Ewolucję narzędzi chirurgicznych można opisać jako epos. Od starożytnej epoki barbarzyńskiej, przez erę miedzi i żelaza, po powszechne zastosowanie najnowocześniejszych technologii, takich jak noże elektryczne o wysokiej częstotliwości, noże ultradźwiękowe, noże laserowe i noże protonowe, każda zmiana sprzyjała wielkim postępowi w operacji. Szybkość tego rozwoju zapiera dech w piersiach.
Wśród wielu narzędzi chirurgicznych skalpele ultradźwiękowe wyróżniają się swoimi unikalnymi zaletami. Ma nie tylko wiele funkcji, takich jak cięcie, hemostaza, separacja i przyczepność, ale jest również bardzo chwalony za jej cechy, takie jak szybkie cięcie, mniej krwawienia i mniej dymu. Podczas operacji jest to jak rycerz w zbroi, machający mieczem w dłoni, aby wyeliminować ból u pacjentów.
Następnie dogłębnie zbadamy zasadę pracy, zastosowanie kliniczne, strukturę produktu i trudności techniczne w skalpelach ultradźwiękowych, a także innowacje technologiczne i przyszłe kierunki rozwoju. Mam nadzieję, że dzięki tym specjalnym badaniom możemy mieć bardziej kompleksowe zrozumienie uroku skalpels ultradźwiękowych i ich niezbędnej pozycji w chirurgii.
W 1967 r. Dr Kelman opracował pierwsze na świecie urządzenie do emulsyfikacji ultradźwiękowej z innowacją energii ultradźwiękowej. Ten przełomowy wynalazek zapewnia silne wsparcie w leczeniu pęknięcia i emulgowania soczewki oczu. Wraz z nadejściem lat 80. pole zastosowania skalpels ultradźwiękowych stopniowo rozszerzyło się na przemysł chirurgii plastycznej. W 1992 r. Dwóch amerykańskich ekspertów klinicznych było wystarczająco odważnych, aby wprowadzić innowacje i objęło wiodącą rolę w wprowadzeniu ultradźwiękowych produktów skalpelowych ultracizji do chirurgii laparoskopowej, otwierając w ten sposób szerszą perspektywę rynkową dla skalpów ultradźwiękowych w dziedzinie operacji chirurgicznych. Aby zaspokoić różne potrzeby kliniczne, pojawiły się różne formy ultradźwiękowych produktów skalpelowych, takie jak skalpele ultradźwiękowe tkanki miękkiej, skalpele kości ultradźwiękowej i skalpele ssącej emulsyfikacji ultradźwiękowej. W tym artykule skupi się na wprowadzeniu chirurgicznych skalpeli ultradźwiękowych tkanek miękkich (skróconych jako „skalpele ultradźwiękowe”).
1.1 Zasada konwersji energii
Podstawową funkcją zasilacza ultradźwiękowego jest wydajna konwersja konwencjonalnych sygnałów elektrycznych AC na ultradźwiękowe sygnały elektryczne częstotliwości jako podstawę wyjściowej energii. W tym procesie konwersji ultradźwiękowy przetwornik odgrywa istotną rolę. Znajduje się w ultradźwiękowej jednostce wibracyjnych i może dalej przekształcać sygnały elektryczne częstotliwości ultradźwiękowej na wibracje mechaniczne o wysokiej częstotliwości. Następnie, poprzez amplifikację rogu ultradźwiękowego, głowica ostrza może wysyłać wibracje mechaniczne częstotliwości ultradźwiękowej o określonej amplitudzie. Ta wibracja jest kluczem do wydajnego cięcia i krzepnięcia noża ultradźwiękowego.
1.2 Zasada cięcia i krzepnięcia
Ultradźwiękowa głowica ostrza wibruje z określoną częstotliwością. Kiedy wchodzi w kontakt z komórkami tkankowymi, ciecz w komórkach odparowuje, powodując pękanie wiązań wodorowych białka, powodując rozpad i ponowne podsumowanie komórek. Następnie tkanka jest wycinana w stanie koagulowanym. W procesie cięcia naczyń krwionośnych mechaniczne wibracje ultradźwiękowej głowicy ostrza oddziałują z białkami tkankowymi w celu wytworzenia ciepła, niszcząc w ten sposób strukturę kolagenową w tkance, osiągając koagulację białka i zamknięcie naczyń krwionośnych oraz osiągając cel hemostazy.
