生物組織的電切割損傷研究

吳飛，唐元梁，譚仲威，黃德群，顧珩，陳軍，張雪瑩，李桂香

1.廣東省科學院 生物與醫學工程研究所，國家醫療保健器具工程技術研究中心，廣東省醫用電子儀器及高分子材料制品重點實驗室，廣東 廣州 510316；2.廣東工業大學 機電工程學院，廣東省微創手術器械設計與精密制造重點實驗室，廣東 廣州 510006；3.廣東省醫療器械研究所，廣東 廣州 510500；4.廣東省科學院 中烏焊接研究所，廣東省現代焊接技術重點實驗室，廣東 廣州 510650

引言

術中出血是外科手術中的常見問題，高頻電刀作為一種具有邊切割邊凝血的載能類手術器械深受外科醫生青睞[1]。然而，使用過程中其手術電極表面易結痂，可能牽扯周圍組織造成切口撕裂，形成二次傷害。同時表面結痂，還會影響手術電極整體電導率，造成切割阻力急劇增加，形成切割頓挫感，影響手術質量和安全性，且結痂量越大，意外切除生物組織越多，組織機械損傷越大。此外，電切割能量過大易造成切口組織過度熱損傷，不利于患者傷口愈合；而切割能量過小則不利于切割。目前，國內外學者針對高頻電刀手術電極表面抗結痂展開了大量研究，但對于電切割損傷及其影響因素的研究較少[2-4]。

因手術電極的入切角度、入切深度、入切速率以及功率的不斷變化，在保證切割凝血質量的同時，減少組織熱損傷及表面粘附量、縮短患者愈合時間、提高手術效率是研究電刀電切參數影響的重點。栗云龍等[5]發現，電極表面組織粘附行為與切割方式和對象密切相關；茹磊磊等[6]發現，組織電切割熱損傷區域和程度隨電刀功率增加呈非線性變化，同功率條件下組織損傷程度隨組織與電極中心距離增加而減小；付和林等[7]發現，手術電極表面的熔點及粗糙度會影響粘附物與電極間的結合強度；李名高等[8]利用comsol建模發現，組織熱損傷區域隨加載電壓、加載時間、組織電導率和電極傾斜角度增加而增加，電極入切深度和組織比熱容增加則會減小熱損傷區域，組織的導熱系數對熱損傷區域的影響較小；鄭靖等[9]研究發現，有顯著交互作用的電刀功率和作用時間共同影響胰管的閉合效果，而電極前端直徑是影響胰管封閉效果的獨立因素；Dubko等[10]模擬了0.9%氯化鈉溶液冷卻的兩相介質在高頻電流流動中的溫度分布，得出電極表面與其接觸生物組織表面不會過熱，最大溫度位于組織深處；肖明等[11]發現，隨著切割速率及功率增加，電刀對周圍組織的熱損傷加重。不同電極材料在熱應力影響的情況下所產生的熱形變量會影響高頻電刀的重復使用性能。研究表明，選用304不銹鋼材料作為電極材料時，心肌細胞由熱應力所產生的熱形變量最小，絕緣材料對電刀頭產生的最大熱應力影響較小[12]。因此，深入分析高頻電刀的手術電極參數、電切割參數、待切割組織參數對生物組織電切割損傷的影響，對高頻電刀和手術電極優化及其臨床應用有重要意義。

實際手術中，醫生會根據不同任務需求選用不同形狀、尺寸手術電極，較小尺寸手術電極可提供較高電流密度，并在組織接觸部位產生集中熱效應[13]。研究發現，在相同的功率及同種組織上進行電切割，針狀電極要比球狀電極具有更大的加熱效果[14]。然而國內外學者對手術電極形狀對電切割損傷的影響鮮少研究。生物組織含水量及組織表面存在血液和組織液等對手術電極電切割過程中的阻力影響較大，電切割過程中阻力過大會導致醫生操作時存在頓挫感，影響醫生的操作舒適性。生物組織的導熱系數很大程度上取決于組織含水量，組織的熱力學參數會隨溫度變化，水的熱物性也會隨著溫度的變化產生相應變化[15]。Harold等[16]發現，當生物組織超過100℃時，組織電導率隨溫度變化不大。不同類型生物組織有不同阻抗特性，會直接影響到電凝加熱速度。通常來說脂肪組織以及骨組織電阻較大，而肌肉組織和皮膚電阻較低[17-19]。不同部位組織含水量差異，會引起組織與電極間的粘附力、電阻率和熱傳導系數的不同，間接造成電極表面焦痂粘附量、組織熱損傷以及切割阻力增加的情況。

