Еволюцията на хирургическите инструменти може да бъде описана като епос. От древната варварска ера, през ерата на медта и желязото, до широкото приложение на авангардни технологии като високочестотни електрически ножове, ултразвукови ножове, лазерни ножове и протонни ножове днес, всяка промяна днес насърчава голям напредък в операцията. Скоростта на това развитие е спираща дъха.
Сред много хирургически инструменти ултразвуковите скалпели се открояват с техните уникални предимства. Той има не само множество функции като рязане, хемостаза, разделяне и сцепление, но също така е силно похвален за своите характеристики като бързо рязане, по -малко кървене и по -малко дим. При операцията това е като рицар в броня, размахвайки меч в ръка, за да изкоренява болка за пациентите.
На следващо място, ще проучим задълбочено принципа на работа, клинично приложение, структура на продуктите и технически затруднения на ултразвуковите скалпели, както и технологичните иновации и бъдещите направления за развитие. Надявам се, че чрез това специално изследване можем да имаме по -всеобхватно разбиране на чара на ултразвуковите скалпели и тяхното незаменим положение в операцията.
През 1967 г. д -р Келман разработва първото в света ултразвуково устройство за емулгиране с иновацията на ултразвукова енергия. Това пробивно изобретение осигурява силна подкрепа за лечението на разкъсване и емулгиране на очната леща. С появата на 80 -те години полето на приложение на ултразвукови скалпели постепенно се разширява до индустрията за пластична хирургия. През 1992 г. двама американски клинични експерти бяха достатъчно смели, за да иноватират и поеха водеща роля при въвеждането на ултразвуковите продукти на скалпела на Ultracision в лапароскопска хирургия, като по този начин откриха по -широка пазарна перспектива за ултразвукови скалпели в областта на хирургическите операции. За да се отговори на различни клинични нужди, се появяват различни форми на ултразвукови продукти на скалпела, като ултразвукови скалпели на меките тъкани, ултразвукови костни скалпели и ултразвуково емулгиране на скалпели. Тази статия ще се съсредоточи върху въвеждането на хирургични ултразвукови скалпели на меките тъкани (съкратени като "ултразвукови скалпели").
1.1 Принцип за преобразуване на енергия
Основната функция на ултразвуковото захранване е ефективно да преобразува конвенционалните променливи електрически сигнали в електрически сигнали на ултразвукова честота като основа за изход на енергия. В този процес на конверсия ултразвуковият преобразувател играе жизненоважна роля. Той се намира в ултразвуковия вибрационен блок и може допълнително да преобразува ултразвуковите електрически сигнали във високочестотни механични вибрации. Впоследствие, чрез усилване на ултразвуковия рог, главата на острието може да изведе ултразвукова честотна механична вибрация със специфична амплитуда. Тази вибрация е ключът към ефективното рязане и коагулация на ултразвуковия нож.
1.2 Принцип на рязане и коагулация
Ултразвуковата глава на острието вибрира при определена честота. Когато влезе в контакт с тъканните клетки, течността в клетките се изпарява, което води до счупване на протеиновите водородни връзки, причинявайки клетките да се разпадат и да се потушат отново. Впоследствие тъканта се нарязва в коагулирано състояние. В процеса на рязане на кръвоносните съдове механичните вибрации на ултразвуковата глава на острието взаимодействат с тъканните протеини за генериране на топлина, като по този начин унищожават структурата на колагена в тъканта, постигайки коагулация на протеина и затваряне на кръвоносните съдове и постигане на целта на хемостазата.
(1) Механичен ефект
Под действието на ултразвук с умерена интензивност на звука тъканта произвежда еластична вибрация. С увеличаването на интензивността на звука, когато механичната вибрация на тъканта надвишава еластичната му граница, тя ще се счупи или пулверизира. При рязане на мека тъкан минималната амплитуда, изисквана от хирургичната глава на острието, е 40 μm, докато в остеотомия главата на острието трябва да изведе амплитуда над 100 μm.
(2) Топлинен ефект
Топлината е ключов фактор за постигане на тъканна коагулация и хемостаза. Това включва вискоеластичната топлинна енергия вътре в тъканта и топлината, генерирана от триенето между острието и тъканта.
