基于光纤压力传感器的自动灌溉系统实现输尿管镜术中肾盂压力的实时精准控制

《IEEE Sensors Journal》：Automatic Irrigation System with Fiber-Optic Pressure Sensor for Real-Time Intrarenal Pressure Control During Instrument Insertion and Laser Irradiation

本文推荐研究人员针对输尿管镜手术中肾盂压力(IPP)控制不精准易引发术后并发症的问题，开展了集成超微型光纤压力传感器的自动灌溉系统研究。该系统通过PID控制器实时调节滚轮泵转速，在仪器插入/取出和Ho:YAG激光碎石过程中显著稳定了IPP波动，为内窥镜手术安全提供了创新性技术解决方案。

　　

在泌尿外科领域，柔性输尿管镜术已成为治疗肾结石的常用微创技术。然而手术过程中需要持续灌溉以维持视野清晰，这会导致肾盂压力(Intrarenal Pressure, IPP)的波动。当IPP超过安全阈值时，可能引发肾盂静脉或肾盂窦返流，进而导致尿路感染和败血症等严重术后并发症。传统压力监测方法存在侵入性强、准确性不足等局限，而现有带压力传感器的输尿管镜又需要外科医生手动调节灌溉流量，增加了手术负担。

为解决这一临床难题，研究团队开发了一套创新型自动灌溉系统。该系统核心在于将直径仅0.125毫米的光纤压力传感器集成于输尿管镜工作通道内，结合PID（比例-积分-微分）控制算法，实现了IPP的实时监测与精准调控。相关研究成果已发表于《IEEE Sensors Journal》，为内窥镜手术安全设立了新标准。

研究采用的关键技术方法包括：超微型光纤压力传感器（基于Fabry-Perot干涉原理）的植入与温度补偿技术；基于LabVIEW软件的PID控制器设计；使用新鲜猪肾模型（重量241.3g）进行离体实验；分别评估激光光纤（272μm）和取石篮钳（1.3-Fr）插入/取出以及Ho:YAG激光照射（10W功率）过程中的压力变化。

系统配置

自动灌溉系统由光纤压力传感器、滚轮泵和PID控制器构成。传感器尖端位于输尿管镜末端内侧2毫米处，通过检测白光干涉波形峰值变化来测量压力。传感器灵敏度为-0.35 nm/mmHg，分辨率达±0.75 mmHg。为消除激光手术中的温度干扰，研究人员采用热电偶监测肾盂温度，并通过公式D_实际=D_测量-a_tΔT进行实时补偿（温度系数a_t=1.25 nm/°C）。

光纤压力传感器特性

压力-位移响应测试显示传感器具有良好的线性度（±300 mmHg范围内为2.64%）和低滞后性（1.14%）。温度实验表明传感器膜片变形与温度变化呈线性关系，验证了温度补偿公式的有效性。

自动灌溉控制

PID控制器通过计算设定值(SP)与过程变量(PV)的误差e(t)，动态调整滚轮泵转速。控制算法u(t)=K_Pe(t)+K_I∫₀^te(t)dt+K_Dde(t)/dt中参数经实验优化为K_P=0.1, K_I=0.02, K_D=0.02，控制间隔设置为0.25秒。

工具插入测试结果

在激光光纤插入过程中，恒定转速(25 rpm)下IPP从15.2 mmHg降至9.06 mmHg；手动控制虽能恢复压力但存在延迟；而自动控制仅出现轻微波动（14.9 mmHg）。取石篮钳测试进一步显示，自动控制系统在器械取出时能快速抑制压力峰值（45 mmHg→14.98 mmHg），Cohen's d值表明自动控制最接近目标压力（d=0.0197-0.247）。

激光照射测试结果

Ho:YAG激光照射时，恒定流速下IPP出现阶梯式基线漂移，而自动控制能维持5 mmHg目标压力。研究观察到激光激活时因空化气泡坍塌产生瞬时负压（Moses效应），短脉冲模式（150-500μs）下尤为明显。温度记录显示肾盂内温度升高会导致表观压力读数上升，验证了温度补偿的必要性。

研究结论表明，该自动灌溉系统通过超微型光纤压力传感器与PID控制的协同作用，显著降低了输尿管镜手术关键操作中的IPP波动。与智能输尿管通路鞘（14-15 Fr）等现有技术相比，该系统具有更小的侵入性（7.95 Fr输尿管镜）和更高的空间分辨率。未来通过优化PID参数、结合吸引机制或与激光设备联动，有望实现更精确的压力控制。这项技术为内窥镜手术安全建立了新范式，具有广阔的临床转化前景。