超聲手術(shù)刀在臨床上的應(yīng)用

賀洋洋

甘肅醫(yī)學(xué)院 (甘肅平?jīng)?744000)

近年來，超聲在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，按用途可分為超聲治療和超聲診斷設(shè)備。超聲外科手術(shù)設(shè)備是超聲治療設(shè)備的重要形式，超聲手術(shù)刀作為外科手術(shù)設(shè)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(shù)后恢復(fù)快等特點(diǎn)，已成為國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1]。本研究介紹超聲手術(shù)刀的工作原理、分類、結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)敘述了臨床應(yīng)用及新型超聲手術(shù)刀的發(fā)展前景。

1 超聲手術(shù)刀的工作原理

超聲手術(shù)刀是根據(jù)超聲波產(chǎn)生的強(qiáng)大瞬時(shí)沖擊加速度、微聲流及聲空化的共同作用分離組織。(1)瞬時(shí)沖擊加速度。當(dāng)質(zhì)點(diǎn)加速度為G的機(jī)械振動(dòng)作用于生物組織時(shí)，可迅速切開該組織，而不傷及周圍組織。超聲切割式手術(shù)刀利用超聲的高頻機(jī)械振動(dòng)效應(yīng)，進(jìn)行與傳統(tǒng)外科手術(shù)相似的超聲治療[2]。(2)微聲流作用。超聲振動(dòng)使組織變成均漿，刀頭切割升溫時(shí)會(huì)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(dòng)，當(dāng)聲壓達(dá)到一定值時(shí)發(fā)生的生長(zhǎng)和崩潰的動(dòng)力學(xué)過程。超聲波作用于液體時(shí)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(qiáng)大的超聲作用下被激活或持續(xù)性地震蕩，或擴(kuò)大后崩潰，即發(fā)生空化過程。同時(shí)伴隨空化過程發(fā)生的是切向力，導(dǎo)致局部高溫高壓，沖擊波反射流，破壞組織，切割任務(wù)完成[3]。(4)超聲止血的機(jī)理為快速升溫的刀頭會(huì)促進(jìn)凝血反應(yīng)，止血作用明顯。

2 超聲手術(shù)刀的基本結(jié)構(gòu)

超聲手術(shù)刀主要由兩部分組成，即高頻功率源及超聲振動(dòng)系統(tǒng)[4]。超聲振動(dòng)系統(tǒng)又包含三個(gè)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(zhuǎn)化成超聲振動(dòng)動(dòng)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(jī)械振動(dòng)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(fù)壓吸出體外。

壓電陶瓷換能器是目前應(yīng)用廣泛的換能器，優(yōu)點(diǎn)包括：(1)機(jī)電轉(zhuǎn)化效率高，高達(dá)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(jià)低廉，性能較穩(wěn)定，易于大規(guī)模推廣應(yīng)用。壓電陶瓷材料的缺點(diǎn)是脆性大，抗張強(qiáng)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(lǐng)域被繼續(xù)應(yīng)用。磁致伸縮換能器的優(yōu)點(diǎn)主要有功率大、性能穩(wěn)定、容量大、機(jī)械強(qiáng)度好等，缺點(diǎn)是激發(fā)電路復(fù)雜、能量轉(zhuǎn)化效率低、機(jī)械加工較困難等。

圖1 超聲手術(shù)刀振動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 超聲手術(shù)刀的分類及臨床應(yīng)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(dòng)，使與其接觸的組織細(xì)胞內(nèi)的水分汽化，蛋白質(zhì)氫鏈斷裂，細(xì)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(jī)械振動(dòng)破壞膠原蛋白結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致蛋白凝固，進(jìn)而實(shí)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(yù)緊螺釘固定，將電源的電能轉(zhuǎn)換成機(jī)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(jī)械振動(dòng)的位移或速度，其外形有復(fù)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(shù)學(xué)模型重建，定性分析了一種超聲切割刀的結(jié)構(gòu)因素對(duì)其縱振動(dòng)的影響，并優(yōu)化其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，得到的結(jié)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(hào)的激勵(lì)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(shù)中的應(yīng)用價(jià)值，結(jié)論是超聲刀具有創(chuàng)傷小、操作簡(jiǎn)單、術(shù)后康復(fù)快、術(shù)中出血量少等優(yōu)點(diǎn)，值得臨床推廣。

3.2 高強(qiáng)度聚焦超聲刀

超聲聚焦刀是20世紀(jì)90年代以后在臨床上逐步開始應(yīng)用，稱之為HIFU (海扶刀)，又稱之為“21世紀(jì)腫瘤治療新技術(shù)”。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(shù)的研究和應(yīng)用。超聲聚焦刀在人體內(nèi)聚焦，導(dǎo)致焦域區(qū)高聲強(qiáng)，機(jī)械能轉(zhuǎn)化成熱能，使此處溫度迅速升高，達(dá)到65℃以上，殺死聚焦區(qū)域組織的腫瘤細(xì)胞。這主要是利用了超聲波的熱效應(yīng)和空化效應(yīng)。

李長(zhǎng)玲[8]探討了HIFU在彌漫性子宮肌瘤病(DUL)患者治療中的應(yīng)用效果,結(jié)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(yīng)用,結(jié)論是此方法在膀胱癌患者治療中具有操作簡(jiǎn)單、安全有效、并發(fā)癥少等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于年老體弱、已失去根治性膀胱切除術(shù)時(shí)機(jī)的晚期膀胱癌患者，它是有效治療膀胱癌的一個(gè)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(shù)治療恢復(fù)期長(zhǎng)、切口大，且等到晶狀體成熟后才能手術(shù)，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(duì)人體組織的空化效應(yīng)和碎裂效應(yīng)，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(fù)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(jì)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(gè)超聲乳化刀頭。1970年超聲白內(nèi)障乳化儀在市場(chǎng)上銷售。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(shù)。

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(shí)越容易形成“堵塞”，產(chǎn)生負(fù)壓，因此，要求傾角越小越好；而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shù)時(shí)，通過管道向手術(shù)切口噴注液體，使刀頭振動(dòng)剝落并乳化組織微粒，在負(fù)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(shù)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(jìn)行切除，平均操作時(shí)間為28.5 min，平均出血量約195.6 ml；術(shù)后均未出現(xiàn)與超聲吸引手術(shù)直接相關(guān)的并發(fā)癥。因此，運(yùn)用超聲吸引器輔助顯微手術(shù)切除腦膜瘤，手術(shù)出血少，腦組織損傷小，能提高切除率，縮短手術(shù)時(shí)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(jié)

超聲手術(shù)刀以其創(chuàng)傷小、精確度高等特點(diǎn)已經(jīng)成為21世紀(jì)外科手術(shù)首選的醫(yī)療器械設(shè)備，目前國內(nèi)外本領(lǐng)域研究中存在的主要問題是：(1)電聲轉(zhuǎn)化效率低；(2)超聲手術(shù)機(jī)制研究少。因此，對(duì)新型超聲手術(shù)刀的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究工作迫在眉睫。例如，三角形刀頭縱振動(dòng)的超聲手術(shù)刀振動(dòng)機(jī)制的研究，球形和鉤形刀頭縱-彎振動(dòng)的超聲手術(shù)刀的設(shè)計(jì)和研究等。

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