鄭 偉，張西正

醫(yī)用水刀的應(yīng)用與實現(xiàn)

鄭 偉，張西正

研究了醫(yī)用水刀的結(jié)構(gòu)、工作原理及其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，明確了其控制系統(tǒng)所需實現(xiàn)恒壓供水以及水壓的無級調(diào)速功能，應(yīng)用變頻調(diào)速恒壓供水技術(shù)可實現(xiàn)這一功能，增加了一些其他功能部件，開發(fā)出了應(yīng)用于醫(yī)學(xué)上的水刀設(shè)備，指出醫(yī)用水刀的選擇性和保護性切割等優(yōu)點使其在外科手術(shù)領(lǐng)域具有廣闊的前景，在不久的將來會在國內(nèi)逐步得到推廣應(yīng)用。

控制系統(tǒng)；恒壓供水；醫(yī)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

水刀是一種利用高壓水射流進行切割材料的設(shè)備，它利用超高壓技術(shù)把普通自來水加壓到250～400 MPa，然后通過內(nèi)徑約為0.15～0.25 mm 的寶石噴嘴形成速度為 800～1 000 m/s的高速射流，從而切割材料。水刀切割設(shè)備應(yīng)用于臨床稱為醫(yī)用水刀。1990年，德國的Rau將專業(yè)設(shè)計的醫(yī)用水刀應(yīng)用于臨床，從此水刀在外科手術(shù)的臨床應(yīng)用越來越廣泛。最初，醫(yī)用水刀技術(shù)主要用于肝膽外科，如今，它已成為一種在實質(zhì)性器官手術(shù)中重要的手術(shù)工具，逐步發(fā)展到了頜面外科、整形外科、泌尿外科、骨科、耳鼻喉科、眼科、創(chuàng)傷外科等外科領(lǐng)域[1]。在醫(yī)用水刀領(lǐng)域，德國ERBE公司的研制成果處于世界領(lǐng)先地位，其產(chǎn)品螺旋水刀已經(jīng)發(fā)展到了第二代。

我們利用變頻調(diào)速恒壓供水技術(shù)設(shè)計了一種新型的應(yīng)用水刀清創(chuàng)設(shè)備，該設(shè)備可以同時完成清創(chuàng)術(shù)和水刀切割手術(shù)。在低壓水射流時進行創(chuàng)面清洗，高壓水射流時進行組織切除，具有組織選擇性好、對周圍組織損傷小、手術(shù)時間短等優(yōu)點。

2 變頻調(diào)速恒壓供水技術(shù)

變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電動機轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系：n=60f（1-s）/p，式中，n、f、s、p分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電動機轉(zhuǎn)差率、電動機磁極對數(shù)；電動機選定之后，s、p則為定值，電動機轉(zhuǎn)速n和交流電頻率f成正比，使用變頻器來改變交流電頻率，即可以平滑地改變電動機的同步轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對電動機的變頻無級調(diào)速。而水泵的流量與轉(zhuǎn)速成正比：Q∝n，因此調(diào)節(jié)變頻器的輸入頻率就可以改變水泵的流量。在水泵的流量發(fā)生變化時，供水的壓力會發(fā)生變化，壓力傳感器檢測到當(dāng)前出水管道的壓力，并將壓力轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊將模擬電信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字量后傳送給可編程控制器進行數(shù)據(jù)處理?？删幊炭刂破鹘?jīng)運算后與設(shè)定的壓力值進行比較，得出偏差值，通過在可編程控制器內(nèi)部做PID運算得出一調(diào)節(jié)參量，并將該參量送入D/A轉(zhuǎn)換模塊，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后將得到的模擬量輸出至變頻器，用以調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速及控制電動機的軟啟動，從而達到控制出水管道壓力的目的。當(dāng)實際管道壓力小于設(shè)定的壓力值時，變頻器輸出頻率提高，電動機轉(zhuǎn)速加快，出水管道壓力增高；反之，變頻器頻率降低，電動機轉(zhuǎn)速減小，管道壓力降低，如此上下調(diào)整多次，直至偏差值為零，這樣就可以保證出水管道壓力恒定。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)框圖

作者單位：300161 天津 軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生裝備研究所（鄭 偉、張西正）；510515 廣州 南方醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院（鄭 偉）

