曹廣凱，姜興剛，畢培信，秦　威，張德遠(yuǎn)

（北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京100191）

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超聲手術(shù)刀的工作機(jī)理及力負(fù)載特性

曹廣凱，姜興剛，畢培信，秦威，張德遠(yuǎn)

（北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京100191）

摘要：超聲手術(shù)刀作為一種新型的載能刀具在醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用上取得了廣泛應(yīng)用，但因其超聲刀的工作對(duì)象是復(fù)雜的生物組織，人們對(duì)于超聲刀的工作機(jī)理尚不是很明確，對(duì)其負(fù)載特性的研究也有限?；诖?，從超聲手術(shù)刀的工作機(jī)理和力負(fù)載特性?xún)煞矫孢M(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)空化效應(yīng)在超聲刀切割組織時(shí)具有重要作用；同時(shí)研究了負(fù)載力對(duì)超聲刀工作狀態(tài)的影響，表明在有載情況下，負(fù)載力對(duì)超聲刀的工作頻率影響不大，但隨著負(fù)載力增大，阻抗圓半徑和最大導(dǎo)納均逐漸變小并趨于恒定，即表現(xiàn)為超聲刀的振動(dòng)效果逐漸受到抑制并趨于穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：超聲手術(shù)刀；工作機(jī)理；空化效應(yīng)；力負(fù)載特性

近年來(lái)，高能低頻超聲（20～60 kHz）在醫(yī)學(xué)上取得了廣泛的臨床應(yīng)用，超聲手術(shù)刀就是其中最常見(jiàn)的一種，主要用于生物組織的切割與血管閉合等操作[1-2]。根據(jù)用途不同，超聲手術(shù)刀可分為超聲切割止血刀、超聲吸引器、超聲骨刀等，一般所說(shuō)超聲刀是指超聲切割止血刀。自1967年Kelman將超聲應(yīng)用于白內(nèi)障手術(shù)以來(lái)，超聲手術(shù)刀已歷經(jīng)50年的發(fā)展，如今已廣泛應(yīng)用于各類(lèi)病變組織的切除與血管閉合等手術(shù)中，尤其是腹腔鏡手術(shù)。相較于普通手術(shù)刀和其他能量手術(shù)設(shè)備，超聲手術(shù)刀具備多種優(yōu)點(diǎn)[1-3]：手術(shù)精度高、操作簡(jiǎn)便、手術(shù)創(chuàng)傷區(qū)域小、無(wú)煙霧、出血量少、手術(shù)時(shí)間短、術(shù)后恢復(fù)速度快。與電刀和氣體激光手術(shù)刀等能量手術(shù)器械相比，超聲手術(shù)刀工作時(shí)的刀頭溫度一般低于80℃，這大大低于其他能量手術(shù)器械的工作面溫度，能極大地減少手術(shù)中對(duì)切口周邊組織所造成的熱損傷范圍和程度。此外，由于超聲刀工作時(shí)不產(chǎn)生電火花，因此不會(huì)對(duì)神經(jīng)組織產(chǎn)生電信號(hào)干擾，特別是在進(jìn)行肌肉切割時(shí)，超聲刀不會(huì)導(dǎo)致肌肉異常痙攣。由于超聲刀刀頭工作時(shí)的側(cè)向組織損傷深度一般小于1 mm，因此對(duì)刀頭作用區(qū)域附近組織的連帶損傷面積較小，且普遍預(yù)后良好。

鑒于超聲手術(shù)刀良好的臨床應(yīng)用效果，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其做了相關(guān)研究。超聲切割止血刀的發(fā)明者Amaral[3]通過(guò)更換不同刀頭作了切割軟組織的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)分離鉤式的刀頭具有最佳的切割和止血的綜合效果，并初步闡釋了切割止血的機(jī)理。Khambay[4-5]針對(duì)超聲骨鑿的切骨過(guò)程進(jìn)行研究，闡述了切骨過(guò)程中切割速度、切割力和進(jìn)給深度等參數(shù)對(duì)切割效果的影響，但沒(méi)有針對(duì)工作參數(shù)變化導(dǎo)致的負(fù)載變化及其對(duì)換能器工作特性的影響展開(kāi)研究。Bond和Cimino[7]對(duì)超聲吸引器的破碎原理進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，以每秒組織破碎質(zhì)量作為衡量指標(biāo)，研究了組織類(lèi)型、沖擊振幅、吸力、工作頻率、刀頭面積這五方面對(duì)超聲吸引器工作性能的影響，發(fā)現(xiàn)組織強(qiáng)度似乎是影響破碎效果最大的因素，并認(rèn)為機(jī)械沖擊是組織破碎的主要機(jī)理；實(shí)驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有觀察到空化現(xiàn)象，未對(duì)微觀破碎機(jī)理進(jìn)行闡述。陳穎等[8-9]研究了不同組織（動(dòng)物骨組織和各類(lèi)軟組織）負(fù)載對(duì)超聲刀換能器的工作頻率、輸入導(dǎo)納、反射系數(shù)等工作特性的影響，并建立了相應(yīng)數(shù)學(xué)模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)軟組織會(huì)降低工作頻率，而硬組織（骨組織）會(huì)提高工作頻率。

