曹廣凱，姜興剛，畢培信，秦　威，張德遠

（北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京100191）

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超聲手術刀的工作機理及力負載特性

曹廣凱，姜興剛，畢培信，秦威，張德遠

（北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京100191）

摘要：超聲手術刀作為一種新型的載能刀具在醫(yī)學臨床應用上取得了廣泛應用，但因其超聲刀的工作對象是復雜的生物組織，人們對于超聲刀的工作機理尚不是很明確，對其負載特性的研究也有限。基于此，從超聲手術刀的工作機理和力負載特性兩方面進行了研究，發(fā)現(xiàn)空化效應在超聲刀切割組織時具有重要作用；同時研究了負載力對超聲刀工作狀態(tài)的影響，表明在有載情況下，負載力對超聲刀的工作頻率影響不大，但隨著負載力增大，阻抗圓半徑和最大導納均逐漸變小并趨于恒定，即表現(xiàn)為超聲刀的振動效果逐漸受到抑制并趨于穩(wěn)定。

關鍵詞：超聲手術刀；工作機理；空化效應；力負載特性

近年來，高能低頻超聲（20～60 kHz）在醫(yī)學上取得了廣泛的臨床應用，超聲手術刀就是其中最常見的一種，主要用于生物組織的切割與血管閉合等操作[1-2]。根據用途不同，超聲手術刀可分為超聲切割止血刀、超聲吸引器、超聲骨刀等，一般所說超聲刀是指超聲切割止血刀。自1967年Kelman將超聲應用于白內障手術以來，超聲手術刀已歷經50年的發(fā)展，如今已廣泛應用于各類病變組織的切除與血管閉合等手術中，尤其是腹腔鏡手術。相較于普通手術刀和其他能量手術設備，超聲手術刀具備多種優(yōu)點[1-3]：手術精度高、操作簡便、手術創(chuàng)傷區(qū)域小、無煙霧、出血量少、手術時間短、術后恢復速度快。與電刀和氣體激光手術刀等能量手術器械相比，超聲手術刀工作時的刀頭溫度一般低于80℃，這大大低于其他能量手術器械的工作面溫度，能極大地減少手術中對切口周邊組織所造成的熱損傷范圍和程度。此外，由于超聲刀工作時不產生電火花，因此不會對神經組織產生電信號干擾，特別是在進行肌肉切割時，超聲刀不會導致肌肉異常痙攣。由于超聲刀刀頭工作時的側向組織損傷深度一般小于1 mm，因此對刀頭作用區(qū)域附近組織的連帶損傷面積較小，且普遍預后良好。

鑒于超聲手術刀良好的臨床應用效果，國內外學者對其做了相關研究。超聲切割止血刀的發(fā)明者Amaral[3]通過更換不同刀頭作了切割軟組織的對比實驗，發(fā)現(xiàn)分離鉤式的刀頭具有最佳的切割和止血的綜合效果，并初步闡釋了切割止血的機理。Khambay[4-5]針對超聲骨鑿的切骨過程進行研究，闡述了切骨過程中切割速度、切割力和進給深度等參數對切割效果的影響，但沒有針對工作參數變化導致的負載變化及其對換能器工作特性的影響展開研究。Bond和Cimino[7]對超聲吸引器的破碎原理進行了實驗分析，以每秒組織破碎質量作為衡量指標，研究了組織類型、沖擊振幅、吸力、工作頻率、刀頭面積這五方面對超聲吸引器工作性能的影響，發(fā)現(xiàn)組織強度似乎是影響破碎效果最大的因素，并認為機械沖擊是組織破碎的主要機理；實驗過程中沒有觀察到空化現(xiàn)象，未對微觀破碎機理進行闡述。陳穎等[8-9]研究了不同組織（動物骨組織和各類軟組織）負載對超聲刀換能器的工作頻率、輸入導納、反射系數等工作特性的影響，并建立了相應數學模型，實驗結果發(fā)現(xiàn)軟組織會降低工作頻率，而硬組織（骨組織）會提高工作頻率。

目前，盡管國內外學者對超聲刀做了諸多研究，但多限于臨床應用觀察，切割止血的機理尤其是微觀機理仍不明確，對超聲刀負載特性進行的相關研究也較有限；而為了提高超聲刀的工作效率，減少組織損傷，以使最終達到監(jiān)測和控制超聲能量的目的，對于超聲刀負載特性的研究都是很有必要和有意義的?；诖?，本文一方面使用高速攝像機結合顯微鏡對切割過程進行了微觀觀察，對超聲刀的工作機理進行了進一步的探究，另一方面通過實驗研究了不同負載力下超聲刀的工作特性。