(3) Кавитационен ефект
Кавитационните мехурчета генерират висока температура и високо налягане за много кратко време, като същевременно отделят силни ударни вълни и струи, които емулгират и фрагментират тъканта. Когато високочестотният вибрационен край на ултразвуковия нож се постави върху меки тъкани като мастна тъкан и алвеоларна тъкан, температурата вътре в клетките на меките тъкани около острието ще се увеличи значително. След като температурата достигне точката на кипене на водата в клетката, водата в клетката ще се изпари и ще увеличи обема, причинявайки разкъсване на клетката. Голямото количество газ, отделен след разкъсване на клетката, помага да се разшири тъканният слой, който улеснява хирургичната операция под концепцията за „мембранна анатомия“ на съвременните органи.
1.3 Сравнение на различни видове скалпели
По време на операцията е от съществено значение да се избере десният скалпел. След това ще сравним различни видове скалпели, включително традиционни скалпели, лазерни ножове, микровълнови ножове и ултразвукови ножове, за да ви помогнем да разберете по -добре техните предимства и недостатъци.
От гледна точка на клиничното приложение, ултразвуковите скалпели се представят добре при рязане на меки тъкани, особено при хирургични сценарии, които изискват прецизен контрол на кървенето и минимизирани термични увреждания. Често се използва за затваряне на кръвоносни съдове с диаметър 3 мм или по -малко, а понякога дори може да се справи с кръвоносните съдове с диаметър 5 мм или по -малко. Въпреки това, за кръвоносни съдове с диаметър 5 мм или повече, лекарите обикновено използват големи затваряния на съда, лигиращи клипове или лигиращи конци. В допълнение, ултразвуковите скалпели са не само подходящи за открита хирургия, но и широко използвани при лапароскопска хирургия и играят важна роля в различни операции в множество отдели като обща хирургия, гинекология, урология, торакална хирургия, хирургия на главата и шията.
Често срещаните хирургични ултразвукови продукти на скалпела обикновено включват гостоприемник и различни аксесоари. Сред тези аксесоари преобразувателят е ключов компонент, който е отговорен за преобразуването на електрическата енергия в ултразвукова енергия. Ултразвуковата глава на скалпела, като частта, която директно контактува с тъканта, дизайнът му обхваща ключови компоненти като дръжката, вълноводни пръчки и канюла. В допълнение, превключвателят на краката и устройството за ръчно управление на главата на скалпела работят заедно, за да постигнат прецизен контрол на изходната енергия на хоста.
Различните дръжки на ултразвуковата глава на скалпела включват тип скоба, тип захващане и тип ножица.
Стандартната дължина на ултразвуковата лента с нож обикновено е 23см, 36см или 45см. В допълнение, върхът на острието има различни морфологични структури, като многоцелеви ножици, извити многоцелеви ножици, извити ножове за събличане, куки за разделяне и хемостатични топки. Лекарите могат гъвкаво да изберат подходящата дръжка, дължина на острието и формата на острието според специфичните нужди на операцията за адаптиране към различни видове операции и групи пациенти, като пациенти със затлъстяване, конвенционална лапароскопска хирургия, лапаротомия и повърхностна хирургия.
3.1 Ултразвуков генератор (хост)
Ултразвуковият генератор, известен още като ултразвуково захранване, е устройство, специално проектирано за генериране и предаване на ултразвукови честотни електрически сигнали на ултразвуков преобразувател. Според принципа си на работа, ултразвуковите генератори могат да бъдат разделени на две категории: аналогови схеми и цифрови схеми. Понастоящем ултразвуковите генератори на цифровите вериги имат доминиращо положение в практически приложения поради отличната си ефективност на преобразуване на енергия.
Като основен компонент на ултразвуковата система, работата на ултразвуковия генератор пряко влияе върху експлоатационния ефект на цялата система. Според различни принципи на работа, ултразвуковите генератори могат да бъдат разделени на две категории: аналогови схеми и цифрови схеми. На днешния пазар цифровите схеми ултразвуковите генератори са се превърнали в основен избор поради отличната си ефективност и стабилност на конверсирането на енергия.