目前，盡管?chē)?guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)超聲刀做了諸多研究，但多限于臨床應(yīng)用觀察，切割止血的機(jī)理尤其是微觀機(jī)理仍不明確，對(duì)超聲刀負(fù)載特性進(jìn)行的相關(guān)研究也較有限；而為了提高超聲刀的工作效率，減少組織損傷，以使最終達(dá)到監(jiān)測(cè)和控制超聲能量的目的，對(duì)于超聲刀負(fù)載特性的研究都是很有必要和有意義的。基于此，本文一方面使用高速攝像機(jī)結(jié)合顯微鏡對(duì)切割過(guò)程進(jìn)行了微觀觀察，對(duì)超聲刀的工作機(jī)理進(jìn)行了進(jìn)一步的探究，另一方面通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了不同負(fù)載力下超聲刀的工作特性。

1　超聲手術(shù)刀的工作機(jī)理

同其他功率超聲設(shè)備類(lèi)似，超聲刀工作時(shí)換能器在超聲電源的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生高頻機(jī)械振動(dòng)，由高頻交流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再經(jīng)變幅桿的振幅放大，超聲能量傳遞到刀頭部分，進(jìn)而通過(guò)接觸作用于生物組織以實(shí)現(xiàn)組織切除和血管止血等。但不同于超聲在工業(yè)上的作用對(duì)象金屬、復(fù)合材料等，超聲手術(shù)刀的作用對(duì)象是生物組織，因此其作用機(jī)理與工業(yè)上超聲加工大不相同。一般認(rèn)為超聲手術(shù)刀作用機(jī)理包含機(jī)械沖擊、空化效應(yīng)和熱效應(yīng)3個(gè)方面。

1.1切割機(jī)理

目前超聲刀的主要切割機(jī)理一般認(rèn)為是機(jī)械沖擊和空化效應(yīng)，且機(jī)械沖擊被認(rèn)為是組織破碎的主要機(jī)理[6]，尤其對(duì)于高蛋白含量組織和膠原成分組織，如肌肉、蛋白質(zhì)、纖維性結(jié)締組織等。具體表現(xiàn)為機(jī)械沖擊使蛋白質(zhì)氫鍵斷裂，同時(shí)由于熱量產(chǎn)生，溫度上升，導(dǎo)致生物組織發(fā)生局部液化，呈勻漿化，最終使組織撕裂。有研究表明，不同的生物組織具有不同的切割閾值，超過(guò)切割閾值，生物組織就會(huì)遭到破壞瓦解，如軟組織的切割閾值一般認(rèn)為為5×104g。對(duì)于頻率為55.5 kHz的Harmonic scalpel超聲刀，計(jì)算表明其沖擊加速度遠(yuǎn)超其切割閾值。

超聲振動(dòng)所產(chǎn)生的空化效應(yīng)被認(rèn)為提供輔助切割作用，主要用于切割脂肪和軟組織?？栈且环N存在于液體之中的常見(jiàn)物理現(xiàn)象，一般在液體或固-液交界面處總存在著微小的空泡或氣泡，統(tǒng)稱(chēng)為空化核?？栈颂幱诜欠€(wěn)定狀態(tài)，由于超聲波聲場(chǎng)物理作用，致使液體內(nèi)形成局部的暫時(shí)性負(fù)壓區(qū)，從而產(chǎn)生空泡尺寸擴(kuò)張或壓縮。這一系列的變化包括空泡初生、發(fā)育生長(zhǎng)和迅速閉合甚至崩潰的過(guò)程。當(dāng)空泡潰滅時(shí)，會(huì)產(chǎn)生微聲流和局部高溫高壓，進(jìn)而產(chǎn)生強(qiáng)大的破壞力，破壞組織結(jié)構(gòu)。

