超声手术刀在临床上的应用

贺洋洋

甘肃医学院 (甘肃平凉 744000)

近年来，超声在生物医学领域中的应用越来越广泛，按用途可分为超声治疗和超声诊断设备。超声外科手术设备是超声治疗设备的重要形式，超声手术刀作为外科手术设备的主要组成部分，具有切割精度高、出血量少、极少产生烟雾，以及术后恢复快等特点，已成为国内外相关领域的研究热点[1]。本研究介绍超声手术刀的工作原理、分类、结构，并详细叙述了临床应用及新型超声手术刀的发展前景。

1 超声手术刀的工作原理

超声手术刀是根据超声波产生的强大瞬时冲击加速度、微声流及声空化的共同作用分离组织。(1)瞬时冲击加速度。当质点加速度为G的机械振动作用于生物组织时，可迅速切开该组织，而不伤及周围组织。超声切割式手术刀利用超声的高频机械振动效应，进行与传统外科手术相似的超声治疗[2]。(2)微声流作用。超声振动使组织变成均浆，刀头切割升温时会使组织中脂肪逸出。(3)声空化作用。指存在于液体中的微气核空化泡在声波的作用下振动，当声压达到一定值时发生的生长和崩溃的动力学过程。超声波作用于液体时可产生大液化的生物组织中，首先形成微气泡(空化核)，然后在强大的超声作用下被激活或持续性地震荡，或扩大后崩溃，即发生空化过程。同时伴随空化过程发生的是切向力，导致局部高温高压，冲击波反射流，破坏组织，切割任务完成[3]。(4)超声止血的机理为快速升温的刀头会促进凝血反应，止血作用明显。

2 超声手术刀的基本结构

超声手术刀主要由两部分组成，即高频功率源及超声振动系统[4]。超声振动系统又包含三个组成部分：超声换能器、变幅杆、刀头(图1)。超声换能器的作用是把高频电能转化成超声振动动能，换能器通常采用压电陶瓷和磁致伸缩型[5]；变幅杆的作用是将超声能量聚集在较小面积上来放大机械振动的位移或速度；刀头辐射声能，将人体组织切断或乳化并利用负压吸出体外。

压电陶瓷换能器是目前应用广泛的换能器，优点包括：(1)机电转化效率高，高达80%；(2)通过改变材料可以得到性能各异的超声换能器；(3)成形较容易，可以加工成任意形状；(4)造价低廉，性能较稳定，易于大规模推广应用。压电陶瓷材料的缺点是脆性大，抗张强度低，大面积原件成形难。磁致伸缩换能器是传统的换能器，由于其性能稳定，至今仍在一些特殊领域被继续应用。磁致伸缩换能器的优点主要有功率大、性能稳定、容量大、机械强度好等，缺点是激发电路复杂、能量转化效率低、机械加工较困难等。

图1 超声手术刀振动系统结构

3 超声手术刀的分类及临床应用

3.1 超声切割止血刀(UHS)

切割刀利用的原理是超声波使刀头振动，使与其接触的组织细胞内的水分汽化，蛋白质氢链断裂，细胞崩解重新融合，组织被凝固后切开，与组织蛋白接触的刀头，通过机械振动破坏胶原蛋白结构，导致蛋白凝固，进而实现封闭血管、止血的目的。

该刀由压电陶瓷片、变幅杆、刀头组成。压电陶瓷片由预紧螺钉固定，将电源的电能转换成机械能；变幅杆的作用是将超声能量聚集到较小面积上来放大机械振动的位移或速度，其外形有复合型、指数型、悬链型以及阶梯形等不同形状；刀头主要作用是辐射声能，切断组织。

周胜利等[6]从超声切割刀手术学模型重建，定性分析了一种超声切割刀的结构因素对其纵振动的影响，并优化其结构设计，得到的结果是截面位置与加持件中心位置的偏差在1 μm之内，在相同的正弦信号的激励下，优化后的切割刀振幅比优化前的提高27%。李小梅等[7]探讨了超声刀在妇科腹腔镜手术中的应用价值，结论是超声刀具有创伤小、操作简单、术后康复快、术中出血量少等优点，值得临床推广。

