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超聲刀2——超聲刀四大生理效應原理及臨床特點分析

來源：泰然健康網(wǎng) 時間：2024年12月21日 12:30

【行業(yè)分析】之超聲刀系列，將深入分析超聲刀發(fā)展、應用、性能、市場狀況、未來趨勢，并盤點解讀國內(nèi)外代表企業(yè)，同時分析目前該領域投資標的情況。本文將從超聲刀結(jié)構(gòu)出發(fā)，解析其工作原理及在人體使用過程所產(chǎn)生的4大生理效應。同時，詳解軟組織超聲刀及超聲骨刀的臨床使用特點。

1.1 超聲刀結(jié)構(gòu)組成及其原理對比

產(chǎn)品組成包括：①主機，②換能器，③超聲手柄＋刀頭，④臺車，⑤腳控裝置。一般刀頭是耗材，國外強生的刀頭都是一次性使用，國內(nèi)醫(yī)院刀頭通常使用5-6次。

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圖. 超聲刀系統(tǒng)示意圖

1.2 工作原理，與其他能量外科的比較

超聲刀的工作原理是利用電致伸縮效應或磁致伸縮效應，將超聲電能轉(zhuǎn)換為機械能，通過變幅桿的放大和耦合作用，推動刀頭工作并向人體局部組織輻射能量，從而進行手術治療。采用電致伸縮效應的超聲手術刀振動系統(tǒng)由壓電換能器、變幅桿、刀頭三部分組成（如下圖）。壓電片由預緊螺釘固定，將電源的電能轉(zhuǎn)化成振動機械能，變幅桿通過將超聲能量聚集到較小面積上來放大機械振動的位移或速度，其外形具有指數(shù)型、階梯型、懸鏈線型以及復合型等不同型式。刀頭輻射聲能，將人體組織切斷或乳化并利用負壓吸出體外。

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圖. 電致伸縮超聲刀結(jié)構(gòu)示意圖

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圖. 磁致伸縮超聲刀結(jié)構(gòu)示意圖

換能器的驅(qū)動電壓由電源提供，當電源電壓的頻率與手術刀振動系統(tǒng)的自然頻率一致時，超聲手術刀工作在諧振頻率，此時產(chǎn)生振動效果最佳。刀頭振動幅度最大，聲能將最大限度的傳遞到刀頭。如果不工作在諧振頻率，能量將大部分消耗在內(nèi)部發(fā)熱。

超聲手術刀的諧振頻率隨著切割或乳化組織的不同而變化，如果不能及時調(diào)整超聲電源的頻率，振動系統(tǒng)將工作在非諧振狀態(tài)，手柄就會發(fā)熱。振動系統(tǒng)的輸出功率和效率降低，輸出振幅減小，以至手術質(zhì)量下降。解決這一問題的方法是采用頻率自動跟蹤技術。目前有自激振蕩式、鎖相環(huán)式、電流反饋式、振速反饋式等多種頻率跟蹤方法?？刂品椒ㄖ饕蠪GH控制和自適應控制兩種。

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圖. 超聲刀的負載特性試驗

接觸硬組織的超聲刀頻率比空載時增高，接觸軟組織的超聲刀頻率降低。

超聲刀作用于人體會產(chǎn)生一系列的生理效應，主要表現(xiàn)為以下四種效應；在不同的超聲手術中，往往以一種效應為主，伴隨其它效應。

（1）瞬時沖擊加速度（碎裂效應或機械效應）：

最重要的一種效應。用于切割軟組織的振動的加速度閾值大約是5×10g（g表示重力加速度的單位，g≈10m/s2）。如若將作用點以不少于閾值的機械加速度的振動速度完全傳遞到具有活性的生物組織之上時，被作用的組織處即可被迅速地拉開，這部分組織同周圍組織分離，而同時不會損傷其周圍的組織，以完成切割的目的；

