新型低温等离子手术系统（NTS-100）对猪皮肤切割愈合的实验评价

李捷，钟钰婷，赵进，管清钰，朱军永，王全胜，朱芸生，李席如

解放军总医院 第一医学中心 普通外科乳腺专病中心，北京 100853

引言

自1920年植物生理学博士William T.Bovie研制出第一台电外科设备——电凝刀，开创电外科时代以来[1]，电外科设备已广泛应用于当前外科手术中[2]。传统高频电刀采用高频电流产生热效应，切割组织的同时实现有效止血，提高手术效率。但电刀局部工作温度在切割模式下可达200℃、凝血模式下可达300℃，对邻近组织造成热损伤，导致组织灼伤、愈合不良等不良副反应[3-4]。单极低温等离子手术刀是近年来电外科史上一种革命性技术，采用脉冲射频能量，将刀头触及的组织细胞液分解为等离子体，裂解组织细胞，达到切割和凝血的效果，显著减少电热能造成的侧向热损伤（Lateral Thermal Damage，LTD）和组织愈合不良，有望取代高频电刀[5-7]。目前仅有国外生产的低温等离子手术刀（Pulsed-Electron Avalanche Knife，PEAK）用于临床，国内尚无自主研发的相关产品。解放军总医院联合湖南菁益医疗科技有限公司致力于单极低温等离子手术系统的研究，通过多年努力，在此基础上成功研制出了新型低温等离子手术系统（NTS-100），打破了国外技术垄断，填补了我国无低温等离子技术应用于开放手术的空白[8-9]。本实验采用活体猪的皮肤模型，通过与高频电刀（Valley）、PEAK比较，评价新型低温等离子手术系统（NTS-100）对猪皮肤切割愈合的影响，评价指标包括出血量、疤痕宽度、炎性细胞的浸润程度及疤痕拉力强度。

1 材料与方法

1.1 实验动物和分组

健康巴马小型猪6头，21～25 kg/10～13月龄，雄性，普通级，由北京实创世纪小型猪养殖基地提供，许可证号SCXK（京）2013-0008。饲养单位为中国人民解放军总医院第四医学中心动物实验中心，实验前在实验室已饲养1周，无异常情况。

按照切口操作设备及模式的不同，实验设为7组，分别为手术刀片组；高频电刀组（Valley）：切割40档和凝血40档；低温等离子手术刀组（PEAK）：切割6档和凝血8档；新型低温等离子手术系统组（NST-100）：切割60档和凝血80档，即：① 手术刀片组（Scalpel，SC）；② 高频电刀切割模式组（Conventional Electrosurgery on Cut Mode，ESC）；③ 高频电刀凝血模式组（Conventional Electrosurgery on Coagulation Mode，ESCo）；④ 低温等离子手术刀切割模式组（The PEAK Plasma Blade on Cut Mode，PBC）；⑤ 低温等离子手术刀凝血模式组（The PEAK PlasmaBlade on Cut Mode，PBCo）；⑥ 新型低温等离子手术系统切割模式组（New Low-Temperature Plasma Surgery System on Cut Mode，NPC）；⑦ 新型低温等离子手术系统凝血模式组（New Low-Temperature Plasma Surgery System on Cut Mode，NPCo），共 7 组。

1.2 实验设备

新型低温等离子手术系统（主机：NTS-100；刀头：NTS-001，湖南菁益医疗科技有限公司）；低温等离子手术刀（主机：低温等离子手术系统PS100-102；刀头：PEAK PlasmaBlade 3.0S）；高频电刀（主机：Valleylab FORCEFX-8C；刀头：电极A5)。

1.3 实验流程和皮肤切口设计

在巴马小型猪的背部脊柱两侧，如上分组及设定模式功率，各做一个长3 cm，间隔2 cm与脊柱平行的纵行切口，即每只实验动物背部有一排7个切口，相邻两个切口间距2 cm，最中间的切口位于距离脊柱3 cm处。为防止因皮肤厚度不同产生误差，六只动物背部皮肤切口的操作顺序由四种器械轮流进行（图 1）。每次均以正常皮肤切开速度同速且匀速切开，深达皮肤全层。实验开始当天记为0，第21、28、35和42天各为一次实验时间点，每个时间点的手术过程按如上分组进行，在第42天将实验动物安乐死后，获取皮肤愈合时间为1、2、3和6周的皮肤标本。

图1 皮肤切口设计示意图

1.4 出血量计算

在每种器械进行切开操作后，取一片无菌滤纸覆盖于切口上，将1 min内的出血全部吸附于滤纸上，用电子分析天平（JA1003B，上海越平科学仪器有限公司）称定吸附有血液的滤纸片的总重量，即可计算每种器械操作时的出血量（出血量=总重量-滤纸重量）。

