超声手术刀的工作机理及力负载特性

曹广凯，姜兴刚，毕培信，秦　威，张德远

（北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京100191）



超声手术刀的工作机理及力负载特性

曹广凯，姜兴刚，毕培信，秦威，张德远

（北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京100191）

摘要：超声手术刀作为一种新型的载能刀具在医学临床应用上取得了广泛应用，但因其超声刀的工作对象是复杂的生物组织，人们对于超声刀的工作机理尚不是很明确，对其负载特性的研究也有限。基于此，从超声手术刀的工作机理和力负载特性两方面进行了研究，发现空化效应在超声刀切割组织时具有重要作用；同时研究了负载力对超声刀工作状态的影响，表明在有载情况下，负载力对超声刀的工作频率影响不大，但随着负载力增大，阻抗圆半径和最大导纳均逐渐变小并趋于恒定，即表现为超声刀的振动效果逐渐受到抑制并趋于稳定。

关键词：超声手术刀；工作机理；空化效应；力负载特性

近年来，高能低频超声（20～60 kHz）在医学上取得了广泛的临床应用，超声手术刀就是其中最常见的一种，主要用于生物组织的切割与血管闭合等操作[1-2]。根据用途不同，超声手术刀可分为超声切割止血刀、超声吸引器、超声骨刀等，一般所说超声刀是指超声切割止血刀。自1967年Kelman将超声应用于白内障手术以来，超声手术刀已历经50年的发展，如今已广泛应用于各类病变组织的切除与血管闭合等手术中，尤其是腹腔镜手术。相较于普通手术刀和其他能量手术设备，超声手术刀具备多种优点[1-3]：手术精度高、操作简便、手术创伤区域小、无烟雾、出血量少、手术时间短、术后恢复速度快。与电刀和气体激光手术刀等能量手术器械相比，超声手术刀工作时的刀头温度一般低于80℃，这大大低于其他能量手术器械的工作面温度，能极大地减少手术中对切口周边组织所造成的热损伤范围和程度。此外，由于超声刀工作时不产生电火花，因此不会对神经组织产生电信号干扰，特别是在进行肌肉切割时，超声刀不会导致肌肉异常痉挛。由于超声刀刀头工作时的侧向组织损伤深度一般小于1 mm，因此对刀头作用区域附近组织的连带损伤面积较小，且普遍预后良好。

鉴于超声手术刀良好的临床应用效果，国内外学者对其做了相关研究。超声切割止血刀的发明者Amaral[3]通过更换不同刀头作了切割软组织的对比实验，发现分离钩式的刀头具有最佳的切割和止血的综合效果，并初步阐释了切割止血的机理。Khambay[4-5]针对超声骨凿的切骨过程进行研究，阐述了切骨过程中切割速度、切割力和进给深度等参数对切割效果的影响，但没有针对工作参数变化导致的负载变化及其对换能器工作特性的影响展开研究。Bond和Cimino[7]对超声吸引器的破碎原理进行了实验分析，以每秒组织破碎质量作为衡量指标，研究了组织类型、冲击振幅、吸力、工作频率、刀头面积这五方面对超声吸引器工作性能的影响，发现组织强度似乎是影响破碎效果最大的因素，并认为机械冲击是组织破碎的主要机理；实验过程中没有观察到空化现象，未对微观破碎机理进行阐述。陈颖等[8-9]研究了不同组织（动物骨组织和各类软组织）负载对超声刀换能器的工作频率、输入导纳、反射系数等工作特性的影响，并建立了相应数学模型，实验结果发现软组织会降低工作频率，而硬组织（骨组织）会提高工作频率。

目前，尽管国内外学者对超声刀做了诸多研究，但多限于临床应用观察，切割止血的机理尤其是微观机理仍不明确，对超声刀负载特性进行的相关研究也较有限；而为了提高超声刀的工作效率，减少组织损伤，以使最终达到监测和控制超声能量的目的，对于超声刀负载特性的研究都是很有必要和有意义的。基于此，本文一方面使用高速摄像机结合显微镜对切割过程进行了微观观察，对超声刀的工作机理进行了进一步的探究，另一方面通过实验研究了不同负载力下超声刀的工作特性。

