超聲手術刀在臨床上的應用

賀洋洋

甘肅醫(yī)學院 (甘肅平?jīng)?744000)

近年來，超聲在生物醫(yī)學領域中的應用越來越廣泛，按用途可分為超聲治療和超聲診斷設備。超聲外科手術設備是超聲治療設備的重要形式，超聲手術刀作為外科手術設備的主要組成部分，具有切割精度高、出血量少、極少產(chǎn)生煙霧，以及術后恢復快等特點，已成為國內(nèi)外相關領域的研究熱點[1]。本研究介紹超聲手術刀的工作原理、分類、結構，并詳細敘述了臨床應用及新型超聲手術刀的發(fā)展前景。

1 超聲手術刀的工作原理

超聲手術刀是根據(jù)超聲波產(chǎn)生的強大瞬時沖擊加速度、微聲流及聲空化的共同作用分離組織。(1)瞬時沖擊加速度。當質點加速度為G的機械振動作用于生物組織時，可迅速切開該組織，而不傷及周圍組織。超聲切割式手術刀利用超聲的高頻機械振動效應，進行與傳統(tǒng)外科手術相似的超聲治療[2]。(2)微聲流作用。超聲振動使組織變成均漿，刀頭切割升溫時會使組織中脂肪逸出。(3)聲空化作用。指存在于液體中的微氣核空化泡在聲波的作用下振動，當聲壓達到一定值時發(fā)生的生長和崩潰的動力學過程。超聲波作用于液體時可產(chǎn)生大液化的生物組織中，首先形成微氣泡(空化核)，然后在強大的超聲作用下被激活或持續(xù)性地震蕩，或擴大后崩潰，即發(fā)生空化過程。同時伴隨空化過程發(fā)生的是切向力，導致局部高溫高壓，沖擊波反射流，破壞組織，切割任務完成[3]。(4)超聲止血的機理為快速升溫的刀頭會促進凝血反應，止血作用明顯。

2 超聲手術刀的基本結構

超聲手術刀主要由兩部分組成，即高頻功率源及超聲振動系統(tǒng)[4]。超聲振動系統(tǒng)又包含三個組成部分：超聲換能器、變幅桿、刀頭(圖1)。超聲換能器的作用是把高頻電能轉化成超聲振動動能，換能器通常采用壓電陶瓷和磁致伸縮型[5]；變幅桿的作用是將超聲能量聚集在較小面積上來放大機械振動的位移或速度；刀頭輻射聲能，將人體組織切斷或乳化并利用負壓吸出體外。

壓電陶瓷換能器是目前應用廣泛的換能器，優(yōu)點包括：(1)機電轉化效率高，高達80%；(2)通過改變材料可以得到性能各異的超聲換能器；(3)成形較容易，可以加工成任意形狀；(4)造價低廉，性能較穩(wěn)定，易于大規(guī)模推廣應用。壓電陶瓷材料的缺點是脆性大，抗張強度低，大面積原件成形難。磁致伸縮換能器是傳統(tǒng)的換能器，由于其性能穩(wěn)定，至今仍在一些特殊領域被繼續(xù)應用。磁致伸縮換能器的優(yōu)點主要有功率大、性能穩(wěn)定、容量大、機械強度好等，缺點是激發(fā)電路復雜、能量轉化效率低、機械加工較困難等。

圖1 超聲手術刀振動系統(tǒng)結構

3 超聲手術刀的分類及臨床應用

3.1 超聲切割止血刀(UHS)

切割刀利用的原理是超聲波使刀頭振動，使與其接觸的組織細胞內(nèi)的水分汽化，蛋白質氫鏈斷裂，細胞崩解重新融合，組織被凝固后切開，與組織蛋白接觸的刀頭，通過機械振動破壞膠原蛋白結構，導致蛋白凝固，進而實現(xiàn)封閉血管、止血的目的。

該刀由壓電陶瓷片、變幅桿、刀頭組成。壓電陶瓷片由預緊螺釘固定，將電源的電能轉換成機械能；變幅桿的作用是將超聲能量聚集到較小面積上來放大機械振動的位移或速度，其外形有復合型、指數(shù)型、懸鏈型以及階梯形等不同形狀；刀頭主要作用是輻射聲能，切斷組織。

周勝利等[6]從超聲切割刀手術學模型重建，定性分析了一種超聲切割刀的結構因素對其縱振動的影響，并優(yōu)化其結構設計，得到的結果是截面位置與加持件中心位置的偏差在1 μm之內(nèi)，在相同的正弦信號的激勵下，優(yōu)化后的切割刀振幅比優(yōu)化前的提高27%。李小梅等[7]探討了超聲刀在婦科腹腔鏡手術中的應用價值，結論是超聲刀具有創(chuàng)傷小、操作簡單、術后康復快、術中出血量少等優(yōu)點，值得臨床推廣。

