电刀功率对肌肉组织损伤影响的有限元分析

茹磊磊 郑 靖 栗云龙 周仲荣

(西南交通大学材料先进技术教育部重点实验室 摩擦学研究所， 成都 610031)

电刀功率对肌肉组织损伤影响的有限元分析

茹磊磊 郑 靖*栗云龙 周仲荣

(西南交通大学材料先进技术教育部重点实验室 摩擦学研究所， 成都 610031)

高频电刀作为一种取代机械手术刀进行组织切割的电外科能量器械，已经在临床上广泛应用。基于Pennes热力学方程，采用ANSYS Workbench，建立离体肌肉组织在电切模式下的热力学损伤模型。在此基础上，研究不同电刀功率下肌肉组织的损伤情况，分析电刀功率对肌肉组织损伤的影响。结果表明，随着高频电刀功率增大，组织损伤区域和损伤程度呈现非线性变化；随着电刀功率从20 W逐渐增大到60 W，组织损伤区域仅发生局部变化，无显著性增大，组织最高温度从214 .4℃逐渐升高到301.7℃；当功率从60 W增大到70 W时，组织损伤区域显著增大，组织最高温度从301.7℃迅速升高到436.6℃，损伤显著加剧。此外，在相同功率下，组织损伤程度随着组织与电极中心的距离减小而增大，其中沿着和垂直于切割方向的组织温度分别在距离电极中心±1.8 mm和±1.2 mm处急剧升高。研究结果有助于揭示电切模式下电刀功率与组织损伤之间的关系，为医生在临床手术时的操作规范提供重要理论依据。

高频电刀；电极；组织损伤；电刀功率；有限元分析

引言

高频电刀是一种取代机械手术刀进行组织切割的电外科能量器械，通过有效电极尖端产生的高频(200 kHz～3 MHz)高压电流与肌体接触时对组织进行加热，实现对组织的分离和凝固，从而起到切割和止血的目的[1-2]。自1927年哈佛大学William Bovie博士发明第一台高频电刀，并由Harvey Cushing博士第一次将其应用于临床手术以来，该技术已有近百年的历史[3]。与传统手术刀相比，高频电刀具有切割速度快、止血效果好、操作简单、安全方便等诸多优点，在临床上采用高频电刀可以大大缩短手术时间，减少患者失血及输血量，从而降低并发症及手术费用，并能在手术过程中对创口进行杀菌，极大地提高手术效率和手术成功系数，因此，高频电刀在临床上得到广泛应用[4]。由于高频电刀依靠电流通过组织时产生的热量进行切割和凝血，当组织温度超过组织坏死的临界温度时，组织就会产生非正常损伤。前期研究结果显示，在相同的切割模式下，电刀功率、切割时间、冷却循环等会影响组织的损伤程度和范围，其中，电刀功率的影响最为显著[5-6]。磨宾宇等采用高频电刀电切模式对90例患儿进行不同功率下的扁桃体切除手术，通过对扁桃体创面进行显微镜观察，考察了电刀功率在15～40 W范围内变化时扁桃体热损伤深度的变化情况[7]。陈春梅等通过在临床手术中小幅度调整高频电刀功率(15±1)W，研究了新生儿经腹手术中高频电刀的适宜输出功率[8]。总的来说，目前关于高频电刀功率与组织损伤之间的关系研究主要采用临床病例观察或者活体实验，个体差异、手术操作因素(手术时间、手术操作经验等)等均会对研究结果造成显著影响。此外，为了保证患者手术安全，临床试验过程中，电刀功率的选择范围通常也比较小。和临床观察相比，采用有限元分析研究高频电刀引发的组织损伤可以很好的克服个体差异带来的试验误差，而且能够缩短研究周期和降低研究成本。因此，很有必要采用有限元方法系统研究电刀功率与组织损伤之间的关系，研究结果可以帮助医生在手术过程中选择最佳的电刀功率，从而减小组织损伤的区域和程度，提高手术成功率并降低手术风险，同时，还有助于缩短病人恢复周期，降低病人开支[9]。

笔者采用有限元分析方法，建立了离体猪肌肉组织在电切模式下的热力学损伤模型，在此基础上，研究了不同电刀功率下沿着和垂直于切割方向肌肉组织的损伤情况，分析了电刀功率对肌肉组织损伤的影响，为医生在临床手术时的操作规范提供参考数据。