1.5 组织病理检测

按愈合时间记为1、2、3和6周，切取每只实验动物背部2 cm×1 cm皮肤标本（包含切口疤痕）进行组织病理学检测，HE染色后在显微镜下观察并测量各设备造成切口愈合后的瘢痕宽度，用Image J图像处理软件测定瘢痕宽度，评估愈合程度。同时对皮肤标本进行免疫组化染色，通过CD3标记T淋巴细胞、CD68标记巨噬细胞，在100倍显微镜下观察皮肤组织中棕黄色阳性细胞的个数，拍照，利用Image-Pro Plus图像处理分析软件进行分析处理及计数，评估炎症反应程度。

1.6 疤痕拉力强度

获取愈合时间分别为1、2、3和6周的皮肤标本，将包含瘢痕的全层皮肤标本修整切成2 cm×1 cm大小。用生物力学材料试验机（MTS Bionix 858，美国MTS公司）拉开切口瘢痕直至彻底崩裂，记录此时的最大拉力，测试瘢痕拉力强度（图2）。

图2 生物力学材料试验机测定皮肤瘢痕拉力强度

1.7 统计方法

实验数据采用SPSS 17.0软件进行统计学分析处理，数据服从正态分布，且方差齐。数据以均数±标准差表示，多组间样本均数比较采用单因素方差分析，P<0.05为有统计学差异，P<0.01为有显著性统计学差异。

2 结果

2.1 出血量计算

NTS-100操作后的出血量比手术刀明显减少（P<0.01）；与Valley、PEAK比较，出血量较多（P<0.01）（表1）。结果提示NTS-100的止血效果优于手术刀，但与Valley和PEAK相比，NTS-100工程样机的止血性能有待改进。

表1 各设备操作后1分钟内出血量比较（±s）

表1 各设备操作后1分钟内出血量比较（±s）

注：n=18；aP<0.001，与新型低温等离子手术系统（NTS-100）切割模式对比；bP＜0.001，与新型低温等离子手术系统（NTS-100）凝血模式对比。

操作设备 模式 分类 出血量/g P值 统计值手术刀 0.410±0.291a＜0.001 Valley 0.014±0.007a＜0.001切割模式PEAK 0.020±0.009a＜0.001新型低温等离子手术系统（NTS-100）F=12.1493 P<0.001 0.046±0.034电外科设备Valley 0.012±0.010b＜0.001凝血模式0.041±0.024 PEAK 0.018±0.011b＜0.001新型低温等离子手术系统（NTS-100）F=15.8770 P<0.001

2.2 疤痕宽度

NTS-100在愈合时间为1周时的瘢痕宽度均显著小于Valley相对应模式（P<0.01）。NTS-100皮肤标本的瘢痕宽度在愈合时间为2、3和6周时的瘢痕宽度均小于Valley 2、3和6周相对应模式，有统计学意义（P<0.05）。NTS-100与PEAK在愈合时间相同相对应模式下，瘢痕宽度的对比无统计学差异（P>0.05）。结果提示NTS-100的瘢痕形成较Valley小（图3～4，表2）。

图3 各手术装置相同愈合时间的瘢痕宽度对比

图4 愈合时间分别为1、2、3和6周的疤痕宽度比较

2.3 炎症细胞浸润

2.3.1 T淋巴细胞浸润

T淋巴细胞免疫组化染色结果在不同时间点的各设备组中具有不同分布情况。通过Image-Pro Plus图像处理分析软件处理分析计数可以看出，各设备在0周时间点T淋巴细胞浸润较少，在1周时间点时T淋巴细胞浸润最多，之后随着时间的推移，2、3、6周时间点的浸润数逐渐减少。

在愈合时间为1、2和3周时，手术刀片组的T淋巴细胞浸润数明显少于其他各组（P<0.05）；在愈合时间为6周时，手术刀片组与NTS-100切割模式组之间无统计学差异。在愈合时间为1周和2周时，各设备组之间的同模式下无显著差异；在愈合时间为3周和6周时，PEAK、NTS-100在切割、凝血模式下分别与Valley的相同模式具有显著差异（P<0.01），但NTS-100与PEAK之间无统计学差异（图5～6，表 2）。

图5 T淋巴细胞免疫组化染色结果

图6 愈合时间分别为0、1、2、3和6周的T淋巴细胞浸润数

2.3.2 巨噬细胞浸润

巨噬细胞免疫组化染色结果在不同时间点的各设备组中具有不同分布情况。巨噬细胞浸润数量随时间变化同T淋巴细胞。即通过Image-Pro Plus图像处理分析软件处理分析计数可以看出，各设备在1周时间点时巨噬细胞浸润最多，之后随着时间的推移，2、3和6周时间点的浸润数逐渐减少。

