超聲手術刀的原理及質量控制檢測研究

趙曙,金城仁

中國福利會國際和平婦幼保健院 設備科,上海 200030

超聲手術刀的原理及質量控制檢測研究

趙曙,金城仁

中國福利會國際和平婦幼保健院 設備科,上海 200030

目的超聲手術刀已廣泛應用于臨床,為保障其臨床使用安全,本文設計一個針對超聲手術刀的質量控制檢測方法.方法從分析超聲手術刀的結構、對人體產生生物效應的機理出發,選擇關鍵的性能參數,用示波分析法進行檢測.結果通過計算得出檢測參數,并與設計標準進行比較,并給出了一套較為完整的質量控制檢查樣表.結論該方法具有一定的實用性,檢測結果重復性較好.

超聲手術刀;質控檢測;激勵頻率;電氣安全;超聲熱效應

引言

超聲手術刀具有出血少、對周圍組織傷害少、術后恢復快等特點,其作用于人體組織以蛋白質凝固為效果終點,不會引起組織干燥、灼傷等副作用,刀頭工作時也沒有電流通過人體,在手術室中有著廣泛的應用.作為高頻電外科設備的一種,超聲手術刀與高頻電刀的作用類似,直接作用于組織起到切割與凝閉的作用,同屬于高風險設備.對高頻電刀,有GB9706.4-2009、JJF1217-2209等規范對高頻手術設備安全、維護維修后的檢測作了專用要求[1-2];在《醫療設備質量安全與風險管理手冊》等專著或文獻中對風險評估及性能測試有詳細的指導[3-5].但是目前對超聲手術刀質量控制方法卻僅限于使用培訓、使用管理、自帶報警等手段[6-8].目前沒有對超聲手術刀使用過程中質量檢測或風險評估的成熟、標準化的研究.鑒于此,本文從超聲刀的結構、作用原理出發,選擇關鍵的性能參數進行檢測,嘗試建立一套完整的質量控制檢測方法,給出測試樣張,從而對在用超聲手術刀進行周期性的PM檢測及風險評估.

1 材料與方法

1.1 材料選擇

目前臨床上使用較多的進口超聲手術刀有美國Ethicon生產的Harmonic超聲刀以及日本Olympus生產的SonoSurg手術刀等.本論文以Harmonic超聲手術刀作為研究對象,其換能形式為壓電式,諧振頻率55.5 kHz.目前新型號的超聲刀可以同時連接超聲刀頭和高頻刀頭,分別輸出超聲和高頻能量.本研究僅以超聲能量輸出作為測試主體.

超聲手術刀的主要組成包括:主機、換能器手柄、超聲刀頭、腳踏板.

主機是一個高頻電流發生器,負責提供穩定的超聲頻率電信號.

換能器手柄是超聲手術刀的關鍵部件,超聲刀中的超聲換能器是將輸入的電功率轉換成機械功率(即超聲波信號,高于20 kHz)的能量轉換器件,其好壞直接關系到切割止血及血管凝閉的效果.超聲換能器的種類很多.按照能量轉換的原理和所用換能材料的不同,可分為壓電換能器、磁致伸縮換能器、電容型換能器、電磁聲換能器、機械型超聲換能器等[9].超聲刀手持部件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傳播能量,從而達到手術治療目的[10-11].其結構示意圖,見圖1.

刀頭連接換能器使用,對人體軟組織起到切割止血、分離、凝閉作用,使用時有少量煙霧,刀頭長時間使用易發熱,損耗大.一次性使用成本較高.超聲刀手柄上有兩個激發按鈕,分別激發最小或最大功率.腳踏有兩個踏板同樣起到激發最小或最大功率的作用.

圖1 電致伸縮或磁致伸縮效應示意圖

1.2 超聲刀的作用機理

利用超聲能量來治療或者說促使生物組織發生生物化學反應,需要使用能量較大的超聲波,頻率范圍一般在20 kHz～1 MHz之間,聲強從0.12 W/cm2到幾千W/cm2不等,遠遠高于診斷用超聲波的安全閾值100 mW/cm2.在超聲場中, 介質的無數個質點均作疏密相間的運動,對每一個質點,設振幅為A,振動頻率為f,那么位移x、振速v、加速度a分別滿足如下數學公式[12]:

當超聲手術刀主機輸出電信號,經由換能器中的壓電振子產生高頻振動,由于變幅桿與壓電振子是通過端面處首尾相連方式連接,高頻振動傳至刀頭,使刀頭前后運動.超聲刀頭振幅很小(測試設備的Amax為80 μm),振動頻率極高(測試設備為55.5 kHz),從而產生了很高的瞬時加速度.根據公式計算得測試設備的amax約為971841 g,g為重力加速度,遠超軟組織的切割閾值5X104g[13].因此在進行軟組織切割時,被作用部位可迅速被切開,而不傷及其周圍組織,換能器的結構示意圖,見圖2.

