医用水刀的应用与实现

郑 伟，张西正

医用水刀的应用与实现

郑 伟，张西正

研究了医用水刀的结构、工作原理及其在医学领域的应用，明确了其控制系统所需实现恒压供水以及水压的无级调速功能，应用变频调速恒压供水技术可实现这一功能，增加了一些其他功能部件，开发出了应用于医学上的水刀设备，指出医用水刀的选择性和保护性切割等优点使其在外科手术领域具有广阔的前景，在不久的将来会在国内逐步得到推广应用。

控制系统；恒压供水；医用水刀

AbstractThe structure,the operating principle of medical water-jet and its application in the medical field are studied.The function which its control system should realize,that is,to achieve the constant pressure water supply as well as the hydraulic pressure limitless velocity modulation is defined.The frequency control constant pressure water supply technology is applied to achieve this function.Some other parts are added to develop the water-jet which is applied as the medical equipment.Medical water-jet has the broad prospect in the surgical operation domain because of its merits such as selective and protective cutting.In the future,water-jet will be used widely in the country gradually.[Chinese Medical Equipment Journal，2011，32（2）：82-84]

Key wordscontrol system;constant pressure water supply;medical water-jet

1 引言

水刀是一种利用高压水射流进行切割材料的设备，它利用超高压技术把普通自来水加压到250～400 MPa，然后通过内径约为0.15～0.25 mm 的宝石喷嘴形成速度为 800～1 000 m/s的高速射流，从而切割材料。水刀切割设备应用于临床称为医用水刀。1990年，德国的Rau将专业设计的医用水刀应用于临床，从此水刀在外科手术的临床应用越来越广泛。最初，医用水刀技术主要用于肝胆外科，如今，它已成为一种在实质性器官手术中重要的手术工具，逐步发展到了颌面外科、整形外科、泌尿外科、骨科、耳鼻喉科、眼科、创伤外科等外科领域[1]。在医用水刀领域，德国ERBE公司的研制成果处于世界领先地位，其产品螺旋水刀已经发展到了第二代。

我们利用变频调速恒压供水技术设计了一种新型的应用水刀清创设备，该设备可以同时完成清创术和水刀切割手术。在低压水射流时进行创面清洗，高压水射流时进行组织切除，具有组织选择性好、对周围组织损伤小、手术时间短等优点。

2 变频调速恒压供水技术

变频调速技术的基本原理是根据电动机转速与工作电源输入频率成正比的关系：n=60f（1-s）/p，式中，n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电动机转差率、电动机磁极对数；电动机选定之后，s、p则为定值，电动机转速n和交流电频率f成正比，使用变频器来改变交流电频率，即可以平滑地改变电动机的同步转速，实现对电动机的变频无级调速。而水泵的流量与转速成正比：Q∝n，因此调节变频器的输入频率就可以改变水泵的流量。在水泵的流量发生变化时，供水的压力会发生变化，压力传感器检测到当前出水管道的压力，并将压力转化为电信号，经A/D转换模块将模拟电信号转变成数字量后传送给可编程控制器进行数据处理。可编程控制器经运算后与设定的压力值进行比较，得出偏差值，通过在可编程控制器内部做PID运算得出一调节参量，并将该参量送入D/A转换模块，经数模转换后将得到的模拟量输出至变频器，用以调节电动机的转速及控制电动机的软启动，从而达到控制出水管道压力的目的。当实际管道压力小于设定的压力值时，变频器输出频率提高，电动机转速加快，出水管道压力增高；反之，变频器频率降低，电动机转速减小，管道压力降低，如此上下调整多次，直至偏差值为零，这样就可以保证出水管道压力恒定。系统框图如图1所示。

图1 变频调速恒压供水系统框图

作者单位：300161 天津 军事医学科学院卫生装备研究所（郑 伟、张西正）；510515 广州 南方医科大学生物医学工程学院（郑 伟）

图1是单个水泵的变频调速恒压供水系统框图，仅由1个水泵来供水。该系统由可编程控制器、变频器、电动机、水泵、压力传感器、显示电路及键盘电路等组成。显示器用于显示压力设定值，可采用LED数码管或者LCD液晶模块。键盘用于设定系统参数及控制状态，可采用传统的矩阵式键盘。报警电路用于在变频器发生故障时产生报警信号，以确保供水质量。当应用在大用水量的场合时，可采用多泵供水来满足供水需要。另外，可以在蓄水池里放置一个水位传感器来检测当前水位，并通过显示器显示出来。当水位低于设定值时会发出报警信号，这时就需要往蓄水池里加水以满足供水需求。

从图1可以看出，被控对象的输出（管道压力）会返送回来影响控制器的输出，形成一个闭环反馈控制系统，通过变频器实现自动跟踪来调节水泵电动机的转速，保持用水管网压力稳定。这里采用了PID控制技术，在该系统中通过可编程控制器来做PID算法得出一个调节参量来调节电动机的转速，属于模糊PID控制。系统在运行之前需要先设置好合适的PID参数，还要完成PID算法的编程。该系统可以保持出水压力的恒定，实现恒压供水，也可以设定希望得到的压力值，实现压力的无级调速。

