CN112957124A

CN112957124A - 一种能量靶向调控的激光生物组织焊接缝合方法

Info

Publication number: CN112957124A
Application number: CN202110134684.4A
Authority: CN
Inventors: 王克鸿; 李聪; 张明朗; 夏浩
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2021-01-30
Filing date: 2021-01-30
Publication date: 2021-06-15
Anticipated expiration: 2041-01-30
Also published as: CN112957124B

Abstract

本发明涉及一种能量靶向调控的激光生物组织焊接缝合方法，包括测量生物组织对激光的吸收系数以及激光在组织中的穿透深度，通过激光发生器及光信号传感器完成。对生物组织的处理，在合适的深度进行染色。所用染色剂为吲哚菁绿与壳聚糖的混合物，具有较好的生物相容性及对激光的竞争性吸收；将调配好的染色剂施加于预定深度，使染色剂填充焊缝并用夹具施加侧向压力贴合焊缝，预留0.2‑0.3mm空隙让激光通行，对焊缝进行扫描焊接。利用本方法进行生物组织焊接，可实现对各种厚度的生物组织切口焊缝进行全厚度焊接，适用于皮肤组织、肌肉组织的焊接缝合，且焊缝缝合适应性强，操作方便、耗时短，无毒无排异，缝合强度高，对于外科手术切口能够加快恢复速度。

Description

一种能量靶向调控的激光生物组织焊接缝合方法

技术领域

本发明属于激光外科领域，特别是一种能量靶向调控的激光生物组织焊接缝合方法。

背景技术

在临床手术中，最常见的伤口处理方法之一便是针线缝合，针线缝合技术是一种快速直接的伤口闭合手术，在某些场合具有不可替代的作用。但针线缝合手术也有其使用的局限性。首先，手术中所用的缝线虽有可吸收缝线、不可吸收缝线之分，但对于人体来说，任何缝线都是外来物。作为一种接触式伤口愈合方法，遗留在体内的缝线会使人体产生不良反应，轻则会引起局部不适，重则会引发红肿痛等炎症反应，影响伤口愈合速度。再者，针线缝合无法做到即时的伤口无间隙闭合，在物理上近似于组织的不连续性，从而伤口无法避免被细菌感染。另外，随着时代的发展，人们的审美标准也在不断提高，对于爱美人士来说，针线缝合刺激组织过度角质化，胶原沉积不规则等，产生的瘢痕会使其难以接受。或者，胶水、密封剂和粘合剂依赖于与组织的化学作用，通常以缓慢的聚合速率进行。许多粘合剂，包括氰基丙烯酸酯和纤维蛋白胶，封闭性差，粘附性差，有毒，抑制细胞迁移。因此，为解决针线缝合技术固有缺陷，顺应时代的发展需求，越来越多新兴的伤口愈合技术正在蓬勃发展。

查找现有的生物组织焊接技术的相关报道，生物组织焊接一般包括：激光焊接或激光辅助钎焊和高频感应电流焊接。而通过简单的能量参数的改变来控制生物组织焊接的成形提升效果十分有限，且单一激光能量在保证表面组织不形成大量热损伤的情况下无法形成全层焊透，造成接头抗张强度降低，容易在焊后开裂，无法保证焊接质量的技术无法在临床应用推广。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能量靶向调控的激光生物组织焊接缝合方法，具备生物组织焊接全层焊透且保证生物组织表面不形成过度热损伤的功能，适用于皮肤组织、肌肉组织、血管、肠道等生物组织的焊接缝合。

实现本发明目的的技术方案为：

一种能量靶向调控的激光生物组织焊接缝合方法，包括步骤如下：

步骤1，根据目标生物组织的胶原蛋白含量W_c％及各元素成分占比，确定助焊剂染料的浓度；其中，助焊剂染料为吲哚菁绿或亚甲基蓝，其浓度范围为0.5-2.5mg/ml；

步骤2，根据待缝合生物组织的含水率，确定不同含水率对应的助焊剂施加位置深度；其中65％含水率对应组织表面以下1mm深处，75％含水率对应组织表面一下1.5mm深处，85％含水率对应组织表面以下2mm深处，注射靶向助焊剂至指定深度，并用透明PE薄膜包裹切口，使切口紧密贴合；

步骤3，选取波长为1064nm的激光器，激光功率P为2～4W，得出对应的缝合激光扫描速度V以及焊接时间t；根据切口的不同走向，匹配不同的激光扫描路径；

步骤4，启动生物组织激光缝合装置，根据步骤3确定的激光功率P和激光扫描速度V，在激光工艺参数调节装置上调节激光功率和扫描速度，打开激光进行焊接缝合，缝合过程实时监测过程温度，当峰值温度低于55℃时，热像仪反馈高电平信号给激光控制器，提高激光能量密度，当表面峰值温度高于60℃时，热像仪反馈一个低电平给激光控制器，降低激光能量密度；

