离体猪胸主动脉的热传导率测试及分析*

刘欢，李立青，李学敏，黄振华

(哈尔滨工业大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

1 引 言

电外科血管闭合手术技术是利用频率为大约300-550 kHz的交流电通过具有生物阻抗的血管组织时产生的热效应使组织中蛋白质变性，与此同时，借助于施加在血管组织上的压力使血管内腔粘连在一起使血管形成闭合[1-4]。基于电热效应原理的电外科血管闭合技术是一种较新的血管闭合技术，该技术同传统的手动血管结扎手术相比，具有缩短手术时间和利于术后康复等优点[5-6]。尽管电外科血管闭合术具有上述优势，但手术过程中产生的热量对闭合位置邻近组织或神经的潜在热损伤[7-11]仍是该技术需要继续解决的问题。显然，准确预测手术部位组织的温度及其变化趋势有助于减小热量对旁系组织损伤，其关键技术是获得所关注组织热物参数及其随温度变化的特点，因为组织热物参数决定了其热传递能力。获得生物组织热物参数及其变化规律是深入研究生物传热特性及电外科血管闭合机理的前提[12]。因此，本研究从为降低对临近组织热损伤及了解热量在血管闭合过程中的传导的视角出发，采用准稳态法对血管组织的热物理参数进行测试研究。

目前已有针对生物组织热物参数测试方面的研究工作[13-21]，但由于生物个体差异和实验条件的不同，现有的热物参数数据的一致性不理想[22-24]，将其有效应用在临床医学中还需要进一步研究。而且，目前对电外科血管闭合手术中所涉及到的血管组织热物参数的研究相对较少，因此展开血管组织热物参数测试及其随温度变化的研究对于确定电外科血管闭合手术中的热量传输和减小热量扩散很有必要。

生物组织热物参数的测量可以分为稳态法[25-26]和瞬态法[26-30]。其中，瞬态法测量热物性测试时间短、响应快，但控制技术较复杂，对实验装置制作精度要求较高。稳态法是在稳定状态下通过热传导的傅立叶定律测量物质的热属性，物质热传导率可以表示为材料的表面温度和维数的函数，物理概念容易理解，但测量时间较长；相比于稳态法，准稳态法[25,26]是动态稳定状态下的测量方法，能够缩短稳态法的测量时间，兼具有操作控制相对简单的优点。不同于其它软组织，血管组织尤其是主动脉组织结构致密，单层组织具有相对较好的刚度，较适合于准稳态法；且用准稳态法测试过程与电外科血管闭合手术具有一定的相似性。有学者采用稳态法用于牛骨组织热传导率的研究[26]，但关于血管组织的研究仍未见报道。因此，本研究首先采用准稳态法进行家猪主动脉血管热传导率测试研究，以期获得离体家猪主动脉热传导率数据以及热传导率与温度的关系，并了解血管组织热传导率与组织阻抗等影响规律，为降低电外科手术热损伤和新型热诊断技术提供研究基础。

2 实验原理简介

与稳态法相似，准稳态法测量某物质热传导率的基本原理是平板试样一面受恒定热流密度加热，另一面在绝热的情况下经初始热传导后试样各处都以同一速率升温，即保持热流任意两点温差恒定的状态，因此准稳态方法[25]是一种动态稳定测量方法。

本研究利用准稳态平板法测量血管组织热传导率的原理见图1，将管状的家猪主动脉血管沿轴线剖分，并按着根据准稳态法设计的实验装置预留的尺寸切割血管，使其成为平面状(见图2)，然后将组织放置在两个平板中间，热量由下板经过离体组织至上板方向传递，保持热量在两平板之间传递。当上下板的温度变化保持恒定即达到稳态时，可得到被测组织的热传导率计算公式[25]：

(1)

式中，kT为温度T时刻离体组织的热传导率；ΔX为平板间组织的厚度；q为加载到平板上的热流密度；T1,T2分别为达到稳态后上下平板的温度。

计算的kT中的T取为上下两板温差的平均值，本研究的温度取为上下两板温度的平均值，即

利用式(1)进行热传导率测量时，试件即离体家猪主动脉的厚度在实验之前精确测量得到，只需要准确测量组织上下表面的温度和加载在平板上的热流密度，就可以计算出试件在温度T时的热传导率。这里，热流密度可以根据加热装置的功率及试样的面积计算得到，而上下两平板的温度由微型热敏电阻测得。