1　超声手术刀的工作机理

同其他功率超声设备类似，超声刀工作时换能器在超声电源的驱动下产生高频机械振动，由高频交流电能转换为机械能，再经变幅杆的振幅放大，超声能量传递到刀头部分，进而通过接触作用于生物组织以实现组织切除和血管止血等。但不同于超声在工业上的作用对象金属、复合材料等，超声手术刀的作用对象是生物组织，因此其作用机理与工业上超声加工大不相同。一般认为超声手术刀作用机理包含机械冲击、空化效应和热效应3个方面。

1.1切割机理

目前超声刀的主要切割机理一般认为是机械冲击和空化效应，且机械冲击被认为是组织破碎的主要机理[6]，尤其对于高蛋白含量组织和胶原成分组织，如肌肉、蛋白质、纤维性结缔组织等。具体表现为机械冲击使蛋白质氢键断裂，同时由于热量产生，温度上升，导致生物组织发生局部液化，呈匀浆化，最终使组织撕裂。有研究表明，不同的生物组织具有不同的切割阈值，超过切割阈值，生物组织就会遭到破坏瓦解，如软组织的切割阈值一般认为为5×104g。对于频率为55.5 kHz的Harmonic scalpel超声刀，计算表明其冲击加速度远超其切割阈值。

超声振动所产生的空化效应被认为提供辅助切割作用，主要用于切割脂肪和软组织。空化是一种存在于液体之中的常见物理现象，一般在液体或固-液交界面处总存在着微小的空泡或气泡，统称为空化核。空化核处于非稳定状态，由于超声波声场物理作用，致使液体内形成局部的暂时性负压区，从而产生空泡尺寸扩张或压缩。这一系列的变化包括空泡初生、发育生长和迅速闭合甚至崩溃的过程。当空泡溃灭时，会产生微声流和局部高温高压，进而产生强大的破坏力，破坏组织结构。

1.2止血机理

超声手术刀的一大特色就是切割与止血同时进行，这是超声对蛋白质和细胞的作用以及超声的热效应所产生的综合效果。一般认为超声振动、空化效应导致的气泡扰动和温升可大大促进血小板的凝血作用，在超声刀工作时，高频振荡的刀头接触组织液或血液，产生强烈的空化效应，大量空化泡爆裂的热效应使其附近的蛋白质破碎凝固并堵塞于血管断口处实现紧急止血；同时，手术刀切割时不论是振动摩擦还是空化效应，都会导致作用机体出现一定程度的温升，可提高该区域附近血液中凝血酶的活性，从而加速凝血反应过程。

1.3切割过程的微观观察

为了进一步探究超声刀的工作机理，采用高速摄影与显微观察相结合的方法对超声刀头切割过程进行观察分析。由于高速摄像画面为黑白画面，为提高对比度及画面清晰度，选择新鲜鸡胸大肌组织作为实验材料。鸡胸肌中水的质量分数73 %以上，蛋白质的质量分数25 %，脂肪、灰质等其他成分的质量分数不足3 %，且组织强度及韧性较好，在超声作用下不易出现大面积碎裂，是理想的超声手术刀测试实验材料。实验过程中，在刀头与组织接触部分明确观察到了空化现象，且在水中做了对比试验，均能清楚地观察到空化泡的存在（图1）。同时发现组织切割难易程度与组织含水量密切相关，在切割脱水鸡肉、猪肉和猪皮等组织时，明显阻力较大、较难切割，可认为空化效应在切割过程中起到了重要作用，空化效应是超声刀的一个重要工作机理[10]。

图1　超声刀振动时产生的空化泡

2　超声手术刀的力负载特性

由于超声刀的作用对象是生物组织，组织多为粘弹性体且成分复杂多变，即使同一类型的组织由于组织层次的不同，往往也会表现为不同的力学特性，可体现出超声刀遇到的阻力不同。同时，由于超声刀是能量持续输出的载能刀具，若刀面持续作用在生物组织上，会使组织变性凝结，若继续工作则会使组织烧伤结痂，这是应当避免的，而组织在变性凝结后也会表现出不同的力学特性。因此，对超声刀的力学负载特性进行研究是很有必要的，这也将为超声刀工作状态的实时监测和能量控制提供理论和实验依据。

2.1实验材料和方法

选取离体不超过4 h的新鲜鸡胸肉，并切成体积约为5 cm×3 cm×3 cm的样本，为了减小随机误差，选取了3组样本做了同样的实验。实验装置由阻抗分析仪、可上下移动的支架、超声手术刀（工作频率为55.5 kHz）、电子秤和组织样本构成，超声刀竖直放置并与可移动支架固连在一起，刀头端接触组织样本，另一端连接阻抗分析仪（图2）。