基于此，本文擬通過單因素實驗，研究不同切割參數對生物組織電切割損傷的影響規律，分析手術電極形狀對組織電切割性能以及組織含水量對切口質量的影響，以期為高頻電外科設備、手術電極開發及醫生更好地使用手術電極提供理論和技術參考。

1 體外電切割實驗裝置設計

體外電切割實驗裝置設計如圖1所示，裝置中高頻電刀（GD350-B5，上海滬通電子有限公司）通過導線給手術電極輸送能量，實驗生物組織粘在負極板上，負極板、手術電極和高頻電刀組成一個閉合回路。手術電極安裝在六軸機械臂（C3，日本EPSON公司）上，機械臂通過電腦程序控制模擬醫生手術操作，減少實驗誤差。力傳感器（S型拉壓力傳感器AT8301，蘇州歐路達自動化設備公司）與手術電極固定，使電切割阻力盡可能傳遞到傳感器。實驗生物組織放置在負極板上的實驗工裝內固定，最大程度減小電切割過程中生物組織變形產生誤差。熱電偶（K型探針式，三平五金設備有限公司）安插在工裝蓋預設的孔洞內固定，用來等距離測量電切割的溫度情況。

圖1 體外電切割實驗裝置圖

為了探究電極形狀對電切割損傷的影響，實驗使用不同型號的手術電極（表1），電極形貌如圖2所示。

圖2 手術電極形貌

表1 手術電極型號

2 方法

2.1 實驗材料準備

豬里脊肉主要成分為肌肉組織，組成成分均勻，各項力學特性以及電阻特性與人體組織相近，而且容易獲得。因此，本實驗采用新鮮豬里脊肉組織進行實驗。將大塊的豬里脊肉切成100 mm×26 mm×30 mm的長方體，并盡量保證試驗樣品的表面平整，見圖3a。為探究組織含水量的影響，將同一塊新鮮豬里脊等切成8份，放在陰涼通風處進行不同時間的風干處理，并利用電熱恒溫干燥箱（202-00A，天津賽得利實驗分析儀器制造廠）測量不同時間風干處理后豬肉的含水量，見圖3b。

圖3 實驗材料準備

2.2 實驗方法和評價指標

采用控制變量法進行單因素實驗探究，研究電切割功率、入切角度、切割深度以及切割速率4種因素對電切割損傷的影響。由于粘附物質量和切割阻力越大，生物組織的機械損傷越大；電切割溫度越高，組織熱損傷層深度越大，生物組織的生物損傷越大[20]。因此，實驗以粘附物質量和切割阻力作為衡量電切割機械損傷的評價指標，以組織熱損傷層厚度和臨近組織溫度作為衡量電切割生物損傷的評價指標。

2.3 實驗參數設置

實驗參數設置如表2所示，采用電子天平（ME204，瑞士METTLER TOLEDDO公司）測量實驗前后手術電極重量變化，獲得電極表面粘附量。將電切割后的豬肉塊進行冷凍切片處理，然后將切片放于三目相差生物顯微鏡（CX23，日本OLYMPUS公司）下觀察及測量組織熱損傷層厚度，見圖4a。4根熱電偶等間距等深度安插在實驗工裝的蓋板上，實時記錄手術電極電切割過程中傳導的溫度情況。為盡可能采集到手術電極電切割阻力，力傳感器安裝在所設計的裝置上，實時采集手術電極電切割過程中阻力變化。六軸機械臂可模擬手術電極與豬肉塊成角度進行刃切，見圖4b，實驗重復3次，計算平均值和標準差作為實驗結果。

