柯 嘉 朱云峰 李 倩 胡 磊 馬芙蓉

(北京大學(xué)第三醫(yī)院耳鼻咽喉頭頸外科，北京 100191)

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·實(shí)驗(yàn)研究·

不同鉆速下電鉆鉆孔骨質(zhì)產(chǎn)熱的比較*

柯 嘉 朱云峰①李 倩 胡 磊①馬芙蓉**

(北京大學(xué)第三醫(yī)院耳鼻咽喉頭頸外科，北京 100191)

目的 比較采用不同鉆速進(jìn)行電鉆鉆孔操作時，骨質(zhì)局部溫度的變化，獲取在微創(chuàng)隧道人工耳蝸植入手術(shù)中電鉆鉆孔操作的安全參數(shù)。 方法 采用外形近似的新鮮豬肋骨塊，在兩塊骨塊的截面依次安放3枚熱敏電阻(Pt100)并固定，分別于皮質(zhì)骨表面，距離橫截面1.5 mm處進(jìn)行鉆孔操作。按照鉆速由低至高，人為分為100、1250、7000、10 000、20 000、30 000和40 000 r/min，每個鉆速重復(fù)實(shí)驗(yàn)6次，記錄鉆孔時的溫度變化。比較不同鉆速鉆孔時骨質(zhì)升溫的差異。 結(jié)果 采用100 r/min鉆孔時，鉆孔局部骨質(zhì)的平均升溫(3.81±1.47)℃，采用1250 r/min鉆孔時，骨質(zhì)平均升溫(11.57±4.32)℃，兩者間差異無顯著性(P=0.130)；在鉆速為7000 r/min鉆孔時，骨質(zhì)升溫(18.01±3.62)℃，與10 000 r/min鉆速組的(43.09±10.05)℃比較，兩者差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.000)；當(dāng)轉(zhuǎn)速高于10 000 r/min時，提高轉(zhuǎn)速后局部骨質(zhì)升溫的變化無顯著性差異。 結(jié)論 在本研究條件下，使用低鉆速100 r/min和1250 r/min進(jìn)行鉆孔操作時，骨質(zhì)局部升溫較小，當(dāng)鉆孔局部要求的溫度不能過高時，應(yīng)選擇低鉆速進(jìn)行操作。

鉆孔； 產(chǎn)熱； 鉆速； 溫度

電鉆鉆孔操作廣泛應(yīng)用于神經(jīng)外科開顱、骨科植入體固定及口腔頜面外科牙體預(yù)備及植入體的固定中。根據(jù)鉆孔作用不同，大致可分為高速鉆孔與低速鉆孔兩種類型[1]：前者主要應(yīng)用于單純鉆孔，最常見的是在堅(jiān)硬的骨質(zhì)上鉆出一條可以后續(xù)植入鈦釘所需的隧道，因此要求以較高的鉆速，通常在20 000 r/min以上，短距離快速地鉆孔；而低鉆速鉆孔主要用于牙體預(yù)備[2]或骨錨式助聽器的安放[3]，其轉(zhuǎn)速需控制在幾十到幾千的范圍內(nèi)，避免局部產(chǎn)熱過高引起骨壞死，影響后期骨組織與植入體的融合。電鉆鉆孔操作在耳科手術(shù)中的應(yīng)用較少，隨著微創(chuàng)手術(shù)觀念的逐漸發(fā)展，經(jīng)皮隧道人工耳蝸植入手術(shù)已經(jīng)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)階段。針對乳突區(qū)鉆孔操作具有鉆孔孔徑細(xì)長、沖水困難、散熱差的特點(diǎn)，為避免鉆孔中產(chǎn)生過高熱量損傷面神經(jīng)，本研究利用新鮮豬肋骨塊模擬乳突區(qū)骨質(zhì)特點(diǎn)，進(jìn)行一系列體外實(shí)驗(yàn)，以期獲得不同鉆速下鉆孔操作對骨質(zhì)產(chǎn)熱的影響，為下一步手術(shù)操作提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究材料

使用厚10 mm、長8 mm外形接近的新鮮豬肋骨，含有上方皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨及下方皮質(zhì)骨全層，以模擬乳突皮質(zhì)骨、乳突氣房及面隱窩外側(cè)致密骨質(zhì)特點(diǎn)。