圖2 換能器

超聲刀頭接觸到人體組織后,生物作用除了表現為機械效應外,還有空化效應、熱效以及微聲流效應[14].熱效應是由于超聲波頻率高、能量大,在被介質吸收時,部分能量轉化為熱能,從而引起生物組織溫度的升高[15].空化效應使組織液中大量的微氣泡(空化核)體積急劇膨脹、破裂引起組織層面的分離從而達到解剖分離的效果.微聲流作用表現為:超聲振動使被作用組織變成均漿,切割升溫時會使組織中的脂肪逸出.液化組織在刀頭振動作用下,可在刀頭附近形成微聲流,微聲流伴生的切應力使組織細胞遭到破壞.

1.3 關鍵性能參數選擇

根據設備結構組成及作用機理,超聲手術刀是能量轉換和傳導的系統,刀頭以一定的諧振頻率進行高頻振動,使組織內的水汽化、細胞崩解,使組織被切開或凝固,在組織分離和組織切割的同時凝血止血[16].主機輸出的電信號通過壓電換能器轉換為刀頭的振幅輸出,振幅大小即由超聲頻率決定,又決定了在人體作用的效果.

因此超聲刀手持部件的輸出頻率于手術的療效和人體的安全顯得格外重要.一旦其輸出頻率高于產品標準設定的工作頻率,由此量化產生的振幅偏差會直接影響對組織的切割或凝閉效果,甚至會對手術病人造成傷害.

本研究中的測試主體在超聲模式輸出時,手持部件額定的激勵頻率為55.5 kHz主體在超聲模式[17].因此我們將激勵頻率作為關鍵性能參數進行檢測.在力負載情況下,激勵頻率既為主機輸出的電頻率,也是手持部件的超聲頻率.這是因為超聲刀手柄中的換能器一般由壓電材料加工制成,當輸入的電頻率與其諧振頻率相同時,產生的超聲波能量達到最大值.

1.4 檢測方法

當超聲手術刀處于工作狀態時,通過對主機輸出信號的電壓取樣分析,可以將驅動頻率檢測檢測出來.建立檢測回路,通過示波器記錄輸出信號的波形,讀取波形的峰峰之間的周期T,計算出超聲刀手持部件的激勵頻率[18].

圖3 測試回路

分別在力負載、空載情況下,對功率輸出1、3、5進行波形采樣,部分測量波形,見圖4.T=18 μs,計算得出f=55555.56 Hz.

圖4 不同能量輸出的采樣波形

2 結果

根據上述測試方法,加上常規預防性維護檢測流程,我們可以給出一套完整的超聲手術刀質量控制檢測樣表,見圖5.

圖5 超聲刀質量控制測試表樣張

3 討論與結論

該方法使用了較常規的檢測設備,僅選擇激勵頻率作為性能參數較簡單也易于對照,經反復測試,重復性好,可以作為超聲手術刀的質量控制檢測程序.

在參數選擇方面驅動功率也是重要的性能指標之一,通過建立回路我們可以測試出最大電功率、靜態電功率[19].然而這兩個參數在質量控制檢測時,并無實際意義.發生器是以不同的功率級別(能量級別)激發能量的,是一個能量持續輸出的載能刀具.在實際手術過程中,超聲刀頭作用的軟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,往往也會表現為不同的力學特性,可體現出超聲刀遇到的阻力不[13].在實際檢測中發現力負載的變化對電壓輸出有較大的影響,主機通過改變發送至手柄的電流以補償負載效應.在質量檢測時,我們應當設定不同的力負載,測試并計算輸出功率的穩定性.驅動功率參數可作為下一步改進措施加入質量控制檢測中.

根據中華人民共和國國家計量技術規范《JJF 1217國國家計量高頻電刀校準規范》要求,高頻電刀應每年校驗一次,因此建議超聲手術刀的檢測周期同樣為12個月一次.

[1] GB 9706.4-2009,醫用電氣設備第2-2部分:高頻手術設備安全專用要求[S].

[2] JJF1217-2009,高頻電刀校準規范[S].

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本文編輯 王婷

Study on the Principle and Quality Control of Ultrasonic Scalpel

ZHAO Shu, JIN Chengren
Department of Equipment, China Welfare Society, International Peace and Maternal and Child Care Hospital, Shanghai 200030, China

ObjectiveThe ultrasonic scalpel has been widely used in clinical practice. In order to guarantee its clinical use safety, this paper designed a quality control detection method for ultrasonic scalpel.MethodsBased on the analysis of the structure of ultrasonic scalpel and the mechanism of biological effect on human body, this paper selected key performance parameters and detected by waveform analysis.ResultsThe test parameters were calculated and compared with the design standard, and a complete set of quality control check sample was given in this paper.ConclusionThis method is practicable and the test results are repeatable.

ultrasonic scalpel; quality control test; driving frequency; electric safety; thermal effect of ultrasound

TH777

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.10.024

1674-1633(2017)10-0089-04

2017-04-28

2017-06-12

作者郵箱:janezs105@163.com