或減小發(fā)生發(fā)散性變化,而是在某個(gè)區(qū)域內(nèi)存在一個(gè)最佳響應(yīng)峰值;在最佳響應(yīng)區(qū)域內(nèi)胰管爆破壓大于9.00 kPa,電刀的作用時(shí)間在1.50~3.00 s,電極前端直徑在1.50~3.00 mm.
圖11 不同電極前端直徑和作用時(shí)間下爆破壓等高線與響應(yīng)曲面Fig. 11 Contour plots and response surface of burst pressure under different electrode diameter and times
綜上所述:高頻電刀的作用功率、作用時(shí)間之間具有較顯著的交互作用,二者共同對胰管爆破壓產(chǎn)生影響;電極前端直徑與電刀功率、作用時(shí)間無顯著交互作用,相對獨(dú)立的影響胰管爆破壓;電刀功率相比電極前端直徑和作用時(shí)間對爆破壓的影響程度較弱.
通過多元二次回歸方程模型得到如下最佳機(jī)電參數(shù):電刀功率59.39 W、作用時(shí)間2.18 s、電極前端直徑2.31 mm. 為探究最佳機(jī)電參數(shù)下的焦痂結(jié)構(gòu),選取電刀功率59.00 W、作用時(shí)間2.00 s、電極前端直徑2.30 mm進(jìn)行了體外模擬實(shí)驗(yàn),獲取了焦痂表面形貌和焦痂剖面形貌結(jié)構(gòu)特征.
如圖12(a)所示,焦痂表面孔洞直徑較小,大部分孔洞直徑為100~200 μm,無明顯貫穿孔洞,碳化程度較輕,具有良好的致密性. 如圖12(b)所示,焦痂剖面分為碳化區(qū)及過渡區(qū),碳化區(qū)較淺,碳化區(qū)與過渡區(qū)總體厚度較厚,兩個(gè)區(qū)域之間無明顯裂縫,且過渡區(qū)與組織結(jié)合較為緊密. 此外,右部胰管封閉效果較好,胰管封閉厚度約為1023 μm,且胰管封閉區(qū)域組織有一定程度的收縮,起到封堵胰管的作用. 結(jié)果表明,具有良好胰管封閉效果的焦痂表面具有較高的致密性,整體厚度適中,焦痂碳化區(qū)較薄,過渡區(qū)與碳化區(qū)以及正常組織之間均無明顯縫隙,胰管封閉區(qū)域組織有一定程度的收縮.
圖12 最佳機(jī)電參數(shù)作用下焦痂形貌Fig. 12 Morphology of eschar under the best electromechanical parameters
本研究中豬胰管直徑在1.30 mm左右,而人體主胰管直徑通常在2.00~3.00 mm,Halle-smith 等[18]以及Liu等[19]研究表明胰管直徑對術(shù)后胰瘺有顯著影響. 另外,離體實(shí)驗(yàn)的溫度環(huán)境和體溫相差較大,可能對結(jié)痂效果產(chǎn)生影響;其次,離體豬胰管中無液體流動,而實(shí)際手術(shù)過程中,胰腺內(nèi)的液體流動的流量和壓力會對結(jié)果造成一定偏差. 本研究中基于離體實(shí)驗(yàn)方法,建立了研究最佳封閉效果機(jī)電參數(shù)的分析手段,將為動物活體實(shí)驗(yàn)參數(shù)的選取提供依據(jù).后續(xù)的活體實(shí)驗(yàn)中應(yīng)充分考量環(huán)境溫度、流體壓力和流量、胰管直徑等因素對胰管封閉效果的影響. 現(xiàn)階段研究結(jié)果有助于高頻電刀在胰腺外科防胰瘺治療領(lǐng)域的有效應(yīng)用.
本研究利用爆破壓測試方法對胰管封閉效果進(jìn)行定量分析. 基于響應(yīng)面分析法,獲取高頻電刀關(guān)鍵機(jī)電參數(shù)之間的交互作用關(guān)系以及具有最佳胰管封閉效果的機(jī)電參數(shù),結(jié)論如下:
1) 電極前端直徑主要通過改變局部電流密度,從而影響焦痂表面的致密度和組織收縮程度,是影響胰管封閉效果的獨(dú)立因素.
2) 電刀功率和作用時(shí)間共同改變整體能量輸出大小,影響焦痂的厚度以及焦痂的碳化程度,兩者之間有顯著性的交互作用,共同對胰管封閉效果產(chǎn)生影響.
3) 干燥模式下具有最佳胰管封閉效果的機(jī)電參數(shù)為電刀功率59.39 W、作用時(shí)間2.18 s、電極前端直徑2.31 mm. 離體實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該參數(shù)作用后生成的焦痂表面結(jié)構(gòu)致密,胰管封閉厚度適中,組織有一定程度的收縮,具有良好的胰管封閉效果.