基于血管组织保护的微细水刀切割猪肝脏实验研究

卢萍，张宇，侯荣国，王湘田，吕哲

(山东理工大学 机械工程学院，山东 淄博 255049)

在临床外科手术中切除坏死和失去活力的组织时，需按一定要求保留血管、肝胆、神经等组织; 因此，精准的去除切割技术在外科领域有着重要的作用[1]。但传统的医用手术刀、电刀，不仅容易发生“一刀切”的现象，而且会伴随热损伤等二次伤害，从而影响手术成功率和术后恢复[2]。20世纪90年代初，Papachristou等[3]首次将水射流技术引入医学领域用于肝脏外科手术。考虑到外科手术中血管损坏、修复和止血等问题，Rau等[4]开始将专业设计的医用水刀运用到临床中。从此，水刀在外科手术的临床医用中逐渐得到普及。2014年，日本东北大学Nakanishi等[5]、Kunikata等[6]研发了一种由压电致动器驱动的医用脉冲水射流装置(ADPJ)用于临床试验。将ADPJ装置在不同压力下分别应用于动物眼、脑、肝、神经的外科手术，还能够起到组织选择性分离的作用，组织出血量比刚性分离术少[7-9]。经过近30年的发展，医用水刀在临床的应用经验越来越丰富，但总的来看医用水刀技术在国内还不够成熟，在不同韧性和弹性的人体组织结构选择性分离切除方面还未形成完整的理论体系，仍需进行深入研究。

本文选择猪肝脏为实验样本，猪肝脏的泊松比为0.40，与人体的肝脏组织比较接近[10]，且形状结构、血管分布、厚度与人体相似，并且容易获取。肝脏是由传入、传出的导管系统和血管系统组成的三维网格系统，由于胶原蛋白和弹性蛋白含量较高， 所以这些导管和血管系统的结构和阻力与肝实质有着本质上的不同。在使用微细水射流从肝实质不同位置机械地分离导管和血管系统时，表现出来的分离效果是不一样的[11-12]。因此，本文在微细水刀切割肝脏组织单因素实验的基础上进行了不同射流压力和不同切割方式的实验对比研究，旨在通过猪肝脏切割实验研究微细水刀对组织切割的选择性和保护性，为微细水刀在医学领域的开发利用提供相关依据。

1 材料与方法

1.1 实验设备

使用自主研制的微细水刀加工装置对新鲜的猪肝脏右叶进行切割分离实验，实验加工系统如图1所示。该实验加工装置主要由气液增压系统、射流系统、多轴运动控制系统等组成，其中微细水刀的增压方式为气液增压。

(a)试验平台

实验所用的微细水刀喷头是经过结构优化后的过渡圆角喷嘴，如图2所示。喷嘴直线段长度L=2 mm，平直段长度I=0.5 mm，过渡圆角直径φ=0.4 mm，喷嘴直径d=0.1 mm，该喷嘴设计为过渡圆角，能够确保在切割过程中，射流具有良好的集束性和稳定的压力值，从而减缓在喷嘴出口处轴向动压力和轴向速度的衰减；并且0.1 mm的喷嘴直径，能够获得极其细小的切割宽度，从而减小微细射流对组织的损伤性。

图2 过渡圆角喷嘴

经高压喷嘴后射流速度为

(1)

喷嘴的实际流量为

q=vdAd,

(2)

式中：ρ为流体密度(kg/m3)；Ad为出口截面积(m2)；pD为射流入口压力(MPa)；vd为射流出口速度(m/s)即收缩面速度；ξ为阻力系数。

本文所用微细水刀射流压力范围为3～7 MPa，水的密度为998 kg/m3，流体粘度为10-3Pa/s，喷嘴出口流速和流量见表1。

表1 喷嘴出口系列参数

1.2 实验材料

本文选用新鲜完整的猪肝脏做为实验材料。其要求条件为：生猪死亡时间在2～4 h，并保持室温24 ℃。在实验过程中需定时喷洒Kreb溶液，以尽量减少肝脏组织的降解和脱水问题，从而保证实验结果的准确性。

多数生物材料因厚度较大，光线不易透过，且细胞内各结构的折射率相差很小，所以难以观察微观形态。为便于观察医用手术刀和微细水刀两种切割方式对肝脏组织损伤的影响，需将切割后的组织进行切片和染色处理。由于猪肝脏组织在零应变状态下刚度很低，自身重力引起的变形很大，所以采用石蜡包埋切片的形式制作多组平行组织样本，并将组织切片样本进行脱蜡染色(H&E染色)。经染色处理后，可以清晰观察肝脏组织的中央静脉结构、门管区结构、肝细胞结构及细胞形态。