Основните хардуерни модули на ултразвуковите генератори на цифрови вериги включват генератори на сигнали, вериги за усилвател на захранване, вериги за съвпадение на импеданса и вериги за обратна връзка. По време на работата на ултразвуковия преобразувател ще настъпят неизбежно промени в импеданса, което включва динамично регулиране на размера на импеданса и резонансната честота. За да се гарантира, че товарът може да получи максимална мощност, импедантът на захранването трябва да съответства на импеданса на товара. Следователно, ултразвуковото захранване трябва да има възможност за проследяване на работната честота на ултразвуковия преобразувател и съответно извежда сигнал за захранване на съответната честота.
(2) Технически предизвикателства - адаптиране на тъканите
По време на операцията, поради разликата в текстурата на нарязаната и коагулираната тъкан, натоварването ще се промени динамично, което ще доведе до промяна на работната честота и амплитудата на изхода на ултразвуковия преобразувател. Ако захранването не може да проследи честотата във времето, за да достигне резонансното състояние, ефективността на преобразуване на енергията на преобразувателя ще бъде значително намалена, което ще доведе до прегряване на прегруера, като по този начин ще се отрази на ефективността на операцията. В допълнение, неправилният контрол на изходната мощност на ултразвуковото захранване също ще удължи времето, необходимо за ултразвуковия скалпел за отрязване на тъканта и намаляване на ефекта на хемостазата. Следователно технологията за контрол на проследяването на честотата на ултразвуковото захранване е от решаващо значение за поддържането на неговата стабилност.
Адаптацията на тъканите, тоест изходът се променя с импеданса на товара, е основната технология на ултразвуковия хост на захранването. Като пример, като пример за ултразвук на Johnson & Johnson, неговата хост система приема режим на рязане и хемостаза с един бутон, който може автоматично да работи с различни тъкани с един бутон, без да е необходимо позиция на предавка. След натискане на бутона, системата ще изведе три енергийни сегмента на "високо ниско високо" във времето. Методът за контрол на изхода на всеки енергиен сегмент е различен и той ще бъде интелигентно коригиран според импеданса на товара, събран в реално време. Тази технология може да осигурява енергийна поддръжка непрекъснато, интелигентно и ефективно.
След дългосрочно натрупване и оптимизация на клиничните данни, UltraSonic Knife на Johnson & Johnson показа по-добри резултати от домашните марки.
3.2 Ултразвуков преобразувател
Ултразвуковият преобразувател, като ядро на ултразвуковата вибрационна единица, е отговорен за ефективно преобразуване на ултразвукова честотна електрическа енергия във високочестотна механична енергия. Този процес допълнително усилва амплитудата и събира енергия през амплитудната пръчка и накрая точно предава енергията на главата на ножа. Понастоящем основните ултразвукови преобразуватели на пазара могат да бъдат разделени на две категории: пиезоелектрични преобразуватели и магнитостриктивни преобразуватели.
С популяризирането на пиезоелектрични керамични материали, магнитостриктивните преобразуватели постепенно се заменят с пиезоелектрични ултразвукови преобразуватели и все още се използват само в някои специални полета. Понастоящем пиезоелектрическите преобразуватели са се превърнали в основен избор на пазара. След това ще изследваме основните принципи и структури на пиезоелектрически преобразуватели в дълбочина.
(1) Принцип на работа на пиезоелектрически преобразуватели - пиезоелектричен ефект
Когато пиезоелектрическите материали се деформират от механично напрежение, специалният подредба на атомите в тяхната решетка ще доведе до появата на поляризация, като по този начин ще генерира измерима разлика в потенциала в целия материал, който се нарича положителен пиезоелектричен ефект. Напротив, ако се прилага напрежение върху повърхността на пиезоелектрически материал, материалът ще бъде деформиран от електрическото поле, което се нарича обратният пиезоелектричен ефект. Размерът и посоката на деформацията зависят от посоката на електрическото поле, посоката на поляризация на материала и метода на свързване със съседната структура. Това означава, че пиезоелектрическите материали имат функцията да преобразуват механичната енергия в електрическа енергия и да преобразуват електрическата енергия обратно в механична енергия. В ултразвуковите скалпели тази характеристика дава възможност на пиезоелектричните кристали ефективно да преобразуват електрическата енергия в механична енергия чрез обратния пиезоелектричен ефект.