图1 准稳态平板法测量生物组织原理图

根据组织的热扩散率与热传导率之间的关系，热扩散率[31-32]可以根据所测得的热传导率通过计算得到，热扩散率αT计算公式表示为:

(2)

式中：ρ为材料的密度；C为材料的比热。

3 血管获取和实验装置

3.1 血管获取与处理

从屠宰场购买猪胸主动脉血管，为尽量保持血管组织的生物活性，防止在运送和保存的过程中流失过多的水分，将血管放置在生理盐水中，并将其放置在装有冰块的恒温箱中贮存，运送至实验室后放入-4°C冰箱中保存，并尽量在48 h内进行测试。实验前用生理盐水清洗组织，使用剪刀和镊子等工具剔除掉血管表面上一层厚厚的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。图2(a)为从屠宰场取得的部分猪胸主动脉剔除结缔组织后的照片。图2(a)从左到右血管内径分别为15.6、18.1和20.4 mm。清理之后，将血管沿轴线方向切成尺寸约为20 mm×30 mm的试样，见图2(b)，切割实验样品时要避开主动脉上各分流血管形成的空洞。实验时对组织试样的3个不同位置点进行测量，取其平均值为试样的厚度值。

(a)

(b)

3.2 实验装置

准稳态平板法测试装置原理见图3，该装置主要由上层均温板、尼龙柱、隔热纸、电热膜和双下层均温板组成。这里的上下层均温板选用紫铜材料，目的为使热量在平板中传导迅速且温度均匀。

图3 准稳态平板法测量生物组织热传导率装置

Fig3Thedeviceprincipleofquasisteadystateplatemethodforthermalconductivitymeasurementofbiologicaltissue

此外选取Honeywell公司生产的微型热敏电阻111-202CAK-H01(见图4)作为测温传感器，并将其制作成探头，分别镶嵌在装置的上层均温板和下层均温板中心，实现对组织温度进行实时测量。测试实验前，首先使用精度为0.5%的精密万用表和精度为0.1℃的精密温度计来完成热敏电阻的标定以准确测量组织温度。本实验需要3支热敏电阻探头，各热敏电阻探头的标定实验结果见图5。

测量实验时，为准确计算血管组织的热传导率，将多块试样重叠在一起放置在下层均温板中间凹槽处，将上层均温板压在试件上，靠两侧的尼龙柱来定位，以确保试样对准均温板的中心位置，也使得测温传感器彼此轴向对准以减小误差。在双下层均温板之间安装带有导电碳晶纤维的透明聚酯电热膜作为加热单元，通过调节施加在电热膜上的加载电压来提供实验所需不同的热流密度。在双下层均温板的外表面放置隔热纸，以防止热量散失过快难以达到准稳态，同时可以减少试件周围平板的热量通过空气对流和辐射的方式传导到上层均温板。定位柱销采用尼龙材料也是为了减少上下两层均温板之间的互相影响，以提高装置的测量精度。

图4 试验中所用的热敏电阻

图5 实验中所用热敏电阻标定结果

Fig5Thecalibrationresultsofthethermistors

4 实验结果与讨论

利用上述实验装置，进行了家猪离体主动脉准稳态法试验。试验时，将血管组织放置在上下板之间，然后给电热膜通电加热组织，通过实验前标定完成的热敏电阻来测量上、下紫铜板的温度，记录下紫铜均温板的温度，进而可以根据式(1)得到在某温度下组织的热传导率。施加给电热膜不同的电压，则将血管加热到不同温度，从而可以计算得到在不同温度下血管组织的热传导率，进而分析研究血管组织热传导率的变化情况。

血管组织的热扩散率平均值按式(2)计算得到。根据文献[31]的研究结论，热扩散率中密度和比热的乘积值在不同温度下变化很小，因此热扩散率的计算中密度与比热的乘积按PC=1055×850J/m3K取值。

首先完成了在常温状态下离体家猪主动脉血管在26.5℃时的热传导率的实验，得到此时家猪主动脉血管的热传导率k=0.415W/mK，对应的热扩散率α=4.628 m2/s。