步骤5，根据目标生物组织手术切口形状尺寸确定激光缝合扫描路线，以焊接速率v进行缝合，每一道完整焊缝扫描完时，将激光从开始端重新扫描，重复扫描过程最终获得水密性良好强度高的切口缝合效果。

如上激光功率P为2-4W，激光扫描速度v为50～250mm/s，且激光功率P与扫描速度v满足条件P/v＝0.02-0.04J/mm，焊接时间t为120～900s，所述的胶原蛋白的含量Wc％，经修正关系式Wc_修正％≈Wc％×(1+μi+ξ)修正；其中Wc_修正％为修正值，μi为烧损系数，μi＝0.2％～5％，ξ为胶原高温变性系数，ξ＝2％～8％。。

优选的，焊接时间t为120～300s。

本发明与现有技术相比其显著优点是：

1、利用本发明所提供的方法进行生物组织激光缝合，除助焊剂以外无其他异体物质进入伤口，直接通过生物组织自体蛋白形成有效连接，减小排异反应，免除传统手术线缝合拆线时的二次伤害；

2、本发明所提供的带染料助焊剂无毒无害，可通过人体吸收，不进入身体的内循环，且有助于抑制疤痕组织生成，减少患者因疤痕而产生的心理负担；

3、本发明所提供的焊接缝合方法有助于形成全层焊透的闭合，不易开裂且有即时水密性，可有效避免伤口内部暴露于空气而产生的感染，且由于伤口为无接触式手术，减少了抗生素的使用；

5、本发明提供的缝合方法可以实现快速止血与缝合功能，利用本方法进行切口缝合，其操作快速简单，且在实施过程中可实现自动化，减少了患者失血量，降低了外科医生的体力与脑力消耗。

附图说明

图1为本发明助焊剂施加方式的示意图。

图2为本发明用于切口闭合固定的透激光PE薄膜及使用方式示意图。

图3为能量靶向调控生物组织激光缝合装置的示意图。

图4为缝合活体生物组织的外观及显微组织(a)激光能量靶向调控缝合(b)能量未调控缝合。

图5为本发明能量靶向调控后的缝合即时强度与未调控缝合强度对比图。

图6为本发明能量调控后焊接过程中温度随深度的变化规律图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明所述的一种能量靶向调控的激光生物组织焊接缝合方法作进一步描述。

如图2所述本发明采用一种激光生物组织焊接能量靶向调控装置，包括：

一受控激光发射装置；激光发生器，激光调节器；激光调节器在焊接过程中根据程序设置实时调节激光能量密度；

激光调节器设有ARM处理器以及AD转换器，且两端分别与激光发生器、热像仪相连；根据AD转换器设置为读取热像仪焊接过程中采集的峰值温度，将峰值温度的模拟信号转换为ARM处理器可以识别的数字信号；

所述的激光调节器所含ARM芯片刻录温控程序，根据焊接过程温度信号反馈，实时对功率密度进行调节。

如上所述的一种能量靶向调控的激光生物组织焊接缝合方法，其特征在于，所述的带染料助焊剂，可以通过调节染料的浓度及施加位置，进而改变激光能量在生物组织厚度方向的分布，由于染料对激光能量的竞争性吸收，可以向靶向组织定向分配更多的能量，避免对健康组织或者无需缝合组织造成不必要的热损伤；助焊剂成份内有壳聚糖，可稳定染料作用范围，不向周围区域扩散，且具有促进细胞修复的功能。

本发明采用如图1所述的助焊剂添加方式，装置系统结构如图2所示。

实施例1

利用上述装置，采用激光生物组织焊接焊缝跟踪的方法焊接猪离体皮肤组织，选择猪皮为试样，其尺寸为30mm×30mm×4mm，由表皮层与真皮层构成，并且包含0.5mm厚皮下脂肪层，切口形状为直线。猪皮对应激光焊接工艺参数如表1所示。

表1猪皮激光焊接工艺参数

波长/nm	功率/W	光斑直径/μm	焊接速度mm/s	焊接时间/s
					1064	4	35.5	100	400

采用能量靶向调控的激光生物组织焊接缝合方法进行切口焊接，施加助焊剂自动匹配合适的焊接工艺参数。通过控制激光工艺的参数匹配，可焊接不同种类的生物组织。并通过热像仪采集温度数据，温度若超过蛋白质变性温度60℃，反馈调节自动降低激光功率，控制热损伤，实现高质量焊接。

采用本发明所述的一种能量靶向调控的激光生物组织焊接缝合方法，其具体步骤为：

步骤1，根据目标皮肤组织的胶原蛋白含量Wc％及各元素成分占比，确定助焊剂染料吲哚菁绿的浓度；

步骤2，根据待缝合皮肤组织的含水率，确定不同含水率对应的助焊剂施加位置深度；

步骤3，启动热像仪，选取波长为1064nm的激光器，激光功率P为2～4W，得出对应的缝合激光扫描速度V以及焊接时间t；根据切口的不同走向，匹配不同的激光扫描路径；