(1) Efekt mechaniczny
Pod działaniem ultradźwięków o umiarkowanej intensywności dźwięku tkanka wytwarza elastyczne wibracje. Wraz ze wzrostem intensywności dźwięku, gdy mechaniczne wibracja tkanki przekroczy jej ograniczenie sprężyste, pęknie lub sproszkową. Podczas cięcia tkanki miękkiej minimalna amplituda wymagana przez chirurgiczną głowicę ostrza wynosi 40 μm, podczas gdy podczas osteotomii głowica ostrza musi wyświetlić amplitudę ponad 100 μm.
(2) Efekt termiczny
Ciepło jest kluczowym czynnikiem w osiąganiu krzepnięcia tkanek i hemostazy. Obejmuje to lepkosprężystą energię cieplną wewnątrz tkanki i ciepło wytwarzane przez tarcie między ostrzem a tkanką.
(3) Efekt kawitacji
Bąbki kawitacyjne wytwarzają wysoką temperaturę i wysokie ciśnienie w bardzo krótkim czasie, jednocześnie uwalniając silne fale uderzeniowe i strumienie, które emulgują i fragmą tkanki. Gdy koniec wibracji o wysokiej częstotliwości noża ultradźwiękowego jest umieszczana na tkankach miękkich, takich jak tkanka tłuszczowa i tkanka pęcherzykowa, temperatura wewnątrz komórek tkanki miękkiej wokół ostrza znacznie wzrośnie. Gdy temperatura dotrze do temperatury wrzenia wody w komórce, woda w komórce odparuje się i wzrośnie objętość, powodując pęknięcie komórki. Duża ilość gazu uwalniana po zerwaniu komórki pomaga rozszerzyć warstwę tkanki, która ułatwia operację chirurgiczną pod koncepcją „anatomii błony” współczesnych narządów.
1.3 Porównanie różnych rodzajów skalpów
Podczas operacji kluczowe jest wybranie odpowiedniego skalpela. Następnie porównajmy różne rodzaje skalpeli, w tym tradycyjne skalpele, noże laserowe, noże mikrofalowe i noże ultradźwiękowe, aby pomóc Ci lepiej zrozumieć ich zalety i wady.
Z perspektywy zastosowania klinicznego skalpele ultradźwiękowe działają dobrze w cięciu tkanki miękkiej, szczególnie w scenariuszach chirurgicznych, które wymagają precyzyjnej kontroli krwawienia i zminimalizowanego uszkodzenia termicznego. Jest często stosowany do zamykania naczyń krwionośnych o średnicy 3 mm lub mniej, a czasem nawet może poradzić sobie z naczyniami krwionośnymi o średnicy 5 mm lub mniej. Jednak w przypadku naczyń krwionośnych o średnicy 5 mm lub więcej lekarze zwykle używają dużych zamknięć naczyń, klipsów podwiązania lub szwów podwiązania. Ponadto skalpele ultradźwiękowe są odpowiednie nie tylko do operacji otwartej, ale także szeroko stosowane w chirurgii laparoskopowej i odgrywają ważną rolę w różnych operacjach w wielu oddziałach, takich jak operacja ogólna, ginekologia, urologia, operacja klatki piersiowej, operacja głowy i szyi.
Wspólne chirurgiczne ultradźwiękowe produkty skalpelowe ogólnie obejmują gospodarza i różne akcesoria. Wśród tych akcesoriów przetwornik jest kluczowym elementem, który jest odpowiedzialny za przekształcenie energii elektrycznej w energię ultradźwiękową. Ultradźwiękowa głowica skalpelowa, ponieważ część, która bezpośrednio styka się z tkanką, jej konstrukcja obejmuje kluczowe elementy, takie jak uchwyt, pręt falowodu i kaniula. Ponadto przełącznik stóp i ręczne urządzenie sterujące na głowicy skalpela współpracują, aby osiągnąć precyzyjną kontrolę energii wyjściowej hosta.
Różne uchwyty ultradźwiękowej głowy skalpel obejmują typ zacisku, typ uchwytu i typ nożycowy.
