目前在心臟外科手術精準治療中仍然存在部分亟待解決的問題，例如體外循環作為手術精準治療的關鍵因素之一，仍有許多核心環節依賴體外循環醫生和外科醫生的經驗結合主觀因素來對體外循環的狀況進行判斷，缺乏精確的數據反饋。隨著老齡人口的增加和手術難度的提高，體外循環過程中細節的精準反饋將為手術成功率的提高以及高難度手術的開展提供支持。為了克服這些問題中的關鍵性難點，除了需要殷實的醫學背景外，通常還需要多個學科領域的密切合作。組建涵蓋醫療、信息、軟件等行業相關專業人士的多學科合作團隊，能為這些難點提供優質的解決方案。本文以醫學與電子信息聯合團隊在心臟外科手術精準治療中的幾項專利作為示范，探討了在心臟外科手術精準治療領域中如何發現待解決的技術問題并找到相應的解決方案，同時分享了申請發明專利的經驗。
引用本文： 王政捷, 童琪, 李濤, 雷諾揚帆, 張譯文, 石桓旭, 孫伊人, 蔡杰, 楊子琪, 徐琦玥, 潘帆, 趙啟軍, 錢永軍. 醫學+信息. 中國胸心血管外科臨床雜志, 2023, 30(9): 1246-1250. doi: 10.7507/1007-4848.202205015 復制
心臟外科手術已有近百年歷史，體外循環技術的問世無疑是具有里程碑意義的事件，心臟外科手術從此步入心內直視手術的新階段[1-3]。作為心臟外科直視手術開展的基礎，體外循環的質量將對心臟外科手術的成功率產生重要影響。隨著老齡人口的增加和手術難度的提高，體外循環過程中細節的精準反饋將為手術成功率的提高以及高難度手術的開展提供支持。即使經過多年的醫學進展，人們在心血管系統的解剖結構、心血管疾病的病理生理學等方面有了更加深刻的認識，手術方式也得到了極大改進，但目前心臟外科手術實施體外循環的過程中仍有許多核心環節缺乏精確的客觀指標反饋，需要參與手術的醫生通過既往經驗與主觀感受的結合來判斷體外循環的狀態。
體外循環手術中每個環節的細節把控都將對手術效果產生不可忽視的影響，如心臟停跳液灌注量的多少、何時進行第二次停跳液灌注、微創手術中二氧化碳流量的多少等問題。精準的客觀指標反饋在體外循環過程中顯得尤為重要，其能夠幫助術者及時對各個環節進行調整，從而有效提高手術成功率并為高難度手術的開展提供技術支持。
面對目前體外循環過程中存在的缺少精準客觀指標反饋的問題，外科醫生以及體外循環醫師根據醫學背景知識提出需要獲得的幫助，了解體外循環狀態的客觀指標；信息專業人員設計研發生物數據采集設備；軟件工程人員開發實時監測、自動化智能控制系統。由此組建的多學科合作團隊，打破了專業壁壘，設計了多項發明專利，有效地推動了心臟外科手術精準治療的發展。
1 心臟外科手術精準治療相關發明專利
四川大學華西醫院積極與四川大學計算機與電子信息學院、研究生院和國家重點實驗室相關人員聯合進行問題的探索，現將本研究團隊幾項體外循環專利的探索過程進行分析，為更多問題的解決提供參考。
1.1 一種用于體外循環停跳液灌注的檢測方法、設備及智能調控方法
體外循環技術是指在進行心臟外科手術時，運用靜脈引流插管將回心靜脈血液收集至人工心肺機，在人工心肺機中完成氣體交換，并進行調節血液的溫度、酸堿平衡以及過濾清除血栓等步驟，之后通過動脈供血插管將處理后的血液重新輸回人體的動脈系統。它不僅能夠為心肺功能障礙的患者提供替代的人工心肺功能，還能為心臟外科直視手術提供清晰的“無血”視野[4]。
在體外循環過程中，需要往心臟間斷灌注心臟停跳液，使心臟停止跳動便于手術操作的同時避免心臟功能受損[5]，現如今停跳液的灌注過程基本是通過手術醫師結合自身經驗和操作習慣來控制，其中灌注間隔時間、灌注速度、灌注溫度、灌注單次劑量、灌注總量等都缺少精準指標反饋，無法及時對灌注狀態進行準確的判斷及做出相應的調整，這就導致現有的灌注系統結果不準確，而且頻繁的灌注操作也給長時間手術帶來了諸多不便，影響手術醫師的正常操作。為此，本團隊構建了一個能夠實時監測心臟停跳液灌注過程中的各項參數并能夠進行自動調節的智能系統。