表2 手術操作因素

圖4 實驗方法示意圖

電外科手術切割肌肉組織常用的功率為30 W左右[21]，設置功率梯度為5 W，實驗切割功率設置為25、30、35、40 W；醫生手持電刀進行切割操作時切割角度范圍在0～90°，設置入切梯度角度為20°，入切角度為30°、50°、70°、90°；切割速度為 3、5、7、9 mm/s進行研究。實驗主要采用刀型手術電極，該電極的刀面長度為10 mm，設置3 mm的切深梯度，切割深度變量為3、5、7、9 mm；組織含水量為隨機取得，將實驗組織塊放在通風陰涼處進行不同時效存放，以獲得68.3%、67.3%、50.2%、39.0%含水量的組織塊；實驗設計的組織工裝內切割槽長度在50 mm。單因素實驗參數如表2～4所示。

表3 電極類型因素

表4 組織含水量因素

2.4 統計學分析

采用Origin 2017對本文數據進行分析和繪圖。每種參數的實驗重復3次取平均值作為實驗結果，取實驗結果的標準差作為誤差棒。

3 結果

3.1 電切割參數對組織切割損傷的影響

基于設計的體外電切割實驗裝置，通過改變電切割功率、入切深度、入切角度、切割速率，研究單因素改變對手術電極粘附物質量及切割阻力的影響以及對鄰近組織溫度及組織熱損傷層厚度的影響，實驗結果如圖 5～6所示。

圖5 電切割參數改變對粘附物質量及切割阻力的影響

圖6 電切割參數改變對鄰近組織溫度及組織熱損傷層厚度的影響

由圖5a可知，隨電切割功率增加，電極表面焦痂粘附量增加，變化范圍在0.93～1.70 mg，35～40 W間增幅最大，超過76%；隨著電切割功率增加，電極電切阻力呈先增加后下降的趨勢，在35 W功率后漸增。由圖5b可知，隨著電切割深度增加，手術電極與切口組織接觸面積增加，碳化組織更易粘附在表面，粘附量變化范圍在0.83～1.03 mg，最大增幅為4.65%；入切深度增加會增加電極與組織間接觸面積，導致刀面與組織之間摩擦力增加，增加電極切割阻力，變化范圍在0.05～0.27 N。由圖5c可知，隨著入切角度增加，電極表面粘附量總體呈漸增趨勢，變化范圍在0.83～1.03 mg，最大增幅為16.28%；隨著入切角度增加電切割阻力呈下降趨勢，范圍在0.09～0.20 N。由圖5d可知，隨著切割速率增加，電極表面粘附物質量呈減少趨勢，變化范圍在0.8～1.3 mg之間，最大減幅為17.52%；切割阻力隨切割速率增加而增加，變化范圍在0.024～0.152 N。

由圖6a可知，隨著電切割功率增加，手術電極傳導至周圍組織的溫度漸增，切口面組織熱損傷層厚度呈漸增趨勢，范圍在58.06～79.80 μm，最大增幅為22.23%。由圖6b可知，其他因素不變，隨著入切深度增加，電極傳遞到周圍組織的溫度漸減，切口組織熱損傷量漸減，損傷層厚度范圍在52.71～75.25 μm，最大減幅為19.09%。由圖6c可知，在切割功率不變時，手術電極入切角度增加，電極傳遞到周圍組織的溫度總體呈現減小的趨勢，切口組織的熱損傷量先增大后呈現平緩趨勢。由圖6d可知，隨著切割速率增加，鄰近組織溫度以及組織熱損傷程度呈現下降趨勢。其中，組織熱損傷層厚度范圍在39.82～94.17 μm，最大減幅為28.83%。

3.2 手術電極參數對組織切割損傷的影響

手術電極切割過程中切割刃越長，尖端放電頻率越高，尖端放電瞬間產生大量熱，汽化組織、碳化層組織質量較小，導電性較好。基于設計的體外電切割實驗裝置，研究改變電極接觸刃面積對組織切割損傷的影響。實驗接觸刃面積大小關系：S球刃＜S針刃＜S刀刃＜S絲刃。如圖7a所示，隨著電極接觸面積增加，電極表面焦痂粘附量呈先降低再增加的趨勢，轉折點在針型手術電極。如圖7b所示，切口組織熱損傷隨著表面積增加呈先降低后增加的趨勢，轉折點在針型手術電極。如圖7c所示，隨著手術電極刃口面積增加，電切割阻力漸減。如圖7d所示，隨著電極切割刃面積增加，電極尖端放電程度增加，電切割溫度上升。