Standardowa długość ultradźwiękowego paska noża wynosi zwykle 23 cm, 36 cm lub 45 cm. Ponadto czubek ostrza ma różne struktury morfologiczne, takie jak wielofunkcyjne nożyczki, zakrzywione nożyczki wielofunkcyjne, zakrzywione noże, haczyki separacji i kulki hemostatyczne. Lekarze mogą elastycznie wybrać odpowiedni uchwyt, długość ostrza i kształt ostrza zgodnie ze specyficznymi potrzebami operacji w celu dostosowania się do różnych rodzajów operacji i grup pacjentów, takich jak otyli pacjenci, konwencjonalna operacja laparoskopowa, laparotomia i operacja powierzchowna.
3.1 Generator ultradźwiękowy (gospodarz)
Generator ultradźwiękowy, znany również jako zasilacz ultradźwiękowy, jest urządzeniem specjalnie zaprojektowanym do generowania i transmitowania ultradźwiękowych sygnałów elektrycznych częstotliwości do przetwornika ultradźwiękowego. Zgodnie z zasadą pracy generatory ultradźwiękowe można podzielić na dwie kategorie: obwody analogowe i obwody cyfrowe. Obecnie generatory ultradźwiękowe obwodu cyfrowego mają dominującą pozycję w praktycznych zastosowaniach ze względu na ich doskonałą wydajność konwersji energii.
Jako podstawowy element układu ultradźwiękowego, wydajność generatora ultradźwiękowego bezpośrednio wpływa na efekt pracy całego systemu. Zgodnie z różnymi zasadami roboczymi generatory ultradźwiękowe można podzielić na dwie kategorie: obwody analogowe i obwody cyfrowe. Na dzisiejszym rynku cyfrowe generatory ultradźwiękowe stały się wyborem głównego nurtu ze względu na doskonałą wydajność i stabilność konwersji energii.
Podstawowe moduły sprzętowe generatorów ultradźwiękowych obwodów cyfrowych obejmują generatory sygnałów, obwody wzmacniacza zasilania, obwody dopasowywania impedancji i obwody sprzężenia zwrotnego. Podczas działania przetwornika ultradźwiękowego nieuchronnie wystąpią zmiany impedancji, co obejmuje dynamiczną regulację wielkości impedancji i częstotliwości rezonansowej. Aby zapewnić, że obciążenie może uzyskać maksymalną moc, impedancja zasilacza musi być spójna z impedancją obciążenia. Dlatego zasilacz ultradźwiękowy musi mieć możliwość śledzenia częstotliwości roboczej przetwornika ultradźwiękowego i wyświetlania odpowiednio sygnału mocy odpowiedniej częstotliwości.
(2) Wyzwania techniczne - adaptacja tkanek
Podczas operacji, ze względu na różnicę w teksturze tkanki cięcia i koagulowanej, obciążenie zmieni się dynamicznie, co spowoduje zmianę częstotliwości roboczej i amplitudy wyjściowej ultradźwiękowego przetwornika. Jeśli zasilanie nie może śledzić częstotliwości w celu osiągnięcia stanu rezonansowego, wydajność konwersji energii przetwornika zostanie znacznie zmniejszona, powodując przegrzanie przetwornika, wpływając w ten sposób na wydajność operacji. Ponadto niewłaściwa kontrola mocy wyjściowej zasilacza ultradźwiękowego przedłuży czas potrzebny na skalpel ultradźwiękowy, aby wyciąć tkankę i zmniejszyć efekt hemostazy. Dlatego technologia automatycznego kontrolowania śledzenia częstotliwości zasilania ultradźwiękowego ma kluczowe znaczenie dla utrzymania jego stabilności.
Adaptacja tkanek, to znaczy zmian wyjściowych wraz z impedancją obciążenia, jest podstawową technologią ultradźwiękowego hosta zasilacza. Biorąc przykład nożem Johnson & Johnson jako przykład, jego system hosta przyjmuje tryb cięcia i hemostazy jednego przycisku, który może automatycznie obsługiwać różne tkanki z jednym przyciskiem bez potrzeby pozycji przekładni. Po naciśnięciu przycisku system z czasem wyprowadzi trzy segmenty energii „o wysokim poziomie”. Metoda kontroli wyjściowej każdego segmentu energii jest inna i zostanie inteligentnie dostosowana zgodnie z impedancją obciążenia zebraną w czasie rzeczywistym. Technologia ta może zapewnić wsparcie energii w sposób ciągły, inteligentnie i skutecznie.
Po długoterminowej akumulacji i optymalizacji danych klinicznych nóż ultradźwiękowy Johnson & Johnson wykazał lepszą wydajność niż marki krajowe.