1 方法

1.1 有限元仿真

1.1.1 三维有限元模型的建立

本研究采用Ansys公司研制的大型有限元分析软件ANSYS Workbench 14.5版进行瞬态热分析仿真。电切模式下电极切割肌肉组织的简化模型如图1所示，模型主要由肌肉组织和电极两个部分组成。为了方便建立模型，对肌肉组织进行了简化，将其定义为40 mm×60 mm×20 mm的长方体。电极部分按照手术时常用的刀型单级电极建立，电极插入组织5 mm且位于肌肉组织宽度方向的中心处。在建立实体模型的基础上，利用有限元前处理模块构建节点和单元，从而生成有限元模型。模型采用映射面网格划分，在电极和肌肉组织接触部分细化网格，整个模型共有63 401个节点，37 770个单元。

图1 电切模式下电极切割肌肉组织的简化模型Fig.1 Simplified model that electrode cuts muscular tissues in cut mode

对瞬态热力学分析而言，材料的密度、比热容和导热系数是必不可少的3个热力学参数。由于生物组织是非线性组织，而且其热力学参数会随着温度变化，所以其参数很难通过试验测得。因此，国内外相关研究对于生物组织的热力学参数通常采用如下经验公式进行计算：

kρ=1-4.98×10-4(T-20)

ρ(T)=1 000(1.3-0.3kρ·w)

kc=1+1.0.16×10-4(T-20)

c(T)=4 190(0.37+0.63kc·w)

kk=1+1.78×10-3(T-20)

k(T)=0.419(0.133+1.36kk·w)

(1)

式中，w是组织的含水量，T是组织的温度，kρ、kc、kk分别是密度、比热容和热导率的温度系数[10-12]。

本研究采用上述方法，对肌肉组织的热力学参数进行赋值，其中w取0.7。电极材料为常用的医用304不锈钢，其成分主要为Fe、18% Gr、8% Ni以及其他一些合金元素，其热力学参数直接从ANSYS Workbench材料库中调取。

图2 组织损伤区域实验测试结果。(a)沿着切割方向；(b)垂直于切割方向Fig.2 Experimental test results of tissue lesion. (a) Along the cutting direction; (b) Perpendicular to the cutting direction

1.1.2 热力学方程

目前大多数能量器械仿真都采用Pennes热力学方程[13-15]。该方程于1948年由Pennes等提出，第一次将生物材料与一般的工程材料传热问题区分开来，为计算生物体温度分布和进行传热分析奠定了基础。Pennes方程的形式如下：

(2)

式中：Qb为血液灌注率项，由于本研究采用猪离体肌肉组织，而且是电切模式，不存在血液对热量传导的影响，故在此处可以忽略不计；Qm为代谢项，反映了局部代谢引起的化学能向热能的转变，同样由于实验对象为离体组织，故该项也可忽略不计；ρ、c、k为生物组织的密度、比热容和导热系数。

1.1.3 边界约束与加载

高频电刀在电切模式下进行手术时包含电阻发热、热传导和热对流等3个物理过程，整个过程中的热源是由电阻发热产生，并且包含5个传热过程：

1)肌肉组织内部热传导；

2)电极内部热传导；

3)电极与肌肉组织接触处的热传导；

4)电极与组织未接触部分的热对流；

5)电极与组织接触部分的热对流。

热源部分在ANSYS Workbench热分析模块中可以等效为内部热生成载荷，该载荷是指在单位体积内所生成的热量。通过测量流过电极与组织接触部位的电压和电流，以及电极与组织接触部分的实际体积，得到施加在该部位的载荷值。施加在该模型的边界载荷和约束如下：高频电刀工作模式为电切，功率设定为20～80W ，电刀与组织未接触部分的热对流系数为5.0(W/(m2·℃))，电刀与组织接触部分的热对流系数为400(W/(m2·℃))，加载时间为10 s，外界温度为22℃，电刀切入组织深度为5 mm，电刀切割长度为5 mm，电极宽度为2.26 mm。