1.2 儀器和設(shè)備

1.2.1 溫度測量裝置 采用Pt100 M222A 20NIPt10(-70～500 ℃，Heraeus Sensor Technology，德國)熱敏電阻4枚，大小2 mm×2 mm，其中3枚分別置于骨塊橫截面上方皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨交界處，松質(zhì)骨中央及下方的皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨交界處，1枚置于室溫中，見圖1。熱敏電阻阻值改變帶來的采集電路電信號的改變，經(jīng)放大、電壓轉(zhuǎn)換、濾波、電阻轉(zhuǎn)換后，輸出對應(yīng)的溫度。

1.2.2 電鉆打孔裝置 使用自行改裝設(shè)計(jì)的電鉆打孔平臺(圖2)，有骨塊固定裝置和電鉆推進(jìn)裝置，電鉆以勻速0.2 mm/s平行推進(jìn)。電鉆為瑞士產(chǎn)NOUVAG TCM 3000BL手術(shù)電鉆，轉(zhuǎn)速0～40 000 r/min，32∶1減速比手機(jī)(NV 5054)，轉(zhuǎn)速0～1250 r/min。實(shí)驗(yàn)用鉆針為直徑1.8 mm麻花形鉆針。

1.3 研究方法

連接實(shí)驗(yàn)裝置，固定電鉆打孔平臺。在肋骨標(biāo)本中如圖1所示，在兩塊骨塊的橫截面上依次安放3枚熱敏電阻，將含有熱敏電阻的標(biāo)本固定于骨塊固定裝置上。分別于皮質(zhì)骨表面，橫截面兩側(cè)的兩塊骨塊上，游標(biāo)卡尺(精度0.1 mm)測量距橫截面外側(cè)1.5 mm處標(biāo)記為進(jìn)口。鉆孔時人為將轉(zhuǎn)速按照由低到高分為7個組，分別是100、1250、7000、10 000、20 000、30 000和40 000 r/min。每個鉆速重復(fù)實(shí)驗(yàn)6次，共計(jì)42次。一次固定熱敏電阻可進(jìn)行兩次鉆孔操作，每次鉆孔后需待骨塊的溫度降至室溫再進(jìn)行下一次鉆孔。兩次鉆孔后更換骨塊并重新固定熱敏電阻，進(jìn)行下一次鉆孔操作。鉆孔6次后需更換新的鉆頭。鉆孔時電鉆推進(jìn)速度為0.2 mm/s，鉆孔無外界沖水，在鉆孔同時得出同步的溫度-時間輸出曲線。鉆孔后記錄電鉆出口位置，出口中央距橫截面的垂直距離在1.0～2.0 mm記為有效鉆孔數(shù)據(jù)。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

2 結(jié)果

不同鉆速鉆孔時骨質(zhì)溫度變化結(jié)果見表1、2和圖3。100和1250 r/min鉆速鉆孔時骨質(zhì)升溫差異無顯著性(P=0.130)；1250 r/min較7000 r/min鉆孔升溫差異無顯著性(P=0.207)；7000 r/min鉆孔時骨質(zhì)升溫明顯低于10 000 r/min(P=0.000)。而當(dāng)鉆速高于10 000 r/min時，采用10 000、20 000、30 000和40 000 r/min鉆孔操作時，鉆孔后局部骨質(zhì)最高溫度可達(dá)(75.71±8.65)℃，局部升溫最高(45.73±8.70)℃，上述四組鉆孔溫度升高的兩兩比較，差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。

表1 不同鉆速下鉆孔后骨質(zhì)最高溫度及

圖1 熱敏電阻位置及鉆孔示意圖 圖2 電鉆鉆孔平臺 圖3 不同鉆速下鉆孔骨質(zhì)的最高溫度和升高溫度差值

3 討論

在耳科手術(shù)中，較少利用電鉆進(jìn)行鉆孔操作。隨著技術(shù)的進(jìn)步以及高科技的醫(yī)療輔助設(shè)備的廣泛應(yīng)用，外科手術(shù)正向著微創(chuàng)的方向發(fā)展。醫(yī)學(xué)影像導(dǎo)航及機(jī)器人輔助操作，使得經(jīng)皮打開一條直通耳蝸基底轉(zhuǎn)的“隧道”成為可能[4～6]。本研究為經(jīng)皮微創(chuàng)隧道人工耳蝸植入手術(shù)中鉆孔的初步探索。既往的研究多以47 ℃作為骨細(xì)胞壞死的臨界溫度[7，8]，盡管在這一操作中不需考慮溫度所致的骨壞死，但由于隧道毗鄰面神經(jīng)，因此需考慮鉆孔產(chǎn)熱對面神經(jīng)的損傷。