1.2止血機(jī)理

超聲手術(shù)刀的一大特色就是切割與止血同時(shí)進(jìn)行，這是超聲對(duì)蛋白質(zhì)和細(xì)胞的作用以及超聲的熱效應(yīng)所產(chǎn)生的綜合效果。一般認(rèn)為超聲振動(dòng)、空化效應(yīng)導(dǎo)致的氣泡擾動(dòng)和溫升可大大促進(jìn)血小板的凝血作用，在超聲刀工作時(shí)，高頻振蕩的刀頭接觸組織液或血液，產(chǎn)生強(qiáng)烈的空化效應(yīng)，大量空化泡爆裂的熱效應(yīng)使其附近的蛋白質(zhì)破碎凝固并堵塞于血管斷口處實(shí)現(xiàn)緊急止血；同時(shí)，手術(shù)刀切割時(shí)不論是振動(dòng)摩擦還是空化效應(yīng)，都會(huì)導(dǎo)致作用機(jī)體出現(xiàn)一定程度的溫升，可提高該區(qū)域附近血液中凝血酶的活性，從而加速凝血反應(yīng)過(guò)程。

1.3切割過(guò)程的微觀觀察

為了進(jìn)一步探究超聲刀的工作機(jī)理，采用高速攝影與顯微觀察相結(jié)合的方法對(duì)超聲刀頭切割過(guò)程進(jìn)行觀察分析。由于高速攝像畫(huà)面為黑白畫(huà)面，為提高對(duì)比度及畫(huà)面清晰度，選擇新鮮雞胸大肌組織作為實(shí)驗(yàn)材料。雞胸肌中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)73 %以上，蛋白質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)25 %，脂肪、灰質(zhì)等其他成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不足3 %，且組織強(qiáng)度及韌性較好，在超聲作用下不易出現(xiàn)大面積碎裂，是理想的超聲手術(shù)刀測(cè)試實(shí)驗(yàn)材料。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在刀頭與組織接觸部分明確觀察到了空化現(xiàn)象，且在水中做了對(duì)比試驗(yàn)，均能清楚地觀察到空化泡的存在（圖1）。同時(shí)發(fā)現(xiàn)組織切割難易程度與組織含水量密切相關(guān)，在切割脫水雞肉、豬肉和豬皮等組織時(shí)，明顯阻力較大、較難切割，可認(rèn)為空化效應(yīng)在切割過(guò)程中起到了重要作用，空化效應(yīng)是超聲刀的一個(gè)重要工作機(jī)理[10]。

圖1　超聲刀振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的空化泡

2　超聲手術(shù)刀的力負(fù)載特性

由于超聲刀的作用對(duì)象是生物組織，組織多為粘彈性體且成分復(fù)雜多變，即使同一類(lèi)型的組織由于組織層次的不同，往往也會(huì)表現(xiàn)為不同的力學(xué)特性，可體現(xiàn)出超聲刀遇到的阻力不同。同時(shí)，由于超聲刀是能量持續(xù)輸出的載能刀具，若刀面持續(xù)作用在生物組織上，會(huì)使組織變性凝結(jié)，若繼續(xù)工作則會(huì)使組織燒傷結(jié)痂，這是應(yīng)當(dāng)避免的，而組織在變性凝結(jié)后也會(huì)表現(xiàn)出不同的力學(xué)特性。因此，對(duì)超聲刀的力學(xué)負(fù)載特性進(jìn)行研究是很有必要的，這也將為超聲刀工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和能量控制提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

2.1實(shí)驗(yàn)材料和方法

選取離體不超過(guò)4 h的新鮮雞胸肉，并切成體積約為5 cm×3 cm×3 cm的樣本，為了減小隨機(jī)誤差，選取了3組樣本做了同樣的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置由阻抗分析儀、可上下移動(dòng)的支架、超聲手術(shù)刀（工作頻率為55.5 kHz）、電子秤和組織樣本構(gòu)成，超聲刀豎直放置并與可移動(dòng)支架固連在一起，刀頭端接觸組織樣本，另一端連接阻抗分析儀（圖2）。

圖2　實(shí)驗(yàn)裝置

由于醫(yī)生在操作超聲刀時(shí)對(duì)組織所施加的力一般較小，所以實(shí)驗(yàn)過(guò)程中調(diào)節(jié)支架上下移動(dòng)，使超聲刀施加在組織樣本上的力從0開(kāi)始逐漸增加至2.2 N，同時(shí)阻抗分析儀采集對(duì)應(yīng)力負(fù)載下的頻率、電阻、電抗等數(shù)據(jù)。