(2) Структурен анализ на пиезоелектрични преобразуватели
След това ще разберем по -нататък вътрешната структура на пиезоелектричните преобразуватели.
Приемайки сандвич пиезоелектричния керамичен ултразвуков преобразувател като пример, основните му компоненти включват пиезоелектрични керамични листове, метален преден капак, метален заден капак, метални листове на електрода и предварително напрегнати болтове. По отношение на дизайна, предният капак обикновено е изработен от лек метал, за да се подобри ефективността на предаванията на ултразвуковите вълни, докато задният капак е изработен от тежки метали, за да се гарантира стабилността на преобразувателя.
(3) Пиезоелектрически материали
Пиезоелектрическите материали могат да бъдат разделени на две категории: неорганични пиезоелектрически материали и органични пиезоелектрически материали. Сред тях неорганичните пиезоелектрични материали са допълнително разделени на пиезоелектрични кристали (като пиезоелектрични единични кристали) и пиезоелектрична керамика (синтетични материали). Пиезоелектричната керамика има отлични механични свойства, химическа инертност и просто производство. Те могат да бъдат гъвкаво направени в различни форми и размери, а посоката на поляризация може да бъде свободно подбрана, което ги прави идеален избор за производство на преобразуватели. Поради тази причина пиезоелектричната керамика е широко използвана в областта на датчиците.
Основните суровини за приготвяне на пиезоелектрична керамика включват бариев титанат, оловен цирконат титанат и литиев ниобат. Тези материали показват по -висок капацитет за производство на енергия от много естествени материали. Сред тях оловен цирконат титанат (PZT) е най -често използваната суровина при производството на пиезоелектрична керамика. Той се синтезира от олово и цирконий при висока температура. Производителите на търговски ултразвукови ножове, като Johnson & Johnson, обикновено използват PZT-8 пиезоелектрична керамика. Въпреки това, различните компании ще избират P8 материали с различни параметри на производителността (като относителна диелектрична константа, диелектрична загуба и електромеханичен коефициент на свързване) според характеристиките на техните собствени преобразуватели.
(4) Технически предизвикателства
Скоростта на рязане и коагулация на ултразвуковите ножове се влияе от много фактори, включително ефективността на електроакустичната конверсия на преобразувателя, механичната загуба и ефективността на предаване на ултразвуковия вълновод и стабилността на изхода на ултразвуковата система за нож. Подобряването на основните индикатори на датчика и гарантирането, че ултразвуковата енергия може да бъде ефективно и стабилно предадена на върха на острието, е ключът към оптимизирането на механичната система на ултразвуковия нож. Високопроизводителните пиезоелектрични керамични материали играят жизненоважна роля в този процес.
Висококачествените пиезоелектрични керамични материали трябва да имат висок механичен фактор за качество, висок пиезоелектрически коефициент, висок електромеханичен коефициент на свързване, ниска диелектрична загуба и стабилни характеристики (като стабилност на температурата и честотата). Чрез модификация на допинг, многокомпонентното разработване и оптимизиране на процеса на подготовка на керамичните материали може да се постигне фин контрол на свойствата на материала. Понастоящем повечето производители избират да закупят пиезоелектрична керамика от производителите на нагоре по веригата у дома и в чужбина, но някои производители също имат способността да развиват свои собствени изследвания.
3.3 Амплитуден трансформатор
В ултразвуковата вибрационна система амплитудният трансформатор играе жизненоважна роля. Тъй като амплитудата на вибрацията, генерирана от излъчващата повърхност на ултразвуковия преобразувател, е малка, обикновено с работна честота 20kHz, амплитудата му е само няколко микрона, което е далеч от достатъчно, за да отговори на действителните нужди. Следователно се въвежда амплитудният трансформатор, който може ефективно да усили изместването и скоростта на движение на механичните вибрационни частици, да концентрират ултразвуковата енергия в малка област и по този начин да постигнат ефекта на събиране на енергия. В допълнение, амплитудният трансформатор действа и като механичен импедансен трансформатор, съответстващ на импеданса между преобразувателя и натоварването, за да се гарантира, че ултразвуковата енергия може да бъде ефективно предавана от преобразувателя към края на натоварването.