圖1是單個水泵的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)框圖，僅由1個水泵來供水。該系統(tǒng)由可編程控制器、變頻器、電動機、水泵、壓力傳感器、顯示電路及鍵盤電路等組成。顯示器用于顯示壓力設(shè)定值，可采用LED數(shù)碼管或者LCD液晶模塊。鍵盤用于設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)及控制狀態(tài)，可采用傳統(tǒng)的矩陣式鍵盤。報警電路用于在變頻器發(fā)生故障時產(chǎn)生報警信號，以確保供水質(zhì)量。當(dāng)應(yīng)用在大用水量的場合時，可采用多泵供水來滿足供水需要。另外，可以在蓄水池里放置一個水位傳感器來檢測當(dāng)前水位，并通過顯示器顯示出來。當(dāng)水位低于設(shè)定值時會發(fā)出報警信號，這時就需要往蓄水池里加水以滿足供水需求。

從圖1可以看出，被控對象的輸出（管道壓力）會返送回來影響控制器的輸出，形成一個閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，通過變頻器實現(xiàn)自動跟蹤來調(diào)節(jié)水泵電動機的轉(zhuǎn)速，保持用水管網(wǎng)壓力穩(wěn)定。這里采用了PID控制技術(shù)，在該系統(tǒng)中通過可編程控制器來做PID算法得出一個調(diào)節(jié)參量來調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，屬于模糊PID控制。系統(tǒng)在運行之前需要先設(shè)置好合適的PID參數(shù)，還要完成PID算法的編程。該系統(tǒng)可以保持出水壓力的恒定，實現(xiàn)恒壓供水，也可以設(shè)定希望得到的壓力值，實現(xiàn)壓力的無級調(diào)速。

3 醫(yī)用水刀

3.1 醫(yī)用水刀的工作原理及結(jié)構(gòu)

典型的醫(yī)用水刀設(shè)備由高壓泵、無菌生理鹽水容器、手柄和吸引器等組成，其構(gòu)成如圖2所示。醫(yī)用水刀的工作原理和工業(yè)水刀類似，即由電動機驅(qū)動高壓泵將無菌生理鹽水以一定的壓力泵出，經(jīng)過高壓軟管到達操作手柄，然后通過手柄上細小的噴嘴噴出，在局部產(chǎn)生足夠的壓強，從而達到切割組織的目的。手柄由直徑細小的噴嘴和圍在其外周的吸引器管道組成，水刀在工作時產(chǎn)生的廢水可通過吸引器管道排到廢水箱中，不會流向地面，保證了手術(shù)室的清潔。噴嘴的噴射壓力和負壓吸引的壓力都是可以人為控制的，無菌生理鹽水是產(chǎn)生切割作用的介質(zhì)。

圖2 醫(yī)用水刀系統(tǒng)構(gòu)成圖

在水刀噴出的高壓水射流作用下，人體組織結(jié)構(gòu)間隙發(fā)生膨脹，較軟地實質(zhì)性組織在較低的壓力下即可被切斷，而在同等壓力下，血管、分泌管、淋巴管及神經(jīng)等韌性較強的組織可以移滑繞開而完整地保留下來或另行處理，利用兩者之間的壓力差可將不同韌性和彈性的組織結(jié)構(gòu)進行選擇性解剖分離[2]。通過改變壓力和流速，可以達到有選擇性地分離人體組織的目的，還可使特定組織得到最大程度的保護。

醫(yī)用水刀在手術(shù)時具有高度靈活的組織性，與其他傳統(tǒng)的手術(shù)方法相比，其在臨床上的優(yōu)勢主要有[3]：（1）利用水的動能對人體組織進行分離，因此無任何熱損傷，不會對重要臟器、周圍組織產(chǎn)生損傷；（2）可進行精細分離，具有高度的組織選擇性和保護性，減少了誤傷的可能性；（3）出血少，無熱效應(yīng)產(chǎn)生的較深的粘連和壞死；（4）切割線平整、鮮明；（5）配備抽吸功能可避免光學(xué)和生物學(xué)污染；（6）創(chuàng)傷小，患者康復(fù)快，術(shù)后生活質(zhì)量明顯提高。

由于不同的人體組織具有不同的應(yīng)力應(yīng)變特性，所以在使用水刀進行手術(shù)時，應(yīng)根據(jù)不同的手術(shù)部位選擇適當(dāng)?shù)膲毫χ怠５聡鴲蹱柌┧稇?yīng)用在臨床時的水射流壓力如表1所示。