2.2結(jié)果分析

對(duì)阻抗分析儀所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析后，得到超聲刀在不同力負(fù)載下的阻抗圓圖、工作頻率和負(fù)載力的關(guān)系圖、最大導(dǎo)納和負(fù)載力的關(guān)系圖（圖3）。可看出，隨著負(fù)載力的增大，阻抗圓半徑逐漸減?。▓D3a），并趨于穩(wěn)定。由圖3b可知，和空載時(shí)相比，超聲刀在有負(fù)載時(shí)的工作頻率變小，且隨著負(fù)載力的增大，工作頻率變化很小，幾乎保持恒定。從圖3c可看出，反映超聲刀振幅的最大導(dǎo)納隨著負(fù)載力的增加逐漸減小，且趨于穩(wěn)定。

圖3　超聲刀在不同負(fù)載力下的工作特性

總體來(lái)看，負(fù)載力對(duì)工作頻率的影響很小，這可能是因?yàn)楣ぷ鲿r(shí)施加在超聲刀上的力與超聲刀換能器在擰緊時(shí)被施加的預(yù)緊力相比較小，從而影響不大。而負(fù)載力在很大程度上影響了超聲刀的振幅，抑制了超聲刀的振動(dòng)；但隨著負(fù)載力的增大，抑制作用減弱，說(shuō)明在超聲刀工作時(shí)，施加的力越小越好。但由于超聲刀工作是基于與生物組織的緊密接觸，若施加的力減小，超聲能量則不能很好地傳遞到生物組織上，從而減弱了超聲刀的工作能力。因此，尋求到一個(gè)最佳的負(fù)載力，既能保證超聲刀具有良好的振動(dòng)效果，又能使超聲能量很好地傳遞到生物組織上，這有待進(jìn)一步研究。

3　總結(jié)

本文首先對(duì)超聲手術(shù)刀的工作機(jī)理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)空化效應(yīng)在超聲刀工作時(shí)（尤其是在切割組織時(shí)）起到了重要的作用。同時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了負(fù)載力對(duì)超聲刀工作狀態(tài)的影響，初步建立了負(fù)載力和超聲刀的工作狀態(tài)之間的關(guān)系，向?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)與控制超聲能量的目的邁進(jìn)了一步。由于超聲刀的工作對(duì)象是生物組織，對(duì)生物組織的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)相當(dāng)困難，因此可利用負(fù)載和超聲刀工作狀態(tài)間的關(guān)系，通過(guò)監(jiān)測(cè)超聲刀的工作狀態(tài)來(lái)判斷生物組織的狀況，如組織是否變性、燒痂等，當(dāng)然這需要對(duì)超聲刀的負(fù)載特性進(jìn)行更進(jìn)一步的研究。為了實(shí)現(xiàn)超聲手術(shù)刀的高效化和智能化，其工作機(jī)理尤其是機(jī)械效應(yīng)、空化效應(yīng)及熱效應(yīng)的多場(chǎng)耦合作用和負(fù)載特性都需進(jìn)行更深入的研究。

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The Work Mechanism and Influence of Force Load on Ultrasonic Scalpel

Cao Guangkai，Jiang Xinggang，Bi Peixin，Qin Wei，Zhang Deyuan
（School of Mechanical Engineering and Automation，Beihang University，Beijing 100191，China）

Abstract：The ultrasonic scalpel has been widely applied in operation as a new tool. But，as the operation objective is comprehensive biological tissue，the work mechanism is still not clear and there is little research on the character of the ultrasonic scalpel applied different force load. Therefore，the work mechanism and the influence of different force load on ultrasonic scalpel are studied by experiment.The result shows that cavitation effect plays an important role on the operation. Meanwhile，the results reveal that with the increase of force，the work frequency of ultrasonic scalpel with load almost does not shift，however both the radius of impedance circle and the maximum value of admittance decrease gradually to keep stable，in other words，the amplitude of ultrasonic scalpel weakens gradually to constant.

Key words：ultrasonic scalpel；work mechanism；ultrasonic cavitation；force load property

第一作者簡(jiǎn)介：曹廣凱，男，1989年生，碩士研究生。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51305018、51475031、5147 5029）

收稿日期：2015-10-30

中圖分類(lèi)號(hào)：TG663

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009－279X（2016）01－0044-03