圖7 手術電極參數對切割損傷的影響

3.3 生物組織含水量對組織切割損傷的影響

生物活體阻值與自身含水量呈負相關關系，含水量越高，阻抗越小[20]。基于設計的體外電切割實驗裝置，研究生物組織含水量對組織切割損傷的影響。如圖8a所示，隨組織含水量增加，電極表面焦痂粘附量呈先增加后降低的趨勢，含水量在67.3%～68.3%范圍內減幅最大，減幅為61.08%；隨著生物組織含水量增加電切割阻力先減小后呈現持續增加的趨勢。含水量在50.2%～67.3%阻力上升最快，增幅為14.41%。如圖8b所示，隨著生物組織含水量增加，電切割溫度變化總體呈先逐漸降低再增加的趨勢，且電切割溫度在含水量67.3%～68.3%變化過程中，增加幅度最大。電切割溫度變化趨勢與切口組織熱損傷變化趨勢相同。

圖8 生物組織含水量對組織切割損傷的影響

4 討論

本文探究了高頻電刀不同電切割參數、手術電極結構參數和生物組織含水量對生物組織機械損傷和生物損傷的影響。手術電極表面組織粘附量受電極表面溫度影響較大，表面溫度低于組織變性溫度，刀頭會扯下許多新鮮組織，粘附質量最大；達到組織變性溫度，組織固化結痂在電極表面較多，粘附質量較大；溫度過高，遠超組織變性溫度，會造成組織顯著炭化，這種炭化組織粘性小，粘連更少[21]。

對電切割參數的研究結果表明，隨著電切割功率增加，手術電極表面焦痂粘附量增加，電極電切阻力先增后降，在35 W后緩慢漸增。電切割功率增加使電極傳導至周圍組織的溫度漸增，切口面組織熱損傷層厚度成漸增趨勢，熱量積聚加劇了切口面組織熱損傷，與肖明等[11]的研究結果一致。當其他因素不變時，隨著電切割深度增加，電極傳遞到周圍組織的溫度漸減，切口組織熱損傷量漸減。這是由于手術電極接觸組織面積越大，電極釋放的熱量更易傳遞散播，減少了熱量集中對組織損傷加劇，與李名高等[8]的研究結果一致。切割功率不變條件下，手術電極入切角度增加，電極傳遞到周圍組織的溫度總體呈現減小的趨勢，切口組織的熱損傷量總體呈現平穩的趨勢。隨著切割速率增加，鄰近組織溫度以及組織熱損傷程度呈下降趨勢，與肖明等[11]的研究結果相反。這是因為單位距離內電極熱傳導至周圍組織的能量會隨著移動速率增加而減少，速率增加直接導致切口熱損傷程度降低。

對手術電極參數的研究結果表明，手術電極接觸刃面積越大組織熱損傷層厚度越大，表面粘附量越多。手術電極形狀越尖銳，越不容易粘附結痂物，更加利于組織的切割，但是凝血能力有所下降。

對生物組織含水量的研究結果表明，隨著組織含水量增加，電極表面焦痂粘附量先增后減，與Tixier等[20]的報道一致。同時，電切割阻力逐漸增大。這是因為組織電阻值減小，整個回路阻值降低，電極通過的電流量加大，導致電極表面發熱量增加，組織炭化程度加劇。電極表面與切口組織面摩擦力增大，導致電切割阻力增加，具有一定頓挫感；隨著生物組織含水量增加，電切割溫度和組織熱損傷的變化總體趨勢呈先逐減再增。

5 結論

本文通過采用高頻電刀、六軸機械臂、熱電偶、力傳感器、電子天平、三目相差生物顯微鏡等搭建生物組織電切割損傷測試系統，初步對生物組織在操作參數、刀具參數以及材料參數下的損傷變化規律進行了探究。結果表明，生物組織損傷與電極參數的選型、操作參數以及自身的含水量有關。這些研究規律的揭示對于高頻電外科設備和手術電極研發優化，以及醫生更好地使用手術電極、選用電外科手術參數有重要參考價值。