表1 不同手術(shù)所需噴射水流的壓力值

為了確保手術(shù)的安全性，手柄上的細小噴嘴噴出的水射流必須是恒壓的，而且水流要穩(wěn)定，盡量在較低的壓力和較小的流速下達到精確的切割效果。因此，水刀的控制系統(tǒng)首先要能做到恒壓供水，而且水流要穩(wěn)定。又由于不同的手術(shù)所需的水射流壓力不同，所以水刀的控制系統(tǒng)必須實現(xiàn)壓力的無級調(diào)速，以滿足不同手術(shù)的需要。由此可知，水刀的控制系統(tǒng)實際上是一個變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，所以我們可以在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上研制出醫(yī)用水刀，這是非常可行的。

3.2 醫(yī)用水刀在臨床的應(yīng)用

水刀最早應(yīng)用于肝膽外科，用水刀進行肝部分切除的失血量是常規(guī)手術(shù)的一半，特別是對合并有肝硬化的患者采用水刀進行肝部分切除時，其平均出血量較常規(guī)手術(shù)以及超聲吸引明顯減少[4]。德國慕尼黑大學(xué)附屬醫(yī)院外科從1991-01—2000-11期間進行了870例肝切除術(shù)，分析總結(jié)了鉗夾法鈍性斷肝、CUSA斷肝及高壓螺旋式水刀切肝的結(jié)果。其中采用鈍性分離斷肝279例、CUSA切肝175例、水刀切肝137例，比較了3種方法的失血量、輸血量、肝門阻斷時間、切肝時間和術(shù)后并發(fā)癥。結(jié)果表明，水刀在術(shù)中失血量、輸血量和斷肝時間等方面均表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢[5]。除肝臟外科外，水刀的應(yīng)用范圍已拓展到其他外科，常見的有以下幾種。

3.2.1 神經(jīng)外科領(lǐng)域

Oertel J等應(yīng)用水刀治療了腦膜瘤、腦質(zhì)瘤等多種顱腦疾病[6]。根據(jù)手術(shù)后病理檢查、CT、MRI檢查以及手術(shù)中對出血情況、手術(shù)時間等觀察結(jié)果提示，水刀具有切割精確、血管保護和周圍組織損傷小等優(yōu)點，可減少術(shù)中出血和術(shù)后腦水腫。在國內(nèi)，王宏、魏革等利用醫(yī)用水刀進行了腦腫瘤的手術(shù)治療，取得了良好的效果[7-8]。

3.2.2 眼科領(lǐng)域

Wilhelm等報告了進行白內(nèi)障手術(shù)可以克服常規(guī)手術(shù)中的內(nèi)皮細胞損失和白內(nèi)障再生的問題[9]。2006年，國內(nèi)著名眼科專家張勁松教授執(zhí)刀，與美國專家拉瑞博士同臺，成功地為一位白內(nèi)障患者完成了我國首例白內(nèi)障水乳化手術(shù)。

3.2.3 骨科領(lǐng)域

Honl等報告了醫(yī)用水刀對臨床脊柱外科的研究結(jié)果以及實驗研究結(jié)果[10]。

3.2.4 耳鼻喉科領(lǐng)域

Kikawada等報告了用內(nèi)窺鏡結(jié)合水刀進行上頜竇手術(shù)可以保留骨膜[11]。

3.2.5 泌尿外科領(lǐng)域

Penchev等在1999年首次在臨床上應(yīng)用水刀進行腎部分切除術(shù)來治療腎鹿角形結(jié)石和腎錯構(gòu)瘤，腎實質(zhì)可以被噴射水流有效的切開，而腎實質(zhì)斷面的血管和集合系統(tǒng)則被保留下來，手術(shù)過程中出血僅有百余毫升[12]。其后，Basting及其同事也使用水刀對5例腎細胞癌患者進行了腎部分切除，對2例結(jié)石患者分別進行腎下極切除和腎實質(zhì)切開取石，均取得了良好的效果[13]。

3.2.6 頜面外科領(lǐng)域

Magritz等對19只小獵犬進行的水刀雙側(cè)腮腺切除保留面神經(jīng)的外科研究結(jié)果表明，在術(shù)后進行的平均20.3 d的監(jiān)測中，都能保持面神經(jīng)功能[14]。國內(nèi)中山大學(xué)腫瘤防治中心使用螺旋水刀完成了30例腮腺手術(shù)，效果非常好[15]。

4 醫(yī)用水刀的實現(xiàn)