如若作用點的機械加速度沒超過 5×10g這一閾值，被作用的組織處不能被切開，而像一個凹下去的彈性體比如橡皮筋一般。軟組織的切割閾值為50000g，骨組織的切割閾值為120000g，用超聲刀切骨游刃有余：不僅切口精準，而且不會傷及周邊血管和神經(jīng)。為了讓超聲刀的振動加速度超過閾值（加速度a=A（2πf）），在設定了頻率的前提下，必須得顧及到振動位移幅值。通過公式計算可知，對于工作頻率為20kHz的超聲刀，其刀頭最小的振動位移幅值應該超過32μm；而對骨組織順利切割，其振幅需超過100μm。振幅越大，超聲刀所適用的范圍越廣，工作效率越高。

超聲刀刀頭的振幅是衡量其切割能力的一個重要物理量，可以反映出刀具聲輸出功率的大小及電匹配的好壞，因此成為表征超聲手術刀性能的一個重要參數(shù)，甚至是評價超聲刀的一項主要性能指標。

研究者通常是利用帶有讀數(shù)標尺的顯微鏡來測量此位移值。由于超聲手術刀的刀頭部和聚能器都是在大振幅的狀態(tài)下工作，所以在設計與制造中，合理的選材、加工及處理工藝非常重要。一般選用那些有足夠抗疲勞及抗拉強度的材料，否則在大振幅的狀態(tài)下工作，材料將可能很容易發(fā)生斷裂。

（2）空化效應：

液體中的微小氣泡通常被稱之為空化核，在液化的生物組織當中，會充滿許許多多的空化核，這些空化核在強大的超聲能量的作用下迅即被激活，體積會發(fā)生劇烈的變化，它們一方面持續(xù)地進行非線性振蕩，另一方面在擴大后迅即被壓縮至崩潰，這些可被稱之為空化過程或者空化效應。

當這些微氣泡崩潰的時候，在極短的時間內(nèi)在其周圍的極細微空間之內(nèi)可以產(chǎn)生高溫、高壓并伴隨著瞬間強大的切向力、強烈的沖擊波和反射流，從而對組織產(chǎn)生乳化、碎裂的作用，這樣就可以破壞組織，完成切割任務。

空化效應具有選擇性，即組織的碎裂與其含水和脂肪量有關，富含膠原質(zhì)的組織，如血管、神經(jīng)、輸尿管含水量低，比肝臟、腫瘤、脾等含水量高的組織更難以碎裂。利用超聲的選擇性空化效應可以安全的切開腫瘤、肝臟而不損傷血管和神經(jīng)等組織。

（3）微聲流的效應：

在超聲刀切割生物組織的時候，組織很容易液化。液化的組織在刀頭所產(chǎn)生的作用下，可在刀頭的周圍產(chǎn)生一股微聲流，微聲流所帶來的切割力量可以使得組織的細胞遭到破壞。

（4）熱效應：

生物組織對聲波有一定的吸收能力，超聲波接觸組織以后，其本身攜帶的能量就會轉(zhuǎn)化為熱能，使得組織局部的溫度升高。當然，這當中也有機械摩擦的物理特效而產(chǎn)生的部分熱效應。

因此，超聲刀切割功能的基本機制不同于激光刀及高頻電刀。超聲刀的切割方式是一種能量性的切割方式，是通過刀頭在50~200μm的距離之內(nèi)以55.5kHz或23.5kHz的高頻率振動時所攜帶的能量實現(xiàn)的。

1) 軟組織超聲刀

原理：是以空化效應和機械振動效應為主，刀頭在超高的振動頻率下接觸組織蛋白，組織內(nèi)水分迅速汽化，蛋白氫鍵斷裂，蛋白質(zhì)變性凝結(jié)，從而達到切割、凝閉和止血的作用。

蛋白變性/凝固原理及特點：

超聲刀凝固血管的基本原理大致與電刀、激光刀等其他種類的凝血設備類似，均是使蛋白質(zhì)變性從而形成凝固塊，之后凝固塊填塞、封閉血管以達到凝固血管的作用。但它們之間致使蛋白變性的根本原理不同。

電刀是運用電流中的電子來激活生物組織中的分子，激光則是運用光激活。分子被激活后，以更快的速度運動，其所增加的動能會轉(zhuǎn)化為熱能，蛋白質(zhì)在高熱下變性、凝固。