該系統由控制終端、灌注裝置和數據采集傳感器組成（圖1）。控制終端負責接收來自數據采集傳感器反饋的數據，處理后生成灌注指令發送至灌注裝置，指導灌注裝置完成灌注過程。控制終端可以為多種形式的具有數據處理以及數據通訊功能的電子媒介，如臺式電腦、平板電腦、手機等，可以根據不同的使用場景進行更換。數據采集傳感器包括集成的探針式傳感器和夾持型的獨立監測傳感器。利用心肌細胞在缺氧時產生乳酸的獨特性質，數據采集傳感器從靜脈引流插管以及動脈供血插管中獲取的乳酸數據便可被用于評估心臟的灌注狀態以及心肌的代謝狀態[6]。
圖1
體外循環液體灌注系統示意圖
控制終端接收來自數據采集傳感器收集的乳酸數據并與設定的乳酸閾值進行比對，當乳酸數據高于乳酸閾值時，控制終端會向灌注裝置傳遞灌注指令，隨后觸發灌注裝置對心臟進行停跳液的灌注。但在手術過程中停跳液的灌注并不是一個簡單的重復性操作，灌注過程中從停跳液灌注到目標區域，到其發揮為心肌細胞供氧和抑制心臟跳動的作用需要經歷一段時間的延遲。如果只是單純地在乳酸數據達到乳酸閾值時進行停跳液的灌注，由于延遲效應，乳酸數據仍然會在短時間內持續上升，易對灌注效果產生誤判。因此本團隊設計了一個包含動態修正過程的智能調控方法：為了讓灌注效果達到預期目標，需要對觸發灌注的乳酸閾值進行修正，這個過程的實現主要通過修正下一次觸發灌注的乳酸閾值使其在灌注時最大值與本次的乳酸閾值相符合。控制終端會根據數據采集傳感器收集到的乳酸數據變化情況生成修正數據，為修正過程提供參考。除此之外，傳感器還采集了溫度數據用于同時對灌注液的溫度進行修正。整個修正過程是動態的，使得修正后的灌注效果逐漸逼近預期目標。
本團隊探索的心臟停跳液液體灌注的檢測方法、設備（發明專利證書號：第5014432號）及智能調控方法（發明專利證書號：第5033386號），實現了心臟停跳液的灌注過程精準化、智能化、自動化。盡可能減少了因經驗性灌注不良所導致的心肌缺血及心肌損傷，為心臟手術的安全保駕護航。
1.2 一種用于心臟手術二氧化碳含量檢測的設備、灌注可控式方法及系統
隨著心臟疾病治療領域的蓬勃發展，出現了包括介入手術在內的各種術式，但目前心內直視手術仍是心臟外科主要的手術方式。盡管有著日趨成熟的體外循環、心血管麻醉技術支持，心內直視手術仍有部分并發癥無法完全避免。
氣體栓塞是心內直視手術較為常見的并發癥之一，可以在體外循環的多個環節產生，當心腔打開后，大量空氣隨即涌入，由于空氣中有78.1%是不易溶解在血液中的氮氣，殘留在心腔及血管內的空氣將形成栓子，在主動脈解除阻斷之后，栓子將會隨著血流進入血液循環。這些空氣栓子易嵌頓在心、腦等器官，誘發血栓形成，并導致血管內皮功能障礙以及炎癥介質的釋放，患者表現出相應的器官功能障礙，如認知功能減退等[7-8]。盡管在關閉心腔之前術者會對進入的氣體進行充分清除，但是常規的方法如搖晃心臟或傾斜手術臺等仍會殘留一部分氣體無法排除干凈。
20世紀50年代開始出現利用二氧化碳構建保護性氣體環境的二氧化碳充溢技術。由于二氧化碳的相對分子質量為44，其密度高于空氣，在空氣中能以一種類似于水的運動形式將空氣從心腔中擠出，且二氧化碳在血液中的溶解度遠高于空氣，即使形成二氧化碳氣體栓子也能迅速溶解在血液中[9-10]。盡管二氧化碳充溢技術已經日趨成熟，但在臨床實際運用中本團隊發現二氧化碳這種類似于水的流動模式，在不同的流速情況下有著不同的表現。低流速時，二氧化碳逐漸充滿心腔，并從切口邊緣緩慢溢出，在地面聚集，一般情況下不會達到手術人員的頭部水平。但充溢速度較慢，受到手術操作、外界氣壓擾動以后恢復平穩狀態需要的時間也長。高流速時，不僅容易形成湍流，使得二氧化碳中夾雜空氣，影響保護性氣體環境的建立，二氧化碳還會根據充溢設備頭部的擴散器形狀及角度朝不同的方向擴散，有可能會達到手術人員的頭部水平。由于心臟外科手術平均持續時間較長，如果手術相關人員長期處于高二氧化碳濃度的環境下，容易出現缺氧癥狀，影響操作精度，為心臟手術造成不可預估的后果。為此，對二氧化碳充溢情況的監測和調控就顯得尤為重要。