图2　实验装置

由于医生在操作超声刀时对组织所施加的力一般较小，所以实验过程中调节支架上下移动，使超声刀施加在组织样本上的力从0开始逐渐增加至2.2 N，同时阻抗分析仪采集对应力负载下的频率、电阻、电抗等数据。

2.2结果分析

对阻抗分析仪所采集的数据进行处理分析后，得到超声刀在不同力负载下的阻抗圆图、工作频率和负载力的关系图、最大导纳和负载力的关系图（图3）。可看出，随着负载力的增大，阻抗圆半径逐渐减小（图3a），并趋于稳定。由图3b可知，和空载时相比，超声刀在有负载时的工作频率变小，且随着负载力的增大，工作频率变化很小，几乎保持恒定。从图3c可看出，反映超声刀振幅的最大导纳随着负载力的增加逐渐减小，且趋于稳定。

图3　超声刀在不同负载力下的工作特性

总体来看，负载力对工作频率的影响很小，这可能是因为工作时施加在超声刀上的力与超声刀换能器在拧紧时被施加的预紧力相比较小，从而影响不大。而负载力在很大程度上影响了超声刀的振幅，抑制了超声刀的振动；但随着负载力的增大，抑制作用减弱，说明在超声刀工作时，施加的力越小越好。但由于超声刀工作是基于与生物组织的紧密接触，若施加的力减小，超声能量则不能很好地传递到生物组织上，从而减弱了超声刀的工作能力。因此，寻求到一个最佳的负载力，既能保证超声刀具有良好的振动效果，又能使超声能量很好地传递到生物组织上，这有待进一步研究。

3　总结

本文首先对超声手术刀的工作机理进行了研究，发现空化效应在超声刀工作时（尤其是在切割组织时）起到了重要的作用。同时，通过实验研究了负载力对超声刀工作状态的影响，初步建立了负载力和超声刀的工作状态之间的关系，向实时监测与控制超声能量的目的迈进了一步。由于超声刀的工作对象是生物组织，对生物组织的实时监测相当困难，因此可利用负载和超声刀工作状态间的关系，通过监测超声刀的工作状态来判断生物组织的状况，如组织是否变性、烧痂等，当然这需要对超声刀的负载特性进行更进一步的研究。为了实现超声手术刀的高效化和智能化，其工作机理尤其是机械效应、空化效应及热效应的多场耦合作用和负载特性都需进行更深入的研究。

参考文献：

[1]曹相国.超声手术刀在妇科腹腔镜手术的应用价值[J].医学检验，2013：94-95.

[2]林国庆，曲哲.超声手术刀工作原理及临床应用[J].仪器原理，2008，29（8）：108-109.

[3] AMARAL J F. The experimental development of an ultrasonically activated scalpel for laparoscopic use [J]. Surg Laparosc Endosc，1994，4（2）：92-99.

[4] KHAMBAY B S，WALMSLEY A D. Investigations into the use of an ultrasonic chisel to cut bone. Part 1: forces applied by clinicians [J]. Journal of Dentistry，2000，28 （1）：31-37.

[5] KHAMBAY B S，WALMSLEY A D. Investigations into the use of an ultrasonic chisel to cut bone. Part 2: cutting ability[M]. Journal of Dentistry，2000：28（1）：39-44.

[6] MCCARUS S D. Physiologic mechanism of the ultrasonically activated scalpel [J]. The Journal of the American Association of Gynecologic Laparoscopists，1996，3（4）：601-608.

[7] BOND L J，CIMINO W W. Physics of ultrasonic surgery using tissue fragmentation：Part II [J]. Ultrasound in Medicine and Biology，1996，22（1）：101 -117.

[8]章刚华，陈颖.超声骨科换能器的组织负载特性研究[J].压电与声光，2011，33（6）：923-926.

[9] CHEN Ying，ZHOU Zhaoying，ZHANG Ganghua. Effects of different tissue loads on high power ultrasonic surgery scalpel[J]. Ultrasound in Medicine and Biology，2006，32 （3）：415-420.

[10]毕培信，秦威，姜兴刚，等.超声手术刀空化频谱特性的实验研究[J].工业技术创新，2014，1（5）：531-536.

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

第一作者简介：曹广凯，男，1989年生，硕士研究生。

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51305018、51475031、5147 5029）

收稿日期：2015-10-30

中图分类号：TG663

文献标识码：A

文章编号：1009－279X（2016）01－0044-03