3.2 高強度聚焦超聲刀

超聲聚焦刀是20世紀90年代以后在臨床上逐步開始應用，稱之為HIFU (海扶刀)，又稱之為“21世紀腫瘤治療新技術”。目前，美國、日本、英國、法國、德國、挪威、芬蘭等國家都在開展該技術的研究和應用。超聲聚焦刀在人體內(nèi)聚焦，導致焦域區(qū)高聲強，機械能轉化成熱能，使此處溫度迅速升高，達到65℃以上，殺死聚焦區(qū)域組織的腫瘤細胞。這主要是利用了超聲波的熱效應和空化效應。

李長玲[8]探討了HIFU在彌漫性子宮肌瘤病(DUL)患者治療中的應用效果,結論是HIFU治療DUL患者近期具有良好的安全性和有效性。厲波等[9]探討了HIFU聯(lián)合THP膀胱灌注在膀胱癌患者治療中的應用,結論是此方法在膀胱癌患者治療中具有操作簡單、安全有效、并發(fā)癥少等優(yōu)點，尤其適用于年老體弱、已失去根治性膀胱切除術時機的晚期膀胱癌患者，它是有效治療膀胱癌的一個新方法。

3.3 白內(nèi)障超聲乳化刀

白內(nèi)障是眼科常見疾病。傳統(tǒng)手術治療恢復期長、切口大，且等到晶狀體成熟后才能手術，帶給患者很多不便。超聲白內(nèi)障乳化刀通過微小切口深入眼睛內(nèi)，利用超聲波對人體組織的空化效應和碎裂效應，將白內(nèi)障乳化并吸出。這種方法比傳統(tǒng)方法迅速，出血少、恢復快。換能器被作用的區(qū)域僅需升溫1℃，就能把白內(nèi)障乳化后吸出。超聲白內(nèi)障乳化刀形狀如圖2。

圖2 超聲乳化刀

20世紀中期,受到牙科潔牙用的超聲探頭的啟發(fā)，美國醫(yī)生Kelman,成功研制了世界上第一個超聲乳化刀頭。1970年超聲白內(nèi)障乳化儀在市場上銷售。據(jù)統(tǒng)計，美國眼科醫(yī)師每年通過超聲乳化刀完成150～180萬例白內(nèi)障摘除手術。

超聲乳化刀由換能器、變幅桿、乳化針頭等部分組成。由鈦合金制成的乳化刀頭一般前端有15°、30°、45°的傾角,傾角越大乳化時越容易形成“堵塞”，產(chǎn)生負壓，因此，要求傾角越小越好；而實現(xiàn)對硬核的粉碎，則要求傾角越大越好[2]。

3.4 超聲吸引器

超聲吸引器是超聲白內(nèi)障乳化刀的演變。它是利用由管道的圓管狀刀頭，在臨床手術時，通過管道向手術切口噴注液體，使刀頭振動剝落并乳化組織微粒，在負壓下沿管道吸引排出。肖宗宇等[10]回顧性分析2012年6月至2014年6月收治的超聲吸引手術治療的45例腦膜患者的臨床資料，其中腫瘤全切除30例，次全切除12例，大部分切除3例；使用超聲吸引器進行切除，平均操作時間為28.5 min，平均出血量約195.6 ml；術后均未出現(xiàn)與超聲吸引手術直接相關的并發(fā)癥。因此，運用超聲吸引器輔助顯微手術切除腦膜瘤，手術出血少，腦組織損傷小，能提高切除率，縮短手術時間，減少并發(fā)癥的發(fā)生。

超聲吸引器易作用于高含水量的功能組織，因此它可以少出血或者不出血，一層一層地把病變組織剝落、乳化和吸除。

4 小結

超聲手術刀以其創(chuàng)傷小、精確度高等特點已經(jīng)成為21世紀外科手術首選的醫(yī)療器械設備，目前國內(nèi)外本領域研究中存在的主要問題是：(1)電聲轉化效率低；(2)超聲手術機制研究少。因此，對新型超聲手術刀的設計和實驗研究工作迫在眉睫。例如，三角形刀頭縱振動的超聲手術刀振動機制的研究，球形和鉤形刀頭縱-彎振動的超聲手術刀的設計和研究等。

超聲手術設備的研究和推廣在我國具有極大的社會經(jīng)濟效益。由于我國醫(yī)院眾多，進口國外超聲設備價格昂貴，急需要價格適中的醫(yī)療設備來滿足廣大患者的需求，所以超聲手術刀將成為外科發(fā)展的必然趨勢和方向，新型超聲手術刀的研究具有越來越廣闊的應用前景。