本團隊開發的體外循環二氧化碳充溢監測系統設置了由低到高的4個傳感器（圖2）。其中第一傳感器放置在心包腔內用于監測心包腔內的二氧化碳濃度，第二傳感器放置于第一與第三傳感器之間，而第三、第四傳感器分別設置在手術醫師和麻醉師處。此外與所有傳感器建立連接的控制單元能夠記錄傳感器之間的距離。利用第一與第二傳感器采集到的二氧化碳濃度之差，以及兩傳感器之間的距離，可以計算分析出由二氧化碳從心包腔擴散到第二傳感器位置的情況，生成二氧化碳擴散數據。相似地，可以生成用于表征從第二傳感器位置到手術醫生處以及從第二傳感器位置到麻醉師處二氧化碳擴散情況，再根據二氧化碳的溢散原理對擴散數據進行修正。如此可以對整個手術操作環境的二氧化碳分布情況進行監測。控制單元將內、外二氧化碳擴散數據的比值作為控制參數對心包腔二氧化碳充溢過程進行調控。
圖2
體外循環二氧化碳灌注系統示意圖
在心臟微創手術中，二氧化碳灌注的另一個目的是壓縮左肺，為術中觀察和操作創造更大的空間，但是同樣存在灌注過程無法量化、沒有客觀指標反饋的問題，并且手術操作還會導致胸腔內二氧化碳泄露，胸腔壓力隨之發生變化進而出現左肺壓縮不足，遮擋視野并影響手術操作的情況。重新進行二氧化碳灌注需要暫停手術，不僅延長了手術時間，還會影響手術效果。
本團隊提供了一種可控的二氧化碳灌注方法。術前通過胸部CT、X線片或肺活量測定等方法計算胸腔總容積（V），由于人體左胸腔容積約占胸腔總容積的45%，且二氧化碳灌注量達到左胸腔容積的75%～85%為最佳，由此可以計算出二氧化碳的灌注總量（Q）約為0.337 5～0.382 5 V，單位為mL。根據計算得到的灌注總量，分兩個階段進行二氧化碳灌注，第一階段流量控制在300～500 mL/min，總灌注量為Q；第二階段需要在胸腔壓力感受器監測的情況下進行，此時流量控制在100～150 mL/min，直到壓力滿足手術需求。
本團隊在此基礎上進一步構建出一套氣體灌注可控式系統（發明專利證書號：第5226979號），能夠在胸部微創手術中對患側胸腔壓力進行實時測量，輔助判斷氣體灌注狀況并控制氣體灌注量，保證氣體灌注的有效性、安全性和穩定性。該系統由氣體灌注模塊、中央控制模塊、電子流量閥、電子溢流閥、電子開關閥、胸腔壓力傳感器、胸腔壓力平衡裝置等組成。術者可以通過內窺鏡及時觀察胸腔內左肺壓縮情況或者通過胸腔壓力傳感器觀測胸腔內壓力情況，并手動調控氣泵完成對二氧化碳灌注的補充，或者由中央控制模塊根據胸腔壓力傳感器反饋的數據操縱胸腔壓力平衡裝置，自動調節電子開關閥、電子流量閥、電子溢流閥的開放情況，及時、安全、有效地調控二氧化碳灌注狀態。
本團隊發明的心臟手術二氧化碳含量檢測的設備、灌注可控式方法及系統（發明專利證書號：第4988670號），實現了心臟外科手術中二氧化碳灌注過程的實時監測以及自動化調控，能使胸腔內保持安全、有效、持續、穩定的灌注壓，保證良好的手術視野，為手術的順利進行提供保障。在保證安全的前提下縮短了手術時間，為手術的實施提供了便利。
1.3 一種心臟微創手術胸腔鏡照明成像光照控制方法及設備