3.2 Ultradźwiękowy przetwornik
Osła ultradźwiękowa, jako rdzeń ultradźwiękowej jednostki wibracyjnych, jest odpowiedzialny za skuteczne przekształcenie energii elektrycznej częstotliwości ultradźwiękowej w energię mechaniczną o wysokiej częstotliwości. Proces ten dodatkowo wzmacnia amplitudę i zbiera energię przez pręt amplitudy, a ostatecznie dokładnie przenosi energię na głowę noża. Obecnie główne przetworniki ultradźwiękowe na rynku można podzielić na dwie kategorie: przetworniki piezoelektryczne i przetworniki magnetostrykcyjne.
W przypadku popularyzacji piezoelektrycznych materiałów ceramicznych, przetworniki magnetostrykcyjne stopniowo zastępowano piezoelektrycznymi przetwornikami ultradźwiękowymi i nadal są używane tylko w niektórych specjalnych dziedzinach. Obecnie przetwornicy piezoelektryczne stały się głównym nurtem na rynku. Następnie dogłębnie zbadamy podstawowe zasady i struktury przetworników piezoelektrycznych.
(1) Zasada pracy przetworników piezoelektrycznych - efekt piezoelektryczny
Gdy materiały piezoelektryczne są zdeformowane przez naprężenie mechaniczne, specjalny układ atomów w ich sieci doprowadzi do pojawienia się polaryzacji, generując w ten sposób mierzalną różnicę potencjału w całym materiale, który nazywa się pozytywnym efektem piezoelektrycznym. Przeciwnie, jeśli napięcie zostanie przyłożone na powierzchnię materiału piezoelektrycznego, materiał zostanie zdeformowany przez pole elektryczne, które nazywa się odwrotnym efektem piezoelektrycznym. Rozmiar i kierunek deformacji zależą od kierunku pola elektrycznego, kierunku polaryzacji materiału i metody połączenia z sąsiednią strukturą. Oznacza to, że materiały piezoelektryczne mają funkcję przekształcania energii mechanicznej w energię elektryczną i przekształcania energii elektrycznej z powrotem w energię mechaniczną. W skalpelach ultradźwiękowych ta charakterystyka umożliwia piezoelektryczne kryształy wydajne przekształcenie energii elektrycznej na energię mechaniczną poprzez odwrotny efekt piezoelektryczny.
(2) Analiza strukturalna przetworników piezoelektrycznych
Następnie zrozumiemy wewnętrzną strukturę przetworników piezoelektrycznych.
Przykładając kanapkowy piezoelektryczny przetwornik ultradźwiękowy ultradźwiękowy, jego podstawowe elementy obejmują piezoelektryczne arkusze ceramiczne, metalową przednią pokrywę, metalową tylną pokrywę, metalowe arkusze elektrod i śruby wstępne. Jeśli chodzi o projekt, przednia pokrywa jest zwykle wykonana z lekkiego metalu, aby poprawić wydajność transmisji do przodu fal ultradźwiękowych, podczas gdy tylna pokrywa jest wykonana z metalu ciężkiego, aby zapewnić stabilność przetwornika.
(3) Materiały piezoelektryczne
Materiały piezoelektryczne można podzielić na dwie kategorie: nieorganiczne materiały piezoelektryczne i organiczne materiały piezoelektryczne. Wśród nich nieorganiczne materiały piezoelektryczne są dalej podzielone na kryształy piezoelektryczne (takie jak piezoelektryczne pojedyncze kryształy) i ceramika piezoelektryczna (materiały syntetyczne). Ceramika piezoelektryczna ma doskonałe właściwości mechaniczne, bezwładność chemiczną i prostą produkcję. Można je elastycznie przekształcić w różne kształty i rozmiary, a kierunek polaryzacji można swobodnie wybierać, co czyni je idealnym wyborem do produkcji przetworników. Z tego powodu ceramika piezoelektryczna była szeroko stosowana w dziedzinie przetworników.