現(xiàn)代專業(yè)水刀一般由帶有腳踏開關(guān)的基座、高壓導(dǎo)管和操作手柄組成?；ǜ邏罕?、抽吸泵和一次性使用的無菌生理鹽水罐。高壓泵可產(chǎn)生高壓，將無菌生理鹽水泵出，經(jīng)過一軟性高壓導(dǎo)管到達操作手柄，然后通過手柄上細小的噴嘴噴出。在進行手術(shù)時，醫(yī)生通過控制手柄的來回運動就可以實現(xiàn)對病變組織的切割。為了確保手術(shù)的安全，必須根據(jù)需要設(shè)定水壓的上限值，以免對患者造成意外的損傷。

醫(yī)用水刀所需的壓力一般在20 MPa以下，所以一個水泵工作就可以滿足手術(shù)時水壓的需求。為了更好地實現(xiàn)壓力的無級調(diào)速，最好選用變頻電動機，這樣能更好地結(jié)合變頻器實現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上添加高壓軟管、噴嘴、工作手柄及負壓吸引部分就可以做成一個功能完善的醫(yī)用水刀。高壓軟管的設(shè)計包括材料的選擇及尺寸 （內(nèi)外徑、壁厚等）的確定，還要考慮水的動力學(xué)因素對軟管的影響。噴嘴是醫(yī)用水刀的最為重要的部件之一，它把液壓泵所提供的靜壓轉(zhuǎn)換為水射流的動力，而且讓水射流具有良好的流動特性和動力特性；同時，噴嘴又是水射流切割與破碎的執(zhí)行元件，因此優(yōu)化噴嘴的幾何形狀，建立噴嘴結(jié)構(gòu)與動力性能之間的關(guān)系，對于醫(yī)用水刀具有重要的意義。在設(shè)計中，噴嘴應(yīng)具有較小的壓力頭損失，噴出的水束受卷吸作用小，并保持射流的穩(wěn)定，以利于對組織的切割，而且應(yīng)盡量做到質(zhì)量輕和體積小，這樣才能保持在手中方便靈活。一般要多設(shè)計幾種尺寸和形狀不同的噴嘴，這樣就可以根據(jù)手術(shù)的不同選擇噴嘴的類型，一個設(shè)計較好的噴嘴可以更好地滿足手術(shù)需求。負壓吸引部分的作用是將手術(shù)過程中產(chǎn)生的廢水與微小顆粒吸出手術(shù)區(qū)域，以保持手術(shù)視野的清晰，有利于進行精確的切割。負壓吸引的實現(xiàn)就是在手柄上添加1個吸引頭，并另外添加1個廢液桶，這樣就可以滿足手術(shù)要求了。

由此可見，在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)出醫(yī)用水刀所要添加的部件并不多，也可以說變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是醫(yī)用水刀的絕對核心部分，供水系統(tǒng)的好壞直接決定了醫(yī)用水刀的性能。另外，可以將內(nèi)窺鏡與醫(yī)用水刀結(jié)合起來，這樣就可以以最小的創(chuàng)傷對復(fù)雜的傷病進行有效的治療，實現(xiàn)微創(chuàng)，使患者出血少、痛苦小、并發(fā)癥少、恢復(fù)快。醫(yī)用水刀獨有的特性使其在外科手術(shù)領(lǐng)域具有廣闊的前景，相信在不久的將來，水刀將會在國內(nèi)逐步得到推廣應(yīng)用。

5 結(jié)束語

這種基于變頻調(diào)速恒壓供水技術(shù)的醫(yī)用水刀已經(jīng)開發(fā)成功，目前正在進一步的調(diào)試和完善中。從實際運行的效果來看，水泵電動機啟動平穩(wěn)，系統(tǒng)動態(tài)性能良好，水壓穩(wěn)定性也非常好，抗干擾能力強，可以滿足醫(yī)用水刀的工作要求。在國內(nèi)，工業(yè)水刀研究及應(yīng)用十分廣泛，而醫(yī)用水刀裝置的研究幾乎還是空白。但是，水刀技術(shù)已經(jīng)為我國醫(yī)學(xué)界所重視，并且也開始進入了臨床應(yīng)用階段。水刀特有的組織選擇性和無熱損傷性能可減少手術(shù)創(chuàng)傷，體現(xiàn)了微創(chuàng)外科的發(fā)展方向，具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著人們對水射流切割人體組織機理的研究，計算機技術(shù)、機電控制技術(shù)及無線內(nèi)窺鏡技術(shù)的不斷融合與應(yīng)用，水刀技術(shù)也必將在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮更為重要的作用。

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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

軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院創(chuàng)新基金重大項目（2008ZD009）

鄭偉（1986-），男，河南商丘人，碩士，主要從事醫(yī)療電子儀器方面的研究工作。