在愈合时间为1、2和3周时，手术刀片组的巨噬细胞浸润数明显少于其他各组（P<0.05）；在愈合时间为6周时，手术刀片组与NTS-100切割模式组之间无统计学差异。在愈合时间为1周和2周时，各设备组之间的同模式下无显著差异；在愈合时间为3周时，NTS-100在切割、凝血模式下分别与Valley的相同模式具有显著差异（分别为P<0.01和P<0.05），但NTS-100与PEAK之间无统计学差异；在愈合时间为6周时，PEAK、NTS-100在切割、凝血模式下分别与Valley的相同模式具有显著差异（P<0.05）（图7～8，表 2）。

表2 各设备操作后对猪皮肤切口愈合评价指标的比较（±s）

表2 各设备操作后对猪皮肤切口愈合评价指标的比较（±s）

注：n=6；**P<0.01，与新型低温等离子手术系统（NTS-100）对比；*P<0.05，与新型低温等离子手术系统（NTS-100）对比。

切割模式 凝血模式项目 SC ESC PBC NPC ESCo PBCo NPCo疤痕宽度/μm 1周 336.587±162.890*1806.617±254.372**1023.3680±266.121 847.9250±146.943 2285.386±334.232**1259.6817±165.343 893.7277±151.942 2周 130.605±23.055*907.152±180.281*830.199±360.154 593.696±232.071 1591.094±254.284*1163.824±211.416 830.904±143.469 3周 102.447±18.675*861.145±219.715*904.347±55.709 412.890±160.994 1075.201±490.276 931.086±92.515 728.059±127.176 6周 90.667±31.182*669.394±182.444*464.391±90.935 366.206±100.260 722.071±167.581*633.405±84.487*392.539±81.264 T淋巴细胞计数1周 215.00±28.242*366.67±50.262 355.50±49.209 337.50±44.948 401.67±60.328 375.50±82.718 365.00±52.242 2周 156.50±24.006*299.67±40.272 288.83±31.346 285.67±19.500 325.33±29.070 316.00±36.797 308.50±31.463 3周 102.17±15.497*247.83±24.045**169.33±38.640 165.67±65.332 288.00±27.225**216.67±54.581 210.33±65.938 6周 58.17±12.287 130.33±17.061**88.33±10.652 75.17±14.497 186.67±21.087**116.33±13.441 101.00±17.967巨噬细胞计数1周 132.33±16.597**214.67±43.871 208.33±15.488 210.67±41.495 246.00±33.251 241.17±20.634 241.00±39.350 2周 101.33±15.756*195.00±40.492 177.17±19.395 187.83±42.546 211.17±29.587 211.83±12.057 210.17±33.891 3周 77.67±16.452**161.83±33.469**139.33±21.021 122.00±13.416 180.17±33.689**166.83±16.339 151.33±24.468 79.33±9.331疤痕拉力强度/N 1周 9.71±4.54 0 0 0 0 0 0 2周 48.81±37.08 6周 39.00±12.961 83.17±8.329**61.00±17.561*44.17±5.636 107.83±9.109**96.50±8.550*10.91±2.72 7.32±5.16 12.25±6.27 8.52±5.67 11.02±4.04 17.32±7.43 3周 116.62±60.70*30.39±16.68*29.50±12.12 59.52±13.36 40.01±27.49*30.55±16.93 68.91±22.40 6周 334.08±92.65*167.62±47.24 146.65±50.45 159.77±57.54 168.05±38.46 124.98±107.85 118.88±49.46

图7 巨噬细胞免疫组化染色结果

图8 愈合时间分别为0、1、2、3和6周的巨噬细胞浸润数

2.4 疤痕拉力强度

通过生物力学材料试验机测定切口愈合时间为1、2、3、6周的皮肤标本，对比各设备切开操作造成切口的愈合强度。在测定过程中，愈合时间为1周的皮肤标本除手术刀片组外，其余各组标本均在生物力学材料试验机产生拉力前裂开，未产生有效拉力值。

在观察各组皮肤标本拉力测定时，同一愈合时间手术刀片组与NTS-100组断裂时切口组织比较均匀一致。同组皮肤标本相比，愈合时间越久，断裂时切口组织较为均匀一致。实验结果表明：NTS-100在愈合时间为3周时的瘢痕拉力强度为切割模式（59.52±13.36） N，凝血模式（68.91±22.40） N，均强于Valley相对应模式的拉力强度[切割模式（30.39±16.68） N，凝血模式（40.01±27.49）N]，具有统计学差异（P<0.05），在各时间点，NTS-100与PEAK之间无统计学差异（图9，表2）。