1.2 体外模拟试验

1.2.1 样品制备及处理

试验选用材料均来自同一屠宰场中雄性健康成年饲料猪。收集过程中选择屠宰时间在2 h内且未经冷冻处理的离体猪肌肉组织，为了消除组织各部分成分的差异，试验所采用的组织均为猪背部肌肉组织，以便于后续试验的研究和对比。由于肌肉具有很大的收缩性和弹性，因此制作猪离体肌肉组织样品时应先将其置于松弛状态下，待其在自由状态下放置5 min之后以消除其因外力所产生的变形，再对样品进行切割制备，将其切割成约40 mm×60 mm×20 mm的长方体。

1.2.2 试验数据测量及处理

2 结果

2.1 模型的有效性验证

从国内外的研究和临床应用中可以看出，组织发生损伤与加热的时间和温度有关[16]，如图3所示。当组织损伤达到临界点时将造成局部不可逆损伤-凝固性坏死[17]。由于本研究的加载时间为10 s，由图3可以发现，本研究中的组织损伤临界温度为55～60℃，高于该温度的区域即为组织损伤区域。

图4示出了在给定的加载条件下，沿着和垂直于电刀切割方向的组织损伤示意图，组织温度随着组织与电极中心的距离变化的关系曲线如图5所示，其中，温度高于55～60℃的区域为组织损伤区域。图5中虚线表示组织在临界损伤温度时所对应的组织损伤区域，从图中可以看出在沿着和垂直于切割方向上，组织损伤区域分别为±1.6 mm和±1.0 mm。体外模拟试验显示，猪离体肌肉组织在沿着和垂直于切割方向的实际损伤区域分别为±1.63 mm和±1.14 mm。可见，仿真结果和实验结果基本一致，这表明本研究建立的有限元模型基本能够反映物理实验的真实性，可以进行后续组织损伤规律的相关研究。

图3 组织损伤曲线图[13]Fig.3 Graph of tissue lesion

图4 组织损伤示意图。(a)平行于切割方向；(b)垂直于切割方向Fig.4 Sketch of tissue lesions. (a) Along the cutting direction; (b) Perpendicular to the cutting direction

图5 组织温度随着组织到电极中心距离变化的关系曲线(虚线表示组织在临界损伤温度时所对应的组织损伤区域)。(a)沿着切割方向；(b)垂直于切割方向Fig.5 Plot of tissue temperature changes with the gap of tissue away from the center of electrode (Dot lines indicate the damage area corresponding to critical damage temperature). (a) Along the cutting direction; (b) Perpendicular to the cutting direction

2.2 不同电刀功率下组织的损伤区域与损伤程度

图6给出了不同功率下沿着切割方向的组织温度分布剖面图和组织温度与电极中心距离的关系曲线，其中，图6(a)中的浅蓝色曲线(见电子版彩色图)为55～60℃轮廓线，包围的区域即为不可恢复的组织损伤区域。由图6(a)可以看出，在不同的电刀功率下，肌肉组织的温度均随着组织与电极中心的距离减小而增大，肌肉组织上的最高温度均出现在电极与组织接触的中心部位。随着高频电刀功率增大，组织损伤区域和损伤程度呈现非线性变化；随着电刀功率从20 W逐渐增大到60 W，组织损伤区域仅发生局部变化，无显著性增大，组织最高温度从214.4℃逐渐升高到301.7℃；当电刀功率从60 W增大到70 W时，组织损伤区域显著增大，组织最高温度从301.7℃迅速升高到436.6℃，损伤程度显著加剧。由图6(b)可见，沿着切割方向肌肉组织的温度在距离电极中心±1.8 mm处急剧升高。需要指出的是，图6(b)中的温度曲线沿垂直轴线并不完全对称，这是由于构建的模型要定义电极与肌肉组织的接触，而接触为非线性分析从而导致曲线不完全对称。

图6 不同功率下沿电极切割方向组织的温度分布。(a)组织的温度分布云图；(b)组织温度与电极中心距离的关系曲线Fig.6 Temperature distribution of tissues which along with the cutting direction at different powers. (a)Temperature contours of tissues; (b) Graph of gap between the tissue and electrode center