超聲刀則主要通過機械能實現(xiàn)蛋白凝固——機械能可以破壞分子中的氫鍵，當其傳遞至組織的時候，蛋白質(zhì)的氫鍵破壞從而發(fā)生變性。同時，超聲刀的熱效應--超聲能激發(fā)生物組織內(nèi)部產(chǎn)生高速的振動，這種作用機制與電刀、激光刀等相似，但在使用超聲刀時，其所激發(fā)的分子的高速振動不僅位于組織表面，也包括組織內(nèi)部的分子--因此，組織的表面以及內(nèi)部均有熱量的產(chǎn)生。

用來傳導能量的刀頭由金屬制作，導熱性良好，也帶有一定的熱量。因此組織的內(nèi)部外部都能產(chǎn)生熱能，相比其他設備，超聲刀的凝固效應從而得到提高。

臨床使用特點：

① 熱損傷小，熱效應低，它使組織所產(chǎn)生熱帶來的溫度一般不超過 80℃，國外有學者用豬腎動靜脈實驗證實超聲刀組織損傷延伸的距離僅為1.0mm甚至更少；

② 基本上沒有凝固組織粘在超聲刀上；

③ 其止血、結(jié)扎及切斷一步完成，省卻了常規(guī)使用的鉗夾、結(jié)扎及切斷等獨立而繁瑣的步驟，且不需要頻繁更換器械，明顯地減少了出血，也減少了手術時間；

④ 切割的精度高，極少產(chǎn)生焦化和煙霧，手術視野清晰，在重要的臟器及大血管附近分離及切割時安全度較高；

⑤ 沒有電流通過患者機體，無傳導性組織損傷，提高了手術的安全性；

⑥ 特別適用于已經(jīng)安放心臟起搏器和各種金屬支架的患者；

⑦ 創(chuàng)面少，滲出少，利于患者術后恢復；

⑧ 刀頭和手柄易于拆卸，便于消毒和清洗；

⑨ 具有自凈的作用，術后組織之間不容易粘連，切口狀態(tài)及手術后愈合情況與普通手術效果相似且遠優(yōu)于電外科手術，可減少術后腹腔的粘連及粘連性腸梗阻的發(fā)生概率。

*注：部分特點僅適用于切割式超聲刀。

2）超聲骨刀

原理：以機械振動效應為主，刀頭產(chǎn)生的幾十萬g重力加速度能夠瞬間將骨組織粉碎，其作用范圍僅有幾百微米，不會對臨近組織造成碎裂及損傷，從而實現(xiàn)精細切割。由于超聲骨刀特殊的工作方式，刀頭及其接觸的組織需要達到共振和阻抗匹配才能實現(xiàn)最大能量傳遞，而骨組織和軟組織的阻抗差異非常大，導致骨刀短時間觸碰軟組織不會造成明顯傷害，這就給了術者一定的延時來避免嚴重損傷。起到軟組織保護的作用。

臨床使用特點：

① 手柄操控性好，握持穩(wěn)定，反震小，能實現(xiàn)精確切割；可在內(nèi)窺鏡下使用，實現(xiàn)微創(chuàng)手術。

② 手術安全性高，刀頭有很好的組織選擇性，避免誤傷血管和神經(jīng)等重要軟組織，磨刀微小擺動，無高速旋轉(zhuǎn)，不會纏繞牽拉軟組織；

③ 刀頭溫度較低，避免組織熱損傷；

④ 創(chuàng)面整齊，易愈合；

⑤ 超聲刀切骨產(chǎn)生的合適溫度有利于止血，手術出血少；

⑥ 相比咬骨鉗，可從體表實施全方位立體切割，適用范圍廣；

⑦ 手術過程中無組織飛濺，減少意外風險；

⑧ 手術過程中噪音??；

⑨ 手術過程省力，手術時間短；

【1】國金投行行研《超聲刀產(chǎn)品市場淺析》

【2】陳穎，羅曉寧等超聲手術刀的研制現(xiàn)狀和應用。生物醫(yī)學工程學雜志，2005；第22卷