3 医用水刀

3.1 医用水刀的工作原理及结构

典型的医用水刀设备由高压泵、无菌生理盐水容器、手柄和吸引器等组成，其构成如图2所示。医用水刀的工作原理和工业水刀类似，即由电动机驱动高压泵将无菌生理盐水以一定的压力泵出，经过高压软管到达操作手柄，然后通过手柄上细小的喷嘴喷出，在局部产生足够的压强，从而达到切割组织的目的。手柄由直径细小的喷嘴和围在其外周的吸引器管道组成，水刀在工作时产生的废水可通过吸引器管道排到废水箱中，不会流向地面，保证了手术室的清洁。喷嘴的喷射压力和负压吸引的压力都是可以人为控制的，无菌生理盐水是产生切割作用的介质。

图2 医用水刀系统构成图

在水刀喷出的高压水射流作用下，人体组织结构间隙发生膨胀，较软地实质性组织在较低的压力下即可被切断，而在同等压力下，血管、分泌管、淋巴管及神经等韧性较强的组织可以移滑绕开而完整地保留下来或另行处理，利用两者之间的压力差可将不同韧性和弹性的组织结构进行选择性解剖分离[2]。通过改变压力和流速，可以达到有选择性地分离人体组织的目的，还可使特定组织得到最大程度的保护。

医用水刀在手术时具有高度灵活的组织性，与其他传统的手术方法相比，其在临床上的优势主要有[3]：（1）利用水的动能对人体组织进行分离，因此无任何热损伤，不会对重要脏器、周围组织产生损伤；（2）可进行精细分离，具有高度的组织选择性和保护性，减少了误伤的可能性；（3）出血少，无热效应产生的较深的粘连和坏死；（4）切割线平整、鲜明；（5）配备抽吸功能可避免光学和生物学污染；（6）创伤小，患者康复快，术后生活质量明显提高。

由于不同的人体组织具有不同的应力应变特性，所以在使用水刀进行手术时，应根据不同的手术部位选择适当的压力值。德国爱尔博水刀应用在临床时的水射流压力如表1所示。

表1 不同手术所需喷射水流的压力值

为了确保手术的安全性，手柄上的细小喷嘴喷出的水射流必须是恒压的，而且水流要稳定，尽量在较低的压力和较小的流速下达到精确的切割效果。因此，水刀的控制系统首先要能做到恒压供水，而且水流要稳定。又由于不同的手术所需的水射流压力不同，所以水刀的控制系统必须实现压力的无级调速，以满足不同手术的需要。由此可知，水刀的控制系统实际上是一个变频调速恒压供水系统，所以我们可以在变频调速恒压供水系统的基础上研制出医用水刀，这是非常可行的。

3.2 医用水刀在临床的应用

水刀最早应用于肝胆外科，用水刀进行肝部分切除的失血量是常规手术的一半，特别是对合并有肝硬化的患者采用水刀进行肝部分切除时，其平均出血量较常规手术以及超声吸引明显减少[4]。德国慕尼黑大学附属医院外科从1991-01—2000-11期间进行了870例肝切除术，分析总结了钳夹法钝性断肝、CUSA断肝及高压螺旋式水刀切肝的结果。其中采用钝性分离断肝279例、CUSA切肝175例、水刀切肝137例，比较了3种方法的失血量、输血量、肝门阻断时间、切肝时间和术后并发症。结果表明，水刀在术中失血量、输血量和断肝时间等方面均表现出明显的优势[5]。除肝脏外科外，水刀的应用范围已拓展到其他外科，常见的有以下几种。

3.2.1 神经外科领域

Oertel J等应用水刀治疗了脑膜瘤、脑质瘤等多种颅脑疾病[6]。根据手术后病理检查、CT、MRI检查以及手术中对出血情况、手术时间等观察结果提示，水刀具有切割精确、血管保护和周围组织损伤小等优点，可减少术中出血和术后脑水肿。在国内，王宏、魏革等利用医用水刀进行了脑肿瘤的手术治疗，取得了良好的效果[7-8]。

3.2.2 眼科领域

Wilhelm等报告了进行白内障手术可以克服常规手术中的内皮细胞损失和白内障再生的问题[9]。2006年，国内著名眼科专家张劲松教授执刀，与美国专家拉瑞博士同台，成功地为一位白内障患者完成了我国首例白内障水乳化手术。