另外，不同温度下家猪胸主动脉血管的热传导率变化情况见图6。由图6可知，血管试样在54℃下的热传导率平均值为0.4099 W/mK。在54～63℃的温度范围内，血管组织的热传导率随着温度的增加而非常缓慢增加，此规律与以往其它生物组织关于热传导率随温度变化的趋势相同[13-17]；在25～63℃的范围内，热传导率总体变化不明显；当温度从63℃升高至79℃时，血管组织的热传导率随着温度的增加而呈现小幅下降的趋势，下降幅度大约为1.0%左右；当温度在79℃至大约90℃范围时，观察血管组织热传导率变化趋势，发现当温度高于79℃时，热传导率呈现急剧下降趋势，当温度接近90℃时，试样的热传导率比在54℃时的值减小了51%，热传导率已经降至0.201 W/mK。这是由于组织失去水分，此温度下试样已经变得非常干燥。

图6 热传导率随温度变化曲线

本文准稳态法测试结果表明，除了温度对血管热传导率有直接的影响，由于温度原因导致组织的含水量的变化是影响组织热传导率的主要原因。这是因为当血管组织温度高于一定温度时，如63°C时，随着组织的持续加热，组织持续失水导致含水量下降，此时热传导率会呈现下降趋势，当温度继续升高至接近90℃时，组织已经变得很干燥，此时试样热传导率有较大幅度的下降。因此，在组织温升较高的情况下，相比于温度，含水量对组织热传导率影响更加明显。

我们发现图6的组织热传导率随温度的变化情况与生物组织的阻抗-温度特性有吻合之处。虽然不同的生物组织其阻抗值有所不同，但研究表明生物组织大体符合图7所示的规律[32]。通常生物组织电阻抗从37℃开始，随组织温度的升高阻抗值逐渐降低，在60℃附近达到最小值；组织在达到最小值后随温度上升组织蛋白质开始变性，生物组织逐渐变得干燥，组织的阻抗值也逐渐增加。通常生物组织的凝结温度在60～90℃之间，对应于图7所示的阻抗值的b点和d点之间；当组织温度超过70℃之后，由于组织失水较多，组织变得干燥，其阻抗值上升很快，而相应的热传导率下降很快，在温度继续上升至100℃以后，阻抗值的上升速率变快。另外，利用自行研制的双极血管闭合电源进行血管组织电凝试验验证了上述分析。

图7生物组织阻抗-温度特性曲线[32]

Fig7Thecharacteristiccurveofbiologicaltissueimpedancewithtemperature[32]

对比图6和图7可以发现，本研究采用的准稳态法获得的血管组织热传导率随温度变化规律与生物组织阻抗与温度之间表现的规律所对应的温度区间十分相近，因此，可以在同一温度区间内将热传导率和阻抗的变化情况联系起来，进一步讨论二者所具有的关联性，这对促进电外科血管闭合技术是十分有益的：掌握血管组织的热传导率有利于通过有限元方法分析预测组织热传导情况；此外，可以通过测量阻抗变化趋势反应组织热传导率的变化趋势，从而有利于从加强电外科电源设计及手术过程实时监控等技术手段来降低组织热损伤。目前，国外先进电外科装备具有自动检测极间组织阻抗的功能，而我国生产的电外科装备尚缺少此功能，我国对这方面研究薄弱。因此，加强这方面研究有利于促进我国电外科技术的发展，同时有助于监控双极电外科手术中血管闭合过程组织热传递过程。

根据热传导率计算得到的血管组织的热扩散率的平均值见表1。血管组织热扩散率呈现和热传导率相似的温度特性。

表1 家猪主动脉血管热扩散率

5 结论

基于准稳态平板法对离体猪胸主动脉热传导率进行了研究，得到其热传导率数据，分析了热传导率随温度的变化特性，在初始含水量较大时，离体猪胸主动脉热传导率在50～63℃的范围内随温度增大而缓慢增大，组织温度大于63℃且小于79℃范围内，血管组织热传导率缓慢下降；当温度大于80℃，由于水分持续减少，含水量的改变对热传导率的影响高于温度改变的影响，此时热传导率急剧下降。此外，发现血管组织的热传导率-温度变化规律与组织阻抗-温度特性所对应的温度区间吻合，这为进一步分析研究血管组织热传导率与温度的关系和生物组织阻抗与组织温度特性对应关系提供了依据。本研究结果有助于了解血管组织传热机理，为改进电外科血管闭合手术设备和改善温度的精确控制提供实验基础和指导作用。