1.3 实验方法

采用压力单因素实验，选择直径为0.1 mm的过渡圆角射流喷嘴，切割靶距为6 mm，工作压力范围为3～7 MPa，设定射流冲击角度为90°。因为材料的破坏发生在极为短暂的时间内，随着冲击时间的增加，在组织切割槽底部易出现压力水，会减弱射流的切割力，所以采用快速反复横移的方法进行切割。在实验过程中，记录不同的射流冲击压力对猪肝脏实质与血管的分离情况。

采用不同的切割方式进行对比实验，分别使用23号医用手术刀和微细水刀加工装置切割猪肝脏(见图3)并制作组织学切片样本，观察切割断面微观表面形貌，分析微观结构变形情况以及是否有明显出血点，进而判断两种切割方式的性能差异。

图3 微细水刀切割猪肝脏组织实验

2 结果与分析

2.1 实验检测仪器

图4为分别采用23号医用手术刀和微细水刀加工装置对猪肝脏进行切割后的效果图。

图4 切割效果图

使用游标卡尺测量不同压力下对肝脏组织切割过程中所保留血管的直径，使用Leica生物显微镜(型号：DM1000)检测猪肝脏组织切片样本的切割表面微观形貌。

2.2 射流压力对肝脏组织分离的影响规律

图5是用微细水刀切割猪肝脏组织材料的实验前后对比图。结果表明：射流压力为4 MPa时，猪肝脏组织出现明显裂痕，组织与血管开始发生分离，但分离效果并不明显；射流压力为5 MPa时，能够保留直径为0.8 mm的血管；射流压力为6 MPa时，微细射流束对0.8 mm的血管具有明显的破坏作用，但能够保留1 mm的血管；射流压力为7 MPa时，可以完整保留直径为1.2 mm的血管，对1 mm的血管具有一定的破坏性。

(a)猪肝脏实质

使用游标卡尺测量本次实验过程中所保留血管，在无应力条件下最细的血管为0.8 mm，实验结束时能够将5支动静脉血管与肝脏组织分离。由此可知，对于特定的组织或器官，经实验研究可确定一个精准的压力值，进行有选择的切割去除，进而保护其他组织和器官。

2.3 微细水刀切割猪肝脏断面微观形貌分析

图6是两种切割方式下猪肝脏微观形貌的组织切片样本，图6 (a)是微细水刀压力为5 MPa时切割后的组织切片样本,图6 (b)是23号医用手术刀切割后的组织切片样本。实验结果表明：经微细水刀切割后的猪肝脏组织切片，肝细胞体形完整且排列整齐；由相邻肝小叶组成的结缔组织——门管区，结构清晰，但其小叶间动脉、小叶间胆管和小叶间静脉有轻微的损伤；位于肝小叶长轴中间的中央静脉，结构完整；相邻肝细胞间局部质膜凹陷形成的封闭管道——胆小管，结构无变形。由于采用包埋式制作的组织切片，致使组织失活较为严重，以及平行组织切片中红细胞活性较差，所以无法观察出血点是否明显。

(a)微细水刀切割组织样片

使用23号医用手术刀切割后的猪肝脏组织切片，肝细胞形态排列紊乱，相邻肝细胞局部形成的胆小管变形，有少量细胞核进入门管区；中央静脉变形严重，结构受到破坏，在静脉内出现大量细胞质等液体。这是因为医用手术刀为刚性切割，其弹性模量要远远大于猪肝脏，所以在压下式切削过程中，即使较小的切削力也能够导致组织发生破坏。但是微细水刀作为柔性切割，在切割过程中的切割动能大小由射流压力所决定，对于结构不同、性能不同的组织会产生不同的切割效果，进一步推出微细水刀技术对组织具有一定的切割选择性和保护性。

3 结论

1)将微细水刀应用到医学领域时，可以通过精准控制水射流的压力，有选择性地切割手术中所需去除的材料，从而避免对其他组织和器官所存在的潜在损伤性。精确的压力值可以在手术中有效地减少血管的破损和失血量，在一定程度上降低手术风险。

2)微细水刀利用高动能射流束对组织进行切割分离时，不会对组织表层和内部血管、胆管等结构密集的软组织产生热损伤，并且能够对内部软组织的结构有一定的保护作用。这种特有的组织选择性和有效保护性能够减少手术创伤，有利于伤口的术后恢复。

3)通过深入的实验研究，不断地探索微细水刀切割组织的机理，必然会对临床医学带来有效的指导。随着对微细水刀不断的认识和了解，其应用领域可逐步拓展到骨科、眼科、创伤等外科领域；因此，医用水刀在医学方向具有广阔的应用前景。