简介超声手术刀

赵甘永，吴 荣 (浙江省肿瘤医院设备科，浙江杭州 310022)

〔摘 要〕 详细介绍超声手术刀的工作原理，并简单介绍了超声手术刀使用时应注意的问题、国内外研究现状、目前存在的主要技术问题和发展前景。
〔关键词〕 超声手术刀；原理；发展 

超声手术刀是采用超声能对软组织进行止血切开和凝固。适用于对需要控制出血和最小程度热损伤的软组织进行切开，被广泛的应用于外科手术。超声手术刀可以用来配合或取代高频手术刀、激光手术刀和钢制手术刀，大大拓宽了超声治疗的应用领域。
1 工作原理 超声手术刀切割组织的机理主要是瞬时冲击加速度、微声流及声空化。 (1)瞬时冲击加速度：有关研究证明。将质点加速度为5×104G(G为重力加速度G=10*$m/s2)的机械振动作用于活体生物组织时，被作用部位可迅速即被切开，而不伤及其周围组织。计算表明对于频率20*$kHz的超声手术刀，其刀头振动位移幅值应不小于32*$μm，方可切开生物组织。因此，应选用有足够抗疲劳和抗拉强度的材料制造超声手术刀的凝聚器的刀头部，以免在大振幅工作状态下发生材料断裂。 (2)微声流作用：超声振动使组织变成均浆，刀头切割升温时会使组织中脂肪逸出。液化组织在刀头振动产生的单向力(由于非线性效应)作用下，可在刀头附近形成微声流。微声流伴生的切应力使组织细胞遭到破坏。 (3)声空化作用：液化的生物组织中，回充入许多微气泡(空化核)，空化核在强大的超声作用下被激活，或持续性地非线性振荡。或扩大后迅即被压缩或崩溃，即发生空化过程。空化过程伴随发生切向力，局部高温高压，冲击波反射流等，都可破坏组织，完成切割任务。 (4)超声止血作用：接触式超声手术刀的切割速度快、其刀头温升会促进凝血反应机制，有明显的止血作用，具有抽吸功能的超声手术刀，其切割速度较慢，在破坏和吸除高含水量组织细胞同时，可使弹性较强的高胶原含量组织完好无损，使手术在安全、少血或无血条件下进行。 超声手术刀主要由两部分组成，即高频功率源及超声振动系统。超声振动系统又包含三个组成部分：超声换能器、聚能器和刀头。超声换能器的作用是把高频电能转成超声振动能，通常借助反压电效应或磁致伸缩效应来实现。采用夹心式压电换能器，用螺钉通过压电晶片中心孔施以一定的预应力，压电晶片及其前后的两个金属块统称振子，聚能器的外形可取锥形、指数形、阶梯形或复合形等，依具体情况而定。还有一种超声手术刀，具有冲洗与抽吸功能。其原理是电功率源通过柄中电缆把超声频段(一般为20～40*$kHz)的低电压交变电流供给磁体外边的线圈，通过磁致伸缩效应实现电磁能量线机械能量的转换，使线圈内磁铁产生纵向超声振动，通过聚能器加强并传递给中空的钛制声头，产生可达200*$μm的振幅。手术时，冲洗液经冲洗管向手术切面冲洗同时抽吸泵通过中空声头抽吸排除混有组织碎屑的冲洗液。
2 使用时应注意的问题 
21 使用前先检查刀片扳手座是否开裂或磨损。如果发现损坏，必须先进行生物医学评价，然后才能决定是否可以使用或应予以更换，在高压蒸煮后，要让刀片扳手在室温下至少冷却15*$min或在室温无菌水中浸泡5*$min后再使用。
22 严禁将液体溅射或泼洒在发生器上，或将发生器浸入液体中，可能会损坏发生器并造成电击或失火危险。
23 仪器在按测试键前和进行系统检查时，刀具一定要避开器械、手术布单或其他物件。同时考虑刀烟雾和气雾等副产物可能具有致癌和感染危险。在开放手术和腹腔镜手术中都应采取适应的防护措施。
24 设备不宜在存放与空气与氧气或氧化氩氮混合的易燃麻醉气体场合使用。
3 国内外研究现状 超声手术刀主要包括超声白内障乳化、超声骨科手术、超声外科吸引、超声止血手术、超声体外粉碎结石、高强度超声聚焦手术等。超声白内障乳化主要有Alcon、Storz、SDC等专业厂家，国内也有清华大学生产的超声乳化仪和中科院电工所等生产的产品。八十年代俄罗斯开发出磁致伸缩原理的超声外科手术仪。日本住友公司为避免刀具容易断裂问题采用无齿刀具，相比有齿刀具，无齿刀具寿命大大得到延长。国内主要是清华大学对超声骨科手术进行研究。美国Valleylab公司采用磁致伸缩换能器进行外科吸引，法国、英国、德国等相继推出压电陶器换能器的超声吸引器，意大利推出了超声脂肪吸引等产品。国内清华大学，中科院电工所，南京铁道医学院等也推出类似的产品。美国强生公司于九十年代初期开始致力于超声止血手术并推出“Uitraci—sion”超声止血刀主要用于切割软组织和血管，近年，强生GEN300数码超声切割止血刀被广泛用于医院各手术科室。国内这方面还没有研究。
4 目前存在的主要技术问题和发展前景 近几年来，国内外兴起了定向能量治疗技术，超生治疗技术是能量治疗技术的一个重要组成部分。但是，目前国内外超声外科手术上存在的主要技术问题是：(1)电声转换效率低，导致切割速度较慢以及手柄长时间使用后发热。(2)需要解决手术刀具及加工工艺问题，延长刀具的使用寿命。(3)超声手术机理研究不足。因此，在超声外科手术的关键技术的攻关上首先要深入研究超声手术刀具的选材、加工及处理问题，延长刀具寿命。其次，探索新型超磁致伸缩材料的设计与应用。在超磁致伸缩材料应用上获得突破，研制出超轻小、大功率的超声振动系统。最后进行功率超声手术设备的微创、无创研究治疗。