1　超聲手術刀的工作機理

同其他功率超聲設備類似，超聲刀工作時換能器在超聲電源的驅動下產生高頻機械振動，由高頻交流電能轉換為機械能，再經變幅桿的振幅放大，超聲能量傳遞到刀頭部分，進而通過接觸作用于生物組織以實現(xiàn)組織切除和血管止血等。但不同于超聲在工業(yè)上的作用對象金屬、復合材料等，超聲手術刀的作用對象是生物組織，因此其作用機理與工業(yè)上超聲加工大不相同。一般認為超聲手術刀作用機理包含機械沖擊、空化效應和熱效應3個方面。

1.1切割機理

目前超聲刀的主要切割機理一般認為是機械沖擊和空化效應，且機械沖擊被認為是組織破碎的主要機理[6]，尤其對于高蛋白含量組織和膠原成分組織，如肌肉、蛋白質、纖維性結締組織等。具體表現(xiàn)為機械沖擊使蛋白質氫鍵斷裂，同時由于熱量產生，溫度上升，導致生物組織發(fā)生局部液化，呈勻漿化，最終使組織撕裂。有研究表明，不同的生物組織具有不同的切割閾值，超過切割閾值，生物組織就會遭到破壞瓦解，如軟組織的切割閾值一般認為為5×104g。對于頻率為55.5 kHz的Harmonic scalpel超聲刀，計算表明其沖擊加速度遠超其切割閾值。

超聲振動所產生的空化效應被認為提供輔助切割作用，主要用于切割脂肪和軟組織。空化是一種存在于液體之中的常見物理現(xiàn)象，一般在液體或固-液交界面處總存在著微小的空泡或氣泡，統(tǒng)稱為空化核?？栈颂幱诜欠€(wěn)定狀態(tài)，由于超聲波聲場物理作用，致使液體內形成局部的暫時性負壓區(qū)，從而產生空泡尺寸擴張或壓縮。這一系列的變化包括空泡初生、發(fā)育生長和迅速閉合甚至崩潰的過程。當空泡潰滅時，會產生微聲流和局部高溫高壓，進而產生強大的破壞力，破壞組織結構。

1.2止血機理

超聲手術刀的一大特色就是切割與止血同時進行，這是超聲對蛋白質和細胞的作用以及超聲的熱效應所產生的綜合效果。一般認為超聲振動、空化效應導致的氣泡擾動和溫升可大大促進血小板的凝血作用，在超聲刀工作時，高頻振蕩的刀頭接觸組織液或血液，產生強烈的空化效應，大量空化泡爆裂的熱效應使其附近的蛋白質破碎凝固并堵塞于血管斷口處實現(xiàn)緊急止血；同時，手術刀切割時不論是振動摩擦還是空化效應，都會導致作用機體出現(xiàn)一定程度的溫升，可提高該區(qū)域附近血液中凝血酶的活性，從而加速凝血反應過程。

1.3切割過程的微觀觀察

為了進一步探究超聲刀的工作機理，采用高速攝影與顯微觀察相結合的方法對超聲刀頭切割過程進行觀察分析。由于高速攝像畫面為黑白畫面，為提高對比度及畫面清晰度，選擇新鮮雞胸大肌組織作為實驗材料。雞胸肌中水的質量分數73 %以上，蛋白質的質量分數25 %，脂肪、灰質等其他成分的質量分數不足3 %，且組織強度及韌性較好，在超聲作用下不易出現(xiàn)大面積碎裂，是理想的超聲手術刀測試實驗材料。實驗過程中，在刀頭與組織接觸部分明確觀察到了空化現(xiàn)象，且在水中做了對比試驗，均能清楚地觀察到空化泡的存在（圖1）。同時發(fā)現(xiàn)組織切割難易程度與組織含水量密切相關，在切割脫水雞肉、豬肉和豬皮等組織時，明顯阻力較大、較難切割，可認為空化效應在切割過程中起到了重要作用，空化效應是超聲刀的一個重要工作機理[10]。