隨著電鉆的廣泛使用，人們很早就發(fā)現(xiàn)電鉆產(chǎn)熱對于神經(jīng)的影響，從而導(dǎo)致一系列術(shù)中并發(fā)癥。在腦外科手術(shù)中，電鉆操作產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)可引起視神經(jīng)損傷[9]；在耳科手術(shù)中，因電鉆產(chǎn)熱而出現(xiàn)面癱的情況也非常常見[10]。在既往的文獻(xiàn)中，部分學(xué)者以面神經(jīng)溫度在45 ℃以內(nèi)或是面神經(jīng)溫度升高9 ℃，不超過2 min，作為面神經(jīng)能耐受溫度的安全界限[11]，如溫度高于此范圍，面神經(jīng)軸索纖維周圍出現(xiàn)水腫，髓鞘變薄，軸突中神經(jīng)元型一氧化氮合酶(nNOS)的數(shù)量及分布減少，這些均提示神經(jīng)發(fā)生炎癥反應(yīng)，從一定程度上引起神經(jīng)傳導(dǎo)性下降[12]。

電鉆鉆孔時產(chǎn)生的熱量，受到多種因素的影響。既往有大量文獻(xiàn)對于電鉆鉆頭的材質(zhì)[13]、鉆頭的類型[1,14]、鉆頭齒槽的數(shù)目[15]、鉆速的高低[2,16]、進(jìn)給速度的快慢[16]、沖水有無及沖水速率[17]等進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。由于骨質(zhì)形態(tài)的復(fù)雜性，各個參數(shù)都不是單獨(dú)影響溫度及鉆孔的效率的，應(yīng)該綜合考慮，因此對不同的文獻(xiàn)的結(jié)果要綜合分析[1]。我們之前的實(shí)驗(yàn)[18]證實(shí)，在使用肋骨塊模擬乳突區(qū)骨質(zhì)進(jìn)行鉆孔操作時，使用麻花型鉆頭較常規(guī)切削鉆頭產(chǎn)熱量明顯偏低，但使用10 000 r/min以上的高鉆速進(jìn)行鉆孔操作時，即使是使用麻花鉆頭，其產(chǎn)生的骨質(zhì)升溫仍可達(dá)30 ℃以上，不能保證手術(shù)安全。結(jié)合本實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們認(rèn)為當(dāng)電鉆的鉆速高于一定范圍時，進(jìn)一步提高鉆速對局部骨質(zhì)溫度的變化沒有顯著性影響。

根據(jù)手術(shù)電鉆鉆速和扭力的不同，現(xiàn)有的手術(shù)電鉆分為兩種：一種為高鉆速鉆，即常見的耳科手術(shù)電鉆，鉆速通常在20 000 r/min以上，最高可達(dá)80 000 r/min。這種電鉆以高鉆速低扭力為主要特點(diǎn)，通過高速旋轉(zhuǎn)的鉆頭達(dá)到切割骨質(zhì)的目的，操作時需沖水降溫并及時排除骨屑。另一種為低鉆速鉆，主要用于牙體預(yù)備或種植體安放，借助減速比手機(jī)，在降低鉆速的同時提高扭力，鉆速可達(dá)20 r/min甚至更低。這種電鉆以低鉆速高扭力為主要特點(diǎn)，通過較高的扭力將植入體旋入骨質(zhì)中。由于鉆速低，局部產(chǎn)熱也低，避免操作過程中產(chǎn)熱對骨細(xì)胞的影響[15]，有利于骨細(xì)胞與植入體的融合。

為了進(jìn)一步獲得安全合理的升溫范圍，本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了不同鉆速組的電鉆鉆孔實(shí)驗(yàn)。不同鉆速下鉆孔骨質(zhì)升溫與局部最高溫度情況見圖3，采用低鉆速鉆孔時，局部升溫較低，隨著鉆速的升高，骨質(zhì)局部升溫增高。當(dāng)鉆速高于10 000 r/min后，局部升溫隨著鉆速的升高，變化趨于平緩。采用1250 r/min鉆速下鉆孔平均溫度升高11.57 ℃，明顯低于10 000 r/min鉆速下的43.09 ℃。且鉆孔后局部骨質(zhì)的最高溫度在(39.88±4.62)℃，低于面神經(jīng)45 ℃的安全耐受界限。在保持同樣推進(jìn)速度的情況下，當(dāng)鉆速進(jìn)一步降低至100 r/min時，局部骨質(zhì)的升溫僅為3.81 ℃，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于面神經(jīng)局部溫度升高低于9 ℃的安全界限。Kim等[2]在50 r/min的鉆速下進(jìn)行鉆孔實(shí)驗(yàn)，局部溫度升高的范圍僅在1.57～2.46 ℃之間。因此，為保證微創(chuàng)隧道人工耳蝸植入手術(shù)中面神經(jīng)的安全性，最好選擇較低的鉆速如100 r/min進(jìn)行操作。