图9 在愈合时间分别为1、2、3和6周的拉力强度对比

3 讨论

传统手术中，由于切割精度高、组织完整性良好和切口愈合优异，手术刀是手术过程的主要切割工具，但其无法同时实现止血，限制在临床中的广泛应用[6]。本实验所采用的对比设备——高频电刀开启了电外科时代，解决了手术刀片无法同时止血的问题，切割与止血同步提高了手术效率，推动了外科学的发展。但电外科设备依靠电热能对组织的切割和止血，其不可避免带来热损伤，造成组织脂肪液化、伤口愈合不良等副作用[10-11]。在实际操作中，电外科手术的安全性和有效性与外科医生对这些技术及其应用的了解程度以及对电外科手术潜在并发症的认识程度相关。如在神经外科手术和甲状腺外科手术中，传统电外科设备应用受限，其可能造成急性和亚急性神经损伤，引起暂时性或永久性功能障碍[12-14]。因此，科学家们不断改进手术设备，寻求新的能量转换方式，探索新型电外科设备，如超声刀、LigaSure双极血管封闭系统，提高凝血性能的同时减轻侧向热损伤[15-16]。

低温切割、凝血是现代外科学的关键技术，对减少瘢痕形成、促进组织愈合等有着重要价值。PEAK是近年来电外科设备发展史上的突破性进展，应用脉冲射频技术，将人体组织内的电解质液激发为等离子体，利用激发过程中产生的动能断裂细胞肽键，达到切割组织的效果，不依靠电流的热效应。在相对较低的工作温度下实现切割和凝血效果，显著减少热损伤[17]。多项研究表明，低温等离子手术刀可以在兔、牛、人的眼部组织中精确解剖组织，减少组织热损伤，促进组织愈合，甚至可在液体介质中操作[18-20]。目前，这一技术已在国外广泛应用于临床[21-22]，美国食品和药物管理局批准其用于耳鼻喉科手术中软组织的切割和止血。一项随机对照试验证实，低温等离子手术刀在成人扁桃体切除术的应用使得术后恢复更快，更早实现无痛吞咽[23]。

本实验中的研发设备——新型低温等离子手术系统（NTS-100），填补了我国无低温等离子技术应用于开放手术的空白。在低温等离子手术系统的基础上，改进和优化手术电极和工作主机，改进了手术电极前端释放等离子体的拘束狭缝，选择了更优化的主机频率，使得切割更锋利，凝血更可靠。

T淋巴细胞、巨噬细胞作为切口愈合时期炎症反应阶段的主要参与细胞，在本实验中作为评估炎症反应程度的重要指标。炎性细胞的过度浸润影响愈合，疤痕形成增加[24]。本实验结果表明，新型低温等离子手术系统（NTS-100）的皮肤标本在各时间点的疤痕宽度均小于高频电刀，愈合时间为3周和6周时的T淋巴细胞和巨噬细胞浸润显著少于高频电刀。因此，新型低温等离子手术系统（NTS-100）减少疤痕形成，可能与其局部工作温度较低、组织热损伤减小及炎性细胞浸润减少有关。可进一步研究和探讨电外科设备对疤痕形成的影响，这在整形外科手术领域的应用中尤为重要。

瘢痕拉力是对切口愈合能力及稳定性的有效评价指标，瘢痕拉力大意味着瘢痕内部稳定性强，愈合效果好。在实验中，新型低温等离子手术系统（NTS-100）造成的切口愈合后拉力强度仅次于手术刀造成的切口瘢痕，在愈合时间为3周时强于高频电刀。本实验结果可能与组织热损伤小、炎性细胞浸润程度较低有关，炎性反应影响表皮的再生，持续的炎性细胞浸润影响瘢痕形成的稳定性。因此，新型低温等离子手术系统（NTS-100）的切口愈合效果较好。

4 结论

本实验评估了新型低温等离子手术系统（NTS-100）对猪皮肤切口愈合的影响。通过与高频电刀、PEAK的比较，综合多个检测指标（出血量、瘢痕宽度、炎性细胞浸润程度、组织瘢痕拉力强度等），证明了新型低温等离子手术系统（NTS-100）减少瘢痕形成，提高切口愈合强度，改善术后外观效果。既往动物实验已证明，新型低温等离子手术系统与高频电刀止血效果相当，具有可靠的安全性，因而可满足微创精细手术的要求。

当前的实验数据均为动物实验，单极低温等离子手术系统将在临床中投入使用，团队人员将继续收集临床数据，不断优化和改进产品，以适应和满足临床需求。