步骤4，根据光学传感器获得的生物组织光学特性，启动生物组织激光缝合装置，根据步骤3确定的激光功率P和激光扫描速度V，在激光工艺参数调节装置上调节激光功率和扫描速度，打开激光光源进行焊接缝合；

实施例2

利用上述装置，采用激光生物组织焊接焊缝跟踪的方法焊接活体大鼠皮肤组织，切口由于在大鼠背部，具有空间弯折，呈不规则曲线，匹配适宜的工艺参数焊接。

步骤1，将200g重SD大鼠腹腔注射10％水合氯醛溶液350mg，3-5分钟麻醉起效后在大鼠背部脱毛，清理出一块30mm×30mm区域使皮肤裸露方便操作；

步骤2，将大鼠转移至超净工作台，用手术刀在脱毛区域切出10mm长，2mm深切口，并用医用酒精消毒；向切口内皮下1mm处注射吲哚菁绿染色助焊剂，浓度为2.5mg/mL，填充切口下方，用透明胶布将切口两端封闭提供预紧力，使切口紧密闭合，确保切口两侧组织贴合，否则激光将透过空隙不与待焊组织作用；

步骤3，匹配相应的激光工艺参数，切口路径位置信息传输给机械手臂，以此实时根据图像信息修改激光焊接位置，实现激光路径与切口重合，避免漏焊；打开激光电源开始缝合，当激光循环扫描过程中由于组织温度升高，蛋白质变性及组织脱水造成收缩变形，机械臂予以实时修正激光路径；

步骤4，热像仪实时监控焊接过程峰值温度，当峰值温度低于55℃时，热像仪反馈高电平信号给激光控制器，提高激光能量密度，当表面峰值温度高于60℃时，热像仪反馈一个低电平给激光控制器，降低激光能量密度；

步骤5，达到预设缝合时间400s，关闭激光电源，是用医用酒精消毒，将大鼠移至无菌饲养室，待其自然苏醒。

本发明的方法可实现全层焊透生物组织功能，适用于皮肤组织、肌肉组织、血管、肠道等生物组织的焊接，主要用于医学激光外科皮肤组织等软组织缝合焊接，是一种操作简单、接头力学性能优良的无缝线组织缝合方法，术后恢复快，不易感染，不易形成疤痕组织。可实现生物组织在单一激光能量的条件下全层焊透，焊接过程中实现全层焊透的同时保证表面不形成剧烈的热损伤，其焊接温度可控。

Claims

1.一种能量靶向调控的激光生物组织焊接缝合方法，其特征在于，包括步骤如下：

步骤1，根据目标生物组织的蛋白质含量及各元素成分占比，确定助焊剂染料的浓度；其中，助焊剂染料为吲哚菁绿或亚甲基蓝，其浓度范围为0.5-2.5mg/ml；

步骤2，根据待缝合生物组织的含水率，确定不同含水率对应的助焊剂施加位置深度；

2.根据权利要求1所述的一种能量靶向调控的激光生物组织焊接缝合方法，其特征在于，步骤2中，其中65％含水率对应组织表面以下1mm深处，75％含水率对应组织表面一下1.5mm深处，85％含水率对应组织表面以下2mm深处。

3.根据权利要求1所述的一种能量靶向调控的激光生物组织焊接缝合方法，其特征在于，激光扫描速度v为50～250mm/s。

4.根据权利要求1所述的一种能量靶向调控的激光生物组织焊接缝合方法，其特征在于，所述的焊接时间t为120～900s。

5.根据权利要求1所述的一种能量靶向调控的激光生物组织焊接缝合方法，其特征在于，步骤4，焊接过程中，热像仪与ARM处理相连，实时接收焊缝表面峰值温度，ARM处理器对温度进行运算，当焊接过程峰值温度低于55℃时，ARM处理器产生一个高电平传输给激光电源功率调节接口，使功率密度略微上升，但仍低于0.04J/mm；当焊接峰值温度高于60℃时，ARM处理器产生一个低电平传输给激光电源功率调节接口，使功率密度略微下降，但仍高于0.02J/mm，直至达到焊接预设时间。

6.根据权利要求1所述的一种能量靶向调控的激光生物组织焊接缝合方法，其特征在于，步骤1中，选择血清蛋白+壳聚糖+吲哚菁绿为成分混合溶液作为助焊剂以靶向调控激光能量。

7.根据权利要求1所述的一种能量靶向调控的激光生物组织焊接缝合方法，其特征在于，步骤1中，所述的助焊剂染料浓度，根据目标生物组织的蛋白质成分中胶原蛋白的含量Wc％比确定。

8.根据权利要求7所述的一种能量靶向调控的激光生物组织焊接缝合方法，其特征在于，所述的胶原蛋白的含量Wc％，经修正关系式Wc_修正％≈Wc％×(1+μi+ξ)修正；其中Wc_修正％为修正值，μi为烧损系数，μi＝0.2％～5％，ξ为胶原高温变性系数，ξ＝2％～8％。