Call等[10]觀察到在距離電鉆0.5 mm的區(qū)域內(nèi)其溫度可高達(dá)140 ℃，在常規(guī)的耳科手術(shù)操作中，由于電鉆磨削的操作是在開放的環(huán)境中進(jìn)行的，有助于熱量及時釋放；同時，操作過程中持續(xù)沖水降溫，能夠及時帶走熱量，避免局部溫度升高。但在經(jīng)皮隧道人工耳蝸植入手術(shù)中，電鉆的鉆孔路徑需通過面隱窩，毗鄰垂直段面神經(jīng)的距離有時不到1 mm，加之鉆孔隧道深，孔徑小，為熱量的散發(fā)和沖水降溫帶來了一定的困難，極易造成熱量蓄積，導(dǎo)致局部溫度驟升，因此，常規(guī)鉆孔操作必然會損傷面神經(jīng)功能。結(jié)合本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果及微創(chuàng)隧道人工耳蝸手術(shù)鉆孔的特殊性，建議在操作中采用以下方法來減少溫度所致的面神經(jīng)的損傷：①使用低鉆速電鉆來鉆孔，特別是采用100 r/min的鉆速操作，在鉆孔長度10 mm左右的距離下，溫度升高僅有3.81 ℃，在不給予外界沖水的情況下，其產(chǎn)生的熱量對面神經(jīng)的影響也在安全范圍內(nèi)；②即使這樣，仍然推薦在鉆孔過程中給予持續(xù)外部沖水，進(jìn)一步減少鉆孔過程中產(chǎn)生的熱量，降低局部溫度；③鉆孔過程可采用間斷鉆孔的方式，即電鉆推進(jìn)一段后停止轉(zhuǎn)動，待局部溫度降低后再次推進(jìn)。

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(修回日期：2015-08-14)

(責(zé)任編輯：王惠群)

Comparison of Heat Generation During Bone Drilling Using Different Drill Speeds

KeJia*,ZhuYunfeng,LiQian*,etal.

*DepartmentofOtorhinolarygologyHeadandNeckSurgery,PekingUniversityThirdHospital,Beijing100191,China

MaFurong,E-mail:furongma@126.com

Objective To compare changes in bone temperature during the drilling using different drill speeds and to get the safe parameters of drilling operation in minimal invasive cochlear implant. Methods Fresh pig ribs bone samples with similar shape were used in this study. Three thermistors (Pt100) were fixed in the transverse section of the bones. There were seven drilling speeds groups which included 100, 1250, 7000, 10 000, 20 000, 30 000 and 40 000 r/min. Drilling were used to create holes at the location 1.5 mm from the thermistors with different speeds. Changes in temperature were recorded. Results The mean temperature raise when drilling in 100 r/min was (3.81±1.47) ℃ and in 1250 r/min was (11.57±4.32) ℃, without statistical difference (P=0.130). The mean temperature raise when drilling in 7000 r/min was (18.01±3.62) ℃ and in 10 000 r/min was (43.09±10.05) ℃, with statistically difference (P=0.000). There were no significant differences in temperature raise when the drilling speeds were higher than 10 000 r/min. Conclusions Within the limitations of this study, drilling bones in 100 r/min and 1250 r/min generates less heat. When the local temperature be limited, low speed drilling should be used in drilling the bone.

Drill; Heat generation; Drill speed; Temperature

首都衛(wèi)生發(fā)展科研專項(xiàng)項(xiàng)目(2011-4023-03)；2011北京大學(xué)第三醫(yī)院臨床學(xué)科重點(diǎn)項(xiàng)目

R608

A

1009-6604(2015)11-1045-04

10.3969/j.issn.1009-6604.2015.11.025

2015-05-14)

**通訊作者，E-mail：furongma@126.com

①(北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所，北京 100191)