图7给出了不同功率下垂直于切割方向的组织温度分布剖面图和组织温度与电极中心距离的关系曲线。对比图6、7可以看出，不同功率下垂直于切割方向的组织损伤区域与温度分布曲线均呈现出类似于沿着切割方向的规律。需要指出的是，在相同功率下，垂直于切割方向的组织温度在距离电极中心±1.2 mm处急剧升高。

图 7 不同功率下组织垂直于电极切割方向的温度分布。(a)组织的温度分布云图；(b)组织温度与电极中心距离的关系曲线Fig.7 Temperature distribution of tissues which perpendicular to the cutting direction at different powers. (a) Temperature contours of tissues; (b) Graph of gap between the tissue and electrode center

图8给出了不同功率下沿切割方向和垂直于切割方向肌肉组织损伤深度的试验测试值和计算值。通过对比可以看出，不同功率下组织损伤深度的试验值与计算值基本一致。试验值和计算值均表明，随着电刀功率从20W增大到60 W，组织损伤区域仅发生局部变化，无显著性增大，当功率从60 W增大到70 W时，组织损伤区域显著增大，损伤显著加剧。

图8 不同功率下组织损伤深度的实验值和计算值。(a)沿着切割方向；(b)垂直于切割方向Fig.8 Comparison of experimental and calculated values of tissue lesion depth at different powers. (a) Along the cutting direction; (b) Perpendicular to the cutting direction

图9给出不同功率下组织最高温度所对应的导热系数。可以看出，当电刀功率从20 W增加到60 W时，组织的导热系数呈线性变化；当电刀功率增大到60 W以上时，组织的导热系数急剧增加。

图9 组织的导热系数随高频电刀功率变化的关系曲线Fig.9 The plot of relationship between heat conductivity coefficient of tissues and power setting of electrosurgical unit

3 讨论

在临床手术过程中医生使用高频电刀切割组织时，热源是在电极与组织接触处产生的。从图6、7可以看出，在电切模式下切割组织，组织的损伤程度和损伤区域与电刀功率密切相关，随着电刀功率增大，不仅组织的损伤区域逐渐增大，而且组织的温度也逐渐升高，这就意味着组织的损伤程度可能加剧。需要指出的是，虽然组织的损伤区域和损伤程度均随电刀功率增大而增大，但是二者均呈现非线性变化。当电刀功率低于60 W时，随着电刀功率逐渐增大，组织损伤区域仅发生局部变化，无显著性增大，组织最高温度从214 .4℃逐渐升高到301.7℃；当电刀功率高于60 W时，组织最高温度随着电刀功率增大显著升高，组织损伤区域也明显增大，显然，组织的损伤程度显著加剧。

通常，导热系数是物质导热能力的量度。在电切模式下采用电刀切割离体猪肌肉组织时，组织的导热系数越高，从电极表面向周围组织传递的热量就越多，组织的损伤区域就越大，损伤程度也越严重。图9给出不同功率下组织最高温度所对应的导热系数。可以看出，随着高频电刀功率增大，组织的导热系数不断增加，这表明组织的损伤区域和损伤程度不断增大；当电刀功率低于60 W时，组织的导热系数随着电刀功率增大缓慢增大，因此，组织的损伤区域仅发生局部变化，无显著性增大，损伤程度缓慢增加；当电刀功率高于60 W时，随着电刀功率增大，组织的导热系数显著增大，从而导致组织的损伤区域显著扩大，损伤程度明显加剧。可见，医生在使用电切模式进行手术时，在满足手术要求的前提下电刀功率应尽量选择20～60 W。此功率范围内对手术部位造成的损伤区域较小，损伤程度较轻，有利于减少病人的术后康复周期。

另外，图6(b)和图7(b)显示，在相同功率下，沿着和垂直于切割方向的组织温度分别在距离电极中心±1.8和±1.2 mm处急剧升高。这说明在靠近切割部位存在一个特定区域，切割所产生的热量无法有效传导出去，从而导致组织温度显著升高，该特定区域的存在会对组织损伤产生显著影响。目前，带喷水装置的高频电刀已经应用在临床上，它是借助循环冷却水来降低电极附近的组织温度，减轻组织热损伤。根据本论文的研究结果，在设计高频电刀时，应该将循环冷却水喷射到组织温度急剧升高的区域内，这样可以有效地通过冷却水蒸发带走电极切割组织时产生的热量，从而减轻接触部位的组织损伤。