心臟外科手術中需要對手術區域進行長時間的光照，如果沒有有效的溫度調節措施則很容易出現術中照射區域溫度升高的問題，不加重視甚至會造成手術中的心臟復跳困難等嚴重后果[11]。目前在心內直視手術中可以采用多種方法和設備對手術區域進行溫度的精準控制，例如灌注溫度較低的液體、調整照射光源的色溫等。微創手術需要借助額外的成像設備通過體表的操作孔伸入體內，對狹窄的手術空間進行實時觀察，最常使用的便是攜帶光源的內窺鏡。但是本團隊發現微創手術中對照明區域的溫度控制仍然難以實現，因為在微創手術這種有限的操作空間內增加額外的設備用于控制術中照明區域的溫度顯然是不現實的，因此需要一種在不增加額外設備的情況下，避免因術區溫度過高而造成局部組織熱損傷的改良照明系統。由于微創手術中光源主要來自于內窺鏡自身攜帶的照明系統，制造一種不產生或者產生較少熱量的照明成像設備便成為了一種可行的解決方案。
在本團隊發明的照明成像設備中除了內窺鏡常規具有的攝像頭以及光源外，本設備還配備了光源驅動模塊、圖像處理模塊和中央控制模塊（發明專利證書號：第4815918號）。
與常規的光照模式不同，本設備創造性地采用頻閃模式。這個過程由中央控制模塊生成的循環脈沖信號控制光源驅動模塊產生光照循環來實現。一個光照循環包括照明期和間歇期，在保持光照頻率不變的情況下，中央控制模塊可以通過調整脈沖信號的占空比來控制一個光照循環中實際照明期與間歇期的比重。光源驅動模塊不需要進入封閉的術區，而是借由光纖將其燈組發出的光傳遞到內窺鏡的頭部實現照明，因此可以避免設備自身產生熱量帶來的影響。光源驅動模塊在接收到中央控制模塊發出的循環脈沖信號后驅動器驅動燈組進行頻閃，在不影響成像質量的情況下，頻閃模式能夠大幅度降低光照帶來的溫度升高（經實際測得，在占空比不高于10%的情況下，由光源照射產生的熱量較前降低了80%以上）。
但由于頻閃的光源會降低攝像頭采集的視頻質量，這可能會影響手術操作的實施，為了解決這個問題，本團隊采用設備搭載的成像模塊對圖像信息進行處理，以減少頻閃導致的視頻質量丟失。攝像頭采集到的輸入圖像信息包括了光照循環中照明期和間歇期兩個時期的圖像，而有效圖像僅存在于照明期中，成像模塊對輸入圖像信息進行處理，剔除所有間歇期的圖像，將照明期圖像拼接生成輸出圖像信息，為了保證輸出的視頻圖像依然流暢，需要提高光照循環的頻率進行幀數的補足（例如占空比為10%，為保證輸出的視頻圖像幀率至少達到20 fps，相應的光照循環頻率需要達到200 Hz，同時其對應的攝像頭采樣率也需要高于200 Hz）。
本團隊發明的照明成像光照控制方法及設備，在保證術中內窺鏡成像質量以及不影響手術操作實施的情況下，有效降低了照明區域的熱量生成，減少了局部照射區域的熱損傷。
2 小結
專利申請的靈感往往來源于對日常臨床工作中細節的觀察，從臨床實踐中容易被忽視之處去發掘醫學問題，進一步轉化為符合臨床需要的技術創新，再通過與第三方合作將技術創新應用到產品中，最后產品又回到臨床中使用以解決臨床問題，構建完善的成果轉化路徑，形成“臨床-設計開發-技術轉化-臨床”的閉環，閉環中必不可少的就是多學科團隊的構建。
多學科團隊首先需要圍繞亟待解決的醫學問題進行團隊人員的組建，從需要解決的技術問題為出發點分析可能涉及的專業人士，綜合選出參加團隊的核心人員，如此形成的專業合作團隊在進行多學科創作的思維碰撞時能夠極大地拓寬思路，不拘泥于醫學視角。本“醫學+信息”團隊在心臟外科手術精準治療中發現體外循環缺乏客觀數據反饋的細節，由臨床問題轉化成“能夠對術中各項生理指標、周邊環境進行數據采集的新技術”的需求，將技術難題進行分解，由各專業人士分別提出專業方案，形成融洽的合作。
由于團隊中的部分成員來自非醫學專業，其對醫學問題的理解通常不明確、不充分，前期進行多學科的思維碰撞時可能會因為專業壁壘而出現溝通障礙，需要有醫學專業人員將醫學問題進行各專業的學科轉化，此過程中醫學專業人員需要常規地進行醫學問題專業解釋工作，將醫學問題進行科普化、生活化、數理化、機械化、軟件化等方面的轉化，特別是采用一些簡單、可理解的示意圖進行溝通。此外還需增強溝通頻率、優化溝通方式，在溝通的過程中建立良好的合作機制，為醫工結合掃清障礙。