3.2 高强度聚焦超声刀

超声聚焦刀是20世纪90年代以后在临床上逐步开始应用，称之为HIFU (海扶刀)，又称之为“21世纪肿瘤治疗新技术”。目前，美国、日本、英国、法国、德国、挪威、芬兰等国家都在开展该技术的研究和应用。超声聚焦刀在人体内聚焦，导致焦域区高声强，机械能转化成热能，使此处温度迅速升高，达到65℃以上，杀死聚焦区域组织的肿瘤细胞。这主要是利用了超声波的热效应和空化效应。

李长玲[8]探讨了HIFU在弥漫性子宫肌瘤病(DUL)患者治疗中的应用效果,结论是HIFU治疗DUL患者近期具有良好的安全性和有效性。厉波等[9]探讨了HIFU联合THP膀胱灌注在膀胱癌患者治疗中的应用,结论是此方法在膀胱癌患者治疗中具有操作简单、安全有效、并发症少等优点，尤其适用于年老体弱、已失去根治性膀胱切除术时机的晚期膀胱癌患者，它是有效治疗膀胱癌的一个新方法。

3.3 白内障超声乳化刀

白内障是眼科常见疾病。传统手术治疗恢复期长、切口大，且等到晶状体成熟后才能手术，带给患者很多不便。超声白内障乳化刀通过微小切口深入眼睛内，利用超声波对人体组织的空化效应和碎裂效应，将白内障乳化并吸出。这种方法比传统方法迅速，出血少、恢复快。换能器被作用的区域仅需升温1℃，就能把白内障乳化后吸出。超声白内障乳化刀形状如图2。

图2 超声乳化刀

20世纪中期,受到牙科洁牙用的超声探头的启发，美国医生Kelman,成功研制了世界上第一个超声乳化刀头。1970年超声白内障乳化仪在市场上销售。据统计，美国眼科医师每年通过超声乳化刀完成150～180万例白内障摘除手术。

超声乳化刀由换能器、变幅杆、乳化针头等部分组成。由钛合金制成的乳化刀头一般前端有15°、30°、45°的倾角,倾角越大乳化时越容易形成“堵塞”，产生负压，因此，要求倾角越小越好；而实现对硬核的粉碎，则要求倾角越大越好[2]。

3.4 超声吸引器

超声吸引器是超声白内障乳化刀的演变。它是利用由管道的圆管状刀头，在临床手术时，通过管道向手术切口喷注液体，使刀头振动剥落并乳化组织微粒，在负压下沿管道吸引排出。肖宗宇等[10]回顾性分析2012年6月至2014年6月收治的超声吸引手术治疗的45例脑膜患者的临床资料，其中肿瘤全切除30例，次全切除12例，大部分切除3例；使用超声吸引器进行切除，平均操作时间为28.5 min，平均出血量约195.6 ml；术后均未出现与超声吸引手术直接相关的并发症。因此，运用超声吸引器辅助显微手术切除脑膜瘤，手术出血少，脑组织损伤小，能提高切除率，缩短手术时间，减少并发症的发生。

超声吸引器易作用于高含水量的功能组织，因此它可以少出血或者不出血，一层一层地把病变组织剥落、乳化和吸除。

4 小结

超声手术刀以其创伤小、精确度高等特点已经成为21世纪外科手术首选的医疗器械设备，目前国内外本领域研究中存在的主要问题是：(1)电声转化效率低；(2)超声手术机制研究少。因此，对新型超声手术刀的设计和实验研究工作迫在眉睫。例如，三角形刀头纵振动的超声手术刀振动机制的研究，球形和钩形刀头纵-弯振动的超声手术刀的设计和研究等。

超声手术设备的研究和推广在我国具有极大的社会经济效益。由于我国医院众多，进口国外超声设备价格昂贵，急需要价格适中的医疗设备来满足广大患者的需求，所以超声手术刀将成为外科发展的必然趋势和方向，新型超声手术刀的研究具有越来越广阔的应用前景。