本研究采用离体猪肌肉组织作为研究对象，在计算过程中忽略了血液灌注率和代谢项对组织损伤的影响。此外，由于国内外文献关于肌肉组织焓值的报道较少，多是给出一个较大的取值范围，因此，本研究的传热模型(见式(2))没有对相变项予以考虑。高频电刀在手术过程中产生的高温必然导致组织中的水分汽化，从而产生相变，为了补偿相变对计算结果的影响，本研究在建立肌肉组织热力学损伤模型的过程中，通过调整有限元模型的对流系数，使计算结果与试验结果趋于一致，这在一定程度上补偿了相变对计算结果的影响。下一步研究将针对相变问题对计算模型进行进一步改进和完善，并考虑血液灌注率和代谢项对组织损伤的影响，分析活体组织的损伤规律。

4 结论

本研究采用有限元分析法，建立了电切模式下使用高频电刀电极切割离体猪肌肉组织时组织的热力学模型，在此基础上，考察了不同的电刀功率下组织的温度分布，分析了电刀功率对肌肉组织损伤的影响规律。为了验证模型的有效性，将电刀在40 W功率下的有限元分析结果和实验结果进行了比较，发现仿真结果和实验结果基本一致，这说明该有限元模型基本能够反映物理实验的真实性，可以进行后续组织损伤规律的相关研究。有限元仿真计算结果表明，随着高频电刀功率增大，组织损伤区域和损伤程度呈现非线性变化；随着电刀功率从20 W逐渐增大到60 W，组织的损伤区域仅发生局部变化，无显著性增大，组织最高温度从214.4℃逐渐升高到301.7℃；当电刀功率从60 W增大到70 W时，组织损伤区域显著增大，组织最高温度从301.7℃迅速升高到436.6℃，损伤显著加剧。在相同功率下，组织在沿着电刀切割方向和垂直于切割方向两个方向上的损伤程度均随着组织与电极中心的距离减小而增大，其中，沿着和垂直于切割方向的组织温度分别在距离电极中心±1.8和±1.2 mm处急剧增大。研究结果有助于揭示电切模式下电刀功率与组织损伤之间的关系，为医生在临床手术时的操作规范提供重要理论依据。

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Finite Element Analysis on Effect of Power of Electrosurgical Unit on Lesions of Muscular Tissue

Ru Leilei Zheng Jing*Li Yunlong Zhou Zhongrong

(TribologyResearchInstitute,KeyLaboratoryofAdvancedTechnologiesofMaterials,MinistryofEducation,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)

As an electrosurgery energy device, electrosurgical unit has been widely used in clinical practice to cut tissues. In this paper, based on Pennes thermodynamic equation, a thermodynamics lesion model ofinvitroporcine muscle tissue in cut mode was first established using ANSYS Workbench. And then the lesions of muscular tissue at different powers of electrosurgical unit were analyzed, aiming to reveal the effect of electrosurgical unit power on tissue lesions. Results showed that with the power of electrosurgical unit increasing, the area and extent of tissue lesion changed nonlinearly. As the power was gradually increased from 20 W to 60 W, only local variation instead of significant increase occurred to lesion area. And the highest temperature in tissues increased from 214 .4℃ to 301.7℃. As the power was increased from 60 W to 70 W, the lesion area increased significantly, and the highest temperature in tissues increased rapidly from 301.7℃ to 436.6℃. Obviously, the extent of tissue lesion aggravated remarkably. In addition, with the gap between the tissue and electrode decreasing, the extent of tissue lesion was aggravated. The temperature in tissues increased sharply about ±1.8 mm away from the center of electrode along the cutting direction, while the temperature increased sharply about ±1.2 mm away from the center of electrode perpendicular to the cutting direction. The results would help to reveal the relationship between the power of electrosurgical unit and tissue lesions in cut mode, and then provide valuable insights into the clinical application of electrosurgical unit.

electrosurgical unit; electrode; tissue lesion; power; finite element analysis

10.3969/j.issn.0258-8021. 2016. 02.007

2015-03-06， 录用日期:2015-12-18

国家自然科学基金(51290291)

R318

A

0258-8021(2016) 02-0169-08

*通信作者(Corresponding author)， E-mail: zhengj168@163.com