圖1　超聲刀振動時產生的空化泡

2　超聲手術刀的力負載特性

由于超聲刀的作用對象是生物組織，組織多為粘彈性體且成分復雜多變，即使同一類型的組織由于組織層次的不同，往往也會表現(xiàn)為不同的力學特性，可體現(xiàn)出超聲刀遇到的阻力不同。同時，由于超聲刀是能量持續(xù)輸出的載能刀具，若刀面持續(xù)作用在生物組織上，會使組織變性凝結，若繼續(xù)工作則會使組織燒傷結痂，這是應當避免的，而組織在變性凝結后也會表現(xiàn)出不同的力學特性。因此，對超聲刀的力學負載特性進行研究是很有必要的，這也將為超聲刀工作狀態(tài)的實時監(jiān)測和能量控制提供理論和實驗依據。

2.1實驗材料和方法

選取離體不超過4 h的新鮮雞胸肉，并切成體積約為5 cm×3 cm×3 cm的樣本，為了減小隨機誤差，選取了3組樣本做了同樣的實驗。實驗裝置由阻抗分析儀、可上下移動的支架、超聲手術刀（工作頻率為55.5 kHz）、電子秤和組織樣本構成，超聲刀豎直放置并與可移動支架固連在一起，刀頭端接觸組織樣本，另一端連接阻抗分析儀（圖2）。

圖2　實驗裝置

由于醫(yī)生在操作超聲刀時對組織所施加的力一般較小，所以實驗過程中調節(jié)支架上下移動，使超聲刀施加在組織樣本上的力從0開始逐漸增加至2.2 N，同時阻抗分析儀采集對應力負載下的頻率、電阻、電抗等數據。

2.2結果分析

對阻抗分析儀所采集的數據進行處理分析后，得到超聲刀在不同力負載下的阻抗圓圖、工作頻率和負載力的關系圖、最大導納和負載力的關系圖（圖3）?？煽闯?，隨著負載力的增大，阻抗圓半徑逐漸減?。▓D3a），并趨于穩(wěn)定。由圖3b可知，和空載時相比，超聲刀在有負載時的工作頻率變小，且隨著負載力的增大，工作頻率變化很小，幾乎保持恒定。從圖3c可看出，反映超聲刀振幅的最大導納隨著負載力的增加逐漸減小，且趨于穩(wěn)定。

圖3　超聲刀在不同負載力下的工作特性

總體來看，負載力對工作頻率的影響很小，這可能是因為工作時施加在超聲刀上的力與超聲刀換能器在擰緊時被施加的預緊力相比較小，從而影響不大。而負載力在很大程度上影響了超聲刀的振幅，抑制了超聲刀的振動；但隨著負載力的增大，抑制作用減弱，說明在超聲刀工作時，施加的力越小越好。但由于超聲刀工作是基于與生物組織的緊密接觸，若施加的力減小，超聲能量則不能很好地傳遞到生物組織上，從而減弱了超聲刀的工作能力。因此，尋求到一個最佳的負載力，既能保證超聲刀具有良好的振動效果，又能使超聲能量很好地傳遞到生物組織上，這有待進一步研究。

3　總結

本文首先對超聲手術刀的工作機理進行了研究，發(fā)現(xiàn)空化效應在超聲刀工作時（尤其是在切割組織時）起到了重要的作用。同時，通過實驗研究了負載力對超聲刀工作狀態(tài)的影響，初步建立了負載力和超聲刀的工作狀態(tài)之間的關系，向實時監(jiān)測與控制超聲能量的目的邁進了一步。由于超聲刀的工作對象是生物組織，對生物組織的實時監(jiān)測相當困難，因此可利用負載和超聲刀工作狀態(tài)間的關系，通過監(jiān)測超聲刀的工作狀態(tài)來判斷生物組織的狀況，如組織是否變性、燒痂等，當然這需要對超聲刀的負載特性進行更進一步的研究。為了實現(xiàn)超聲手術刀的高效化和智能化，其工作機理尤其是機械效應、空化效應及熱效應的多場耦合作用和負載特性都需進行更深入的研究。

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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

第一作者簡介：曹廣凱，男，1989年生，碩士研究生。

基金項目：國家自然科學基金資助項目（51305018、51475031、5147 5029）

收稿日期：2015-10-30

中圖分類號：TG663

文獻標識碼：A

文章編號：1009－279X（2016）01－0044-03