3.2.3 骨科领域

Honl等报告了医用水刀对临床脊柱外科的研究结果以及实验研究结果[10]。

3.2.4 耳鼻喉科领域

Kikawada等报告了用内窥镜结合水刀进行上颌窦手术可以保留骨膜[11]。

3.2.5 泌尿外科领域

Penchev等在1999年首次在临床上应用水刀进行肾部分切除术来治疗肾鹿角形结石和肾错构瘤，肾实质可以被喷射水流有效的切开，而肾实质断面的血管和集合系统则被保留下来，手术过程中出血仅有百余毫升[12]。其后，Basting及其同事也使用水刀对5例肾细胞癌患者进行了肾部分切除，对2例结石患者分别进行肾下极切除和肾实质切开取石，均取得了良好的效果[13]。

3.2.6 颌面外科领域

Magritz等对19只小猎犬进行的水刀双侧腮腺切除保留面神经的外科研究结果表明，在术后进行的平均20.3 d的监测中，都能保持面神经功能[14]。国内中山大学肿瘤防治中心使用螺旋水刀完成了30例腮腺手术，效果非常好[15]。

4 医用水刀的实现

现代专业水刀一般由带有脚踏开关的基座、高压导管和操作手柄组成。基座包括高压泵、抽吸泵和一次性使用的无菌生理盐水罐。高压泵可产生高压，将无菌生理盐水泵出，经过一软性高压导管到达操作手柄，然后通过手柄上细小的喷嘴喷出。在进行手术时，医生通过控制手柄的来回运动就可以实现对病变组织的切割。为了确保手术的安全，必须根据需要设定水压的上限值，以免对患者造成意外的损伤。

医用水刀所需的压力一般在20 MPa以下，所以一个水泵工作就可以满足手术时水压的需求。为了更好地实现压力的无级调速，最好选用变频电动机，这样能更好地结合变频器实现压力调节。在变频调速恒压供水系统的基础上添加高压软管、喷嘴、工作手柄及负压吸引部分就可以做成一个功能完善的医用水刀。高压软管的设计包括材料的选择及尺寸 （内外径、壁厚等）的确定，还要考虑水的动力学因素对软管的影响。喷嘴是医用水刀的最为重要的部件之一，它把液压泵所提供的静压转换为水射流的动力，而且让水射流具有良好的流动特性和动力特性；同时，喷嘴又是水射流切割与破碎的执行元件，因此优化喷嘴的几何形状，建立喷嘴结构与动力性能之间的关系，对于医用水刀具有重要的意义。在设计中，喷嘴应具有较小的压力头损失，喷出的水束受卷吸作用小，并保持射流的稳定，以利于对组织的切割，而且应尽量做到质量轻和体积小，这样才能保持在手中方便灵活。一般要多设计几种尺寸和形状不同的喷嘴，这样就可以根据手术的不同选择喷嘴的类型，一个设计较好的喷嘴可以更好地满足手术需求。负压吸引部分的作用是将手术过程中产生的废水与微小颗粒吸出手术区域，以保持手术视野的清晰，有利于进行精确的切割。负压吸引的实现就是在手柄上添加1个吸引头，并另外添加1个废液桶，这样就可以满足手术要求了。

由此可见，在变频调速恒压供水系统的基础上开发出医用水刀所要添加的部件并不多，也可以说变频调速恒压供水系统是医用水刀的绝对核心部分，供水系统的好坏直接决定了医用水刀的性能。另外，可以将内窥镜与医用水刀结合起来，这样就可以以最小的创伤对复杂的伤病进行有效的治疗，实现微创，使患者出血少、痛苦小、并发症少、恢复快。医用水刀独有的特性使其在外科手术领域具有广阔的前景，相信在不久的将来，水刀将会在国内逐步得到推广应用。

5 结束语

这种基于变频调速恒压供水技术的医用水刀已经开发成功，目前正在进一步的调试和完善中。从实际运行的效果来看，水泵电动机启动平稳，系统动态性能良好，水压稳定性也非常好，抗干扰能力强，可以满足医用水刀的工作要求。在国内，工业水刀研究及应用十分广泛，而医用水刀装置的研究几乎还是空白。但是，水刀技术已经为我国医学界所重视，并且也开始进入了临床应用阶段。水刀特有的组织选择性和无热损伤性能可减少手术创伤，体现了微创外科的发展方向，具有广阔的应用前景。随着人们对水射流切割人体组织机理的研究，计算机技术、机电控制技术及无线内窥镜技术的不断融合与应用，水刀技术也必将在医学领域发挥更为重要的作用。

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（收稿：2010-03-22 修回：2010-04-29）

Application and Realization of Medical Water-jet

ZHENG Wei1,2,ZHANG Xi-zheng1
(1.Institute of Medical Equipment,Academy of Military Medical Sciences,Tianjin 300161,China;2.Biomedical Engineering Institute,Southern Medical University,Guangzhou 510515,China)

TP391.41

A

1003-8868（2011）02-0082-03

军事医学科学院创新基金重大项目（2008ZD009）

郑伟（1986-），男，河南商丘人，硕士，主要从事医疗电子仪器方面的研究工作。