利益沖突：無。
作者貢獻：錢永軍設計、組織研究，修改文章；王政捷設計、執行研究，分析數據，撰寫論文；童琪、孫伊人、蔡杰分析數據、撰寫論文；李濤、楊子琪、徐琦玥協助分析數據；潘帆設計、組織研究；雷諾揚帆參與設計、執行研究，收集數據；張譯文、石桓旭收集數據；趙啟軍組織研究、收集數據。
心臟外科手術已有近百年歷史，體外循環技術的問世無疑是具有里程碑意義的事件，心臟外科手術從此步入心內直視手術的新階段[1-3]。作為心臟外科直視手術開展的基礎，體外循環的質量將對心臟外科手術的成功率產生重要影響。隨著老齡人口的增加和手術難度的提高，體外循環過程中細節的精準反饋將為手術成功率的提高以及高難度手術的開展提供支持。即使經過多年的醫學進展，人們在心血管系統的解剖結構、心血管疾病的病理生理學等方面有了更加深刻的認識，手術方式也得到了極大改進，但目前心臟外科手術實施體外循環的過程中仍有許多核心環節缺乏精確的客觀指標反饋，需要參與手術的醫生通過既往經驗與主觀感受的結合來判斷體外循環的狀態。
體外循環手術中每個環節的細節把控都將對手術效果產生不可忽視的影響，如心臟停跳液灌注量的多少、何時進行第二次停跳液灌注、微創手術中二氧化碳流量的多少等問題。精準的客觀指標反饋在體外循環過程中顯得尤為重要，其能夠幫助術者及時對各個環節進行調整，從而有效提高手術成功率并為高難度手術的開展提供技術支持。
面對目前體外循環過程中存在的缺少精準客觀指標反饋的問題，外科醫生以及體外循環醫師根據醫學背景知識提出需要獲得的幫助，了解體外循環狀態的客觀指標；信息專業人員設計研發生物數據采集設備；軟件工程人員開發實時監測、自動化智能控制系統。由此組建的多學科合作團隊，打破了專業壁壘，設計了多項發明專利，有效地推動了心臟外科手術精準治療的發展。
1 心臟外科手術精準治療相關發明專利
四川大學華西醫院積極與四川大學計算機與電子信息學院、研究生院和國家重點實驗室相關人員聯合進行問題的探索，現將本研究團隊幾項體外循環專利的探索過程進行分析，為更多問題的解決提供參考。
1.1 一種用于體外循環停跳液灌注的檢測方法、設備及智能調控方法
體外循環技術是指在進行心臟外科手術時，運用靜脈引流插管將回心靜脈血液收集至人工心肺機，在人工心肺機中完成氣體交換，并進行調節血液的溫度、酸堿平衡以及過濾清除血栓等步驟，之后通過動脈供血插管將處理后的血液重新輸回人體的動脈系統。它不僅能夠為心肺功能障礙的患者提供替代的人工心肺功能，還能為心臟外科直視手術提供清晰的“無血”視野[4]。
在體外循環過程中，需要往心臟間斷灌注心臟停跳液，使心臟停止跳動便于手術操作的同時避免心臟功能受損[5]，現如今停跳液的灌注過程基本是通過手術醫師結合自身經驗和操作習慣來控制，其中灌注間隔時間、灌注速度、灌注溫度、灌注單次劑量、灌注總量等都缺少精準指標反饋，無法及時對灌注狀態進行準確的判斷及做出相應的調整，這就導致現有的灌注系統結果不準確，而且頻繁的灌注操作也給長時間手術帶來了諸多不便，影響手術醫師的正常操作。為此，本團隊構建了一個能夠實時監測心臟停跳液灌注過程中的各項參數并能夠進行自動調節的智能系統。
該系統由控制終端、灌注裝置和數據采集傳感器組成（圖1）。控制終端負責接收來自數據采集傳感器反饋的數據，處理后生成灌注指令發送至灌注裝置，指導灌注裝置完成灌注過程。控制終端可以為多種形式的具有數據處理以及數據通訊功能的電子媒介，如臺式電腦、平板電腦、手機等，可以根據不同的使用場景進行更換。數據采集傳感器包括集成的探針式傳感器和夾持型的獨立監測傳感器。利用心肌細胞在缺氧時產生乳酸的獨特性質，數據采集傳感器從靜脈引流插管以及動脈供血插管中獲取的乳酸數據便可被用于評估心臟的灌注狀態以及心肌的代謝狀態[6]。