3.4 Ултразвукова скалпелна глава
Ултразвуковата глава на скалпела, ключов компонент, се състои от прецизни компоненти като дръжка, вълноводни пръчки (т.е., шал) и ръкав. Сред тях Shank е сърцевината на главата на скалпела, а нейният подбор на материали и нивото на процеса са пряко свързани с риска от счупване на скалпела. Понастоящем титановите сплави са предпочитани заради ниския си акустичен импеданс, силата на силата на опън и лекото тегло, а сплавта TC4 (TI-6AL-4V) е най-добрата сред тях. TC4 Titanium Alloy има не само предимствата както на титановите сплави - отлична пластичност и топлинна якост, но и може да работи дълго време на 400 градуса и има отлична устойчивост на корозия на морската вода. В допълнение, производственият му процес е прост и може да бъде засилен чрез заваряване, горещо и студено формиране, гасене и стареене, което прави Шейн както силен, така и издръжлив. Въпреки това, високата цена на вносни материали за сплав от титан все още е предизвикателство и производителите активно търсят битови алтернативи за намаляване на производствените разходи.
4.1 Основни показатели за ефективност
В клиничните приложения показателите за ефективност на ултразвуковите скалпели са получили широко внимание. Тези индикатори обхващат аспекти като ефект на съдово затваряне, ефективност на затваряне на затваряне, обхват на термично увреждане, фино рязане и способност за разделяне, сила на затягане и анти-адхезия. Сред тях ефективността на рязане и ефектът на съдовото затваряне се разглеждат като най -основните индикатори, които влияят пряко върху хирургичния ефект и безопасността. В същото време стандартите на индустрията и съответните насоки също предоставят ясни методи за оценка и стандарти за тези показатели за ефективност.
4.2 Чести клинични проблеми
В клиничните приложения открихме, че ултразвуковите продукти на скалпела на пазара обикновено имат следните проблеми: първо, ефектът на коагулацията често не е идеален; Второ, меката тъкан на разрез се уврежда лесно от топлина, което води до неуспех да се затвори нормално, режеща повреда или счупване на острието; В допълнение, има риск в тялото да се остави в тялото, като проливане на тъканни подложки или вътрешни компоненти на проливането на продукта. Тези проблеми възникват по различни причини, обикновено свързани с координираната работа на множество компоненти на ултразвуковата скалпелна система. В допълнение към неправилната клинична операция, техническите или процесорните дефекти на всеки компонент могат да повлияят на цялостната ефективност на ултразвуковия скалпел.
В клиничните приложения често сме изправени пред следните рискове, породени от ултразвукови продукти на скалпела: Първо, поради лош ефект на коагулация, може да се появи следоперативно кървене; Второ, меката тъкан на разреза може да не е в състояние да се затвори нормално поради термично увреждане, което може да доведе до сериозни последици, като например повреда на рязане или счупване на острието; В допълнение, има потенциален риск да остане чужда материя в тялото, като например отряд на тъканната подложка или
В клиничните приложения често сме изправени пред следните рискове, породени от ултразвукови продукти на скалпела: Първо, поради лош ефект на коагулация, може да се появи следоперативно кървене; Второ, меката тъкан на разреза може да не бъде затворена нормално поради термично увреждане, което може да доведе до сериозни последици като отказ на рязане или счупен скалпел; В допълнение, има потенциален риск да остане чужда материя в тялото, като например тъканни подложки, падащи или вътрешни компоненти на изпадането на продукта. Наличието на тези рискове не само влияе върху ефекта на клиничното приложение на ултразвуковите скалпели, но и може да застраши безопасността на пациентите.
Следователно при клиничните операции трябва да бъдем особено бдителни относно тези рискове и да предприемаме съответни превантивни мерки, за да гарантираме безопасността на пациентите и плавния напредък на операцията.