圖1
體外循環液體灌注系統示意圖
控制終端接收來自數據采集傳感器收集的乳酸數據并與設定的乳酸閾值進行比對，當乳酸數據高于乳酸閾值時，控制終端會向灌注裝置傳遞灌注指令，隨后觸發灌注裝置對心臟進行停跳液的灌注。但在手術過程中停跳液的灌注并不是一個簡單的重復性操作，灌注過程中從停跳液灌注到目標區域，到其發揮為心肌細胞供氧和抑制心臟跳動的作用需要經歷一段時間的延遲。如果只是單純地在乳酸數據達到乳酸閾值時進行停跳液的灌注，由于延遲效應，乳酸數據仍然會在短時間內持續上升，易對灌注效果產生誤判。因此本團隊設計了一個包含動態修正過程的智能調控方法：為了讓灌注效果達到預期目標，需要對觸發灌注的乳酸閾值進行修正，這個過程的實現主要通過修正下一次觸發灌注的乳酸閾值使其在灌注時最大值與本次的乳酸閾值相符合。控制終端會根據數據采集傳感器收集到的乳酸數據變化情況生成修正數據，為修正過程提供參考。除此之外，傳感器還采集了溫度數據用于同時對灌注液的溫度進行修正。整個修正過程是動態的，使得修正后的灌注效果逐漸逼近預期目標。
本團隊探索的心臟停跳液液體灌注的檢測方法、設備（發明專利證書號：第5014432號）及智能調控方法（發明專利證書號：第5033386號），實現了心臟停跳液的灌注過程精準化、智能化、自動化。盡可能減少了因經驗性灌注不良所導致的心肌缺血及心肌損傷，為心臟手術的安全保駕護航。
1.2 一種用于心臟手術二氧化碳含量檢測的設備、灌注可控式方法及系統
隨著心臟疾病治療領域的蓬勃發展，出現了包括介入手術在內的各種術式，但目前心內直視手術仍是心臟外科主要的手術方式。盡管有著日趨成熟的體外循環、心血管麻醉技術支持，心內直視手術仍有部分并發癥無法完全避免。
氣體栓塞是心內直視手術較為常見的并發癥之一，可以在體外循環的多個環節產生，當心腔打開后，大量空氣隨即涌入，由于空氣中有78.1%是不易溶解在血液中的氮氣，殘留在心腔及血管內的空氣將形成栓子，在主動脈解除阻斷之后，栓子將會隨著血流進入血液循環。這些空氣栓子易嵌頓在心、腦等器官，誘發血栓形成，并導致血管內皮功能障礙以及炎癥介質的釋放，患者表現出相應的器官功能障礙，如認知功能減退等[7-8]。盡管在關閉心腔之前術者會對進入的氣體進行充分清除，但是常規的方法如搖晃心臟或傾斜手術臺等仍會殘留一部分氣體無法排除干凈。
20世紀50年代開始出現利用二氧化碳構建保護性氣體環境的二氧化碳充溢技術。由于二氧化碳的相對分子質量為44，其密度高于空氣，在空氣中能以一種類似于水的運動形式將空氣從心腔中擠出，且二氧化碳在血液中的溶解度遠高于空氣，即使形成二氧化碳氣體栓子也能迅速溶解在血液中[9-10]。盡管二氧化碳充溢技術已經日趨成熟，但在臨床實際運用中本團隊發現二氧化碳這種類似于水的流動模式，在不同的流速情況下有著不同的表現。低流速時，二氧化碳逐漸充滿心腔，并從切口邊緣緩慢溢出，在地面聚集，一般情況下不會達到手術人員的頭部水平。但充溢速度較慢，受到手術操作、外界氣壓擾動以后恢復平穩狀態需要的時間也長。高流速時，不僅容易形成湍流，使得二氧化碳中夾雜空氣，影響保護性氣體環境的建立，二氧化碳還會根據充溢設備頭部的擴散器形狀及角度朝不同的方向擴散，有可能會達到手術人員的頭部水平。由于心臟外科手術平均持續時間較長，如果手術相關人員長期處于高二氧化碳濃度的環境下，容易出現缺氧癥狀，影響操作精度，為心臟手術造成不可預估的后果。為此，對二氧化碳充溢情況的監測和調控就顯得尤為重要。
本團隊開發的體外循環二氧化碳充溢監測系統設置了由低到高的4個傳感器（圖2）。其中第一傳感器放置在心包腔內用于監測心包腔內的二氧化碳濃度，第二傳感器放置于第一與第三傳感器之間，而第三、第四傳感器分別設置在手術醫師和麻醉師處。此外與所有傳感器建立連接的控制單元能夠記錄傳感器之間的距離。利用第一與第二傳感器采集到的二氧化碳濃度之差，以及兩傳感器之間的距離，可以計算分析出由二氧化碳從心包腔擴散到第二傳感器位置的情況，生成二氧化碳擴散數據。相似地，可以生成用于表征從第二傳感器位置到手術醫生處以及從第二傳感器位置到麻醉師處二氧化碳擴散情況，再根據二氧化碳的溢散原理對擴散數據進行修正。如此可以對整個手術操作環境的二氧化碳分布情況進行監測。控制單元將內、外二氧化碳擴散數據的比值作為控制參數對心包腔二氧化碳充溢過程進行調控。
圖2
體外循環二氧化碳灌注系統示意圖
在心臟微創手術中，二氧化碳灌注的另一個目的是壓縮左肺，為術中觀察和操作創造更大的空間，但是同樣存在灌注過程無法量化、沒有客觀指標反饋的問題，并且手術操作還會導致胸腔內二氧化碳泄露，胸腔壓力隨之發生變化進而出現左肺壓縮不足，遮擋視野并影響手術操作的情況。重新進行二氧化碳灌注需要暫停手術，不僅延長了手術時間，還會影響手術效果。
本團隊提供了一種可控的二氧化碳灌注方法。術前通過胸部CT、X線片或肺活量測定等方法計算胸腔總容積（V），由于人體左胸腔容積約占胸腔總容積的45%，且二氧化碳灌注量達到左胸腔容積的75%～85%為最佳，由此可以計算出二氧化碳的灌注總量（Q）約為0.337 5～0.382 5 V，單位為mL。根據計算得到的灌注總量，分兩個階段進行二氧化碳灌注，第一階段流量控制在300～500 mL/min，總灌注量為Q；第二階段需要在胸腔壓力感受器監測的情況下進行，此時流量控制在100～150 mL/min，直到壓力滿足手術需求。
本團隊在此基礎上進一步構建出一套氣體灌注可控式系統（發明專利證書號：第5226979號），能夠在胸部微創手術中對患側胸腔壓力進行實時測量，輔助判斷氣體灌注狀況并控制氣體灌注量，保證氣體灌注的有效性、安全性和穩定性。該系統由氣體灌注模塊、中央控制模塊、電子流量閥、電子溢流閥、電子開關閥、胸腔壓力傳感器、胸腔壓力平衡裝置等組成。術者可以通過內窺鏡及時觀察胸腔內左肺壓縮情況或者通過胸腔壓力傳感器觀測胸腔內壓力情況，并手動調控氣泵完成對二氧化碳灌注的補充，或者由中央控制模塊根據胸腔壓力傳感器反饋的數據操縱胸腔壓力平衡裝置，自動調節電子開關閥、電子流量閥、電子溢流閥的開放情況，及時、安全、有效地調控二氧化碳灌注狀態。
本團隊發明的心臟手術二氧化碳含量檢測的設備、灌注可控式方法及系統（發明專利證書號：第4988670號），實現了心臟外科手術中二氧化碳灌注過程的實時監測以及自動化調控，能使胸腔內保持安全、有效、持續、穩定的灌注壓，保證良好的手術視野，為手術的順利進行提供保障。在保證安全的前提下縮短了手術時間，為手術的實施提供了便利。
1.3 一種心臟微創手術胸腔鏡照明成像光照控制方法及設備
心臟外科手術中需要對手術區域進行長時間的光照，如果沒有有效的溫度調節措施則很容易出現術中照射區域溫度升高的問題，不加重視甚至會造成手術中的心臟復跳困難等嚴重后果[11]。目前在心內直視手術中可以采用多種方法和設備對手術區域進行溫度的精準控制，例如灌注溫度較低的液體、調整照射光源的色溫等。微創手術需要借助額外的成像設備通過體表的操作孔伸入體內，對狹窄的手術空間進行實時觀察，最常使用的便是攜帶光源的內窺鏡。但是本團隊發現微創手術中對照明區域的溫度控制仍然難以實現，因為在微創手術這種有限的操作空間內增加額外的設備用于控制術中照明區域的溫度顯然是不現實的，因此需要一種在不增加額外設備的情況下，避免因術區溫度過高而造成局部組織熱損傷的改良照明系統。由于微創手術中光源主要來自于內窺鏡自身攜帶的照明系統，制造一種不產生或者產生較少熱量的照明成像設備便成為了一種可行的解決方案。
在本團隊發明的照明成像設備中除了內窺鏡常規具有的攝像頭以及光源外，本設備還配備了光源驅動模塊、圖像處理模塊和中央控制模塊（發明專利證書號：第4815918號）。
與常規的光照模式不同，本設備創造性地采用頻閃模式。這個過程由中央控制模塊生成的循環脈沖信號控制光源驅動模塊產生光照循環來實現。一個光照循環包括照明期和間歇期，在保持光照頻率不變的情況下，中央控制模塊可以通過調整脈沖信號的占空比來控制一個光照循環中實際照明期與間歇期的比重。光源驅動模塊不需要進入封閉的術區，而是借由光纖將其燈組發出的光傳遞到內窺鏡的頭部實現照明，因此可以避免設備自身產生熱量帶來的影響。光源驅動模塊在接收到中央控制模塊發出的循環脈沖信號后驅動器驅動燈組進行頻閃，在不影響成像質量的情況下，頻閃模式能夠大幅度降低光照帶來的溫度升高（經實際測得，在占空比不高于10%的情況下，由光源照射產生的熱量較前降低了80%以上）。
但由于頻閃的光源會降低攝像頭采集的視頻質量，這可能會影響手術操作的實施，為了解決這個問題，本團隊采用設備搭載的成像模塊對圖像信息進行處理，以減少頻閃導致的視頻質量丟失。攝像頭采集到的輸入圖像信息包括了光照循環中照明期和間歇期兩個時期的圖像，而有效圖像僅存在于照明期中，成像模塊對輸入圖像信息進行處理，剔除所有間歇期的圖像，將照明期圖像拼接生成輸出圖像信息，為了保證輸出的視頻圖像依然流暢，需要提高光照循環的頻率進行幀數的補足（例如占空比為10%，為保證輸出的視頻圖像幀率至少達到20 fps，相應的光照循環頻率需要達到200 Hz，同時其對應的攝像頭采樣率也需要高于200 Hz）。
本團隊發明的照明成像光照控制方法及設備，在保證術中內窺鏡成像質量以及不影響手術操作實施的情況下，有效降低了照明區域的熱量生成，減少了局部照射區域的熱損傷。
2 小結
專利申請的靈感往往來源于對日常臨床工作中細節的觀察，從臨床實踐中容易被忽視之處去發掘醫學問題，進一步轉化為符合臨床需要的技術創新，再通過與第三方合作將技術創新應用到產品中，最后產品又回到臨床中使用以解決臨床問題，構建完善的成果轉化路徑，形成“臨床-設計開發-技術轉化-臨床”的閉環，閉環中必不可少的就是多學科團隊的構建。
多學科團隊首先需要圍繞亟待解決的醫學問題進行團隊人員的組建，從需要解決的技術問題為出發點分析可能涉及的專業人士，綜合選出參加團隊的核心人員，如此形成的專業合作團隊在進行多學科創作的思維碰撞時能夠極大地拓寬思路，不拘泥于醫學視角。本“醫學+信息”團隊在心臟外科手術精準治療中發現體外循環缺乏客觀數據反饋的細節，由臨床問題轉化成“能夠對術中各項生理指標、周邊環境進行數據采集的新技術”的需求，將技術難題進行分解，由各專業人士分別提出專業方案，形成融洽的合作。
由于團隊中的部分成員來自非醫學專業，其對醫學問題的理解通常不明確、不充分，前期進行多學科的思維碰撞時可能會因為專業壁壘而出現溝通障礙，需要有醫學專業人員將醫學問題進行各專業的學科轉化，此過程中醫學專業人員需要常規地進行醫學問題專業解釋工作，將醫學問題進行科普化、生活化、數理化、機械化、軟件化等方面的轉化，特別是采用一些簡單、可理解的示意圖進行溝通。此外還需增強溝通頻率、優化溝通方式，在溝通的過程中建立良好的合作機制，為醫工結合掃清障礙。
利益沖突：無。
作者貢獻：錢永軍設計、組織研究，修改文章；王政捷設計、執行研究，分析數據，撰寫論文；童琪、孫伊人、蔡杰分析數據、撰寫論文；李濤、楊子琪、徐琦玥協助分析數據；潘帆設計、組織研究；雷諾揚帆參與設計、執行研究，收集數據；張譯文、石桓旭收集數據；趙啟軍組織研究、收集數據。