Główne surowce do tworzenia ceramiki piezoelektrycznej obejmują tytanian baru, tytanian cyrkonianu i litowy niobate. Materiały te wykazują większą moc wytwarzania energii niż wiele naturalnych materiałów. Wśród nich ołowiany tytanian cyrkonianu (PZT) jest najczęściej używanym surowcem w produkcji ceramiki piezoelektrycznej. Jest syntetyzowany z ołowiu i cyrkonu w wysokiej temperaturze. Komercyjni producenci noża ultradźwiękowego, tacy jak Johnson i Johnson, zwykle używają ceramiki piezoelektrycznej PZT-8. Jednak różne firmy wybiorą materiały P8 o różnych parametrach wydajności (takie jak względna stała dielektryczna, strata dielektryczna i współczynnik sprzężenia elektromechanicznego) zgodnie z cechami ich własnych przetworników.
(4) Wyzwania techniczne
Na prędkość cięcia i krzepnięcia noży ultradźwiękowych ma wpływ wiele czynników, w tym efektywność konwersji elektroakustycznej przetwornika, mechaniczną stratę i wydajność transmisji falowodu ultradźwiękowego oraz stabilność wyjściową systemu ultradźwiękowego nożem. Poprawa podstawowych wskaźników przetwornika i zapewnienie, że energia ultradźwiękowa może być wydajnie i stabilnie przenoszona na końcówkę ostrza, jest kluczem do optymalizacji układu mechanicznego noża ultradźwiękowego. Wysoko wydajne piezoelektryczne materiały ceramiczne odgrywają istotną rolę w tym procesie.
Wysokiej jakości piezoelektryczne materiały ceramiczne powinny mieć wysoki współczynnik jakości mechanicznej, wysoki współczynnik piezoelektryczny, wysoki współczynnik sprzężenia elektromechanicznego, niską stratę dielektryczną i stabilną wydajność (takie jak stabilność temperatury i częstotliwości). Poprzez modyfikację domieszkowania, rozwój wielu składników i optymalizacja procesu przygotowania materiałów ceramicznych można osiągnąć drobną kontrolę właściwości materiału. Obecnie większość producentów decyduje się na zakup ceramiki piezoelektrycznej od producentów w kraju w kraju i za granicą, ale niektórzy producenci mają również możliwość rozwoju własnych badań.
3,3 Transformator amplitudy
W systemie wibracji ultradźwiękowych transformator amplitudy odgrywa istotną rolę. Ponieważ amplituda wibracji generowana przez promieniującą powierzchnię przetwornika ultradźwiękowego jest niewielka, zwykle przy częstotliwości roboczej 20 kHz, jej amplituda wynosi tylko kilka mikronów, co jest dalekie, aby zaspokoić rzeczywiste potrzeby. Dlatego wprowadza się transformator amplitudy, który może skutecznie wzmocnić prędkość przemieszczenia i ruchu cząstek wibracyjnych mechanicznych, skoncentrować energię ultradźwiękową na małym obszarze, a tym samym osiągnąć efekt zbierania energii. Ponadto transformator amplitudy działa również jako mechaniczny transformator impedancji, pasujący do impedancji między przetwornikiem a obciążeniem, aby zapewnić, że energia ultradźwiękowa może być skutecznie przenoszona z przetwornika do końca obciążenia.
3.4 Ultradźwiękowa głowa skalpel
Ultradźwiękowa głowica skalpelowa, kluczowy komponent, składa się z precyzyjnych elementów, takich jak uchwyt, pręt falowodu (tj., Shank) i rękaw. Wśród nich trzon jest rdzeniem głowy skalpela, a jej wybór materiału i poziom procesu są bezpośrednio związane z ryzykiem pęknięcia skalpela. Obecnie stopy tytanowe są preferowane ze względu na ich niską impedancję akustyczną, wysoką wytrzymałość na rozciąganie i lekką wagę, a stop TC4 (TI-6AL-4V) jest najlepszy wśród nich. Stop tytanowy TC4 ma nie tylko zalety zarówno stopów, jak i tytanu - doskonałej plastyczności i wytrzymałości cieplnej, ale także może działać przez długi czas w wysokości 400 stopni i ma doskonałą odporność na korozję wody morskiej. Ponadto jego proces produkcyjny jest prosty i można go wzmocnić poprzez spawanie, tworzenie się gorącego i zimnego, gaszenie i starzenie się, dzięki czemu trzon jest silny, jak i trwały. Jednak wysoki koszt importowanych materiałów stopu tytanu jest nadal wyzwaniem, a producenci aktywnie szukają krajowych alternatyw w celu zmniejszenia kosztów produkcji.
4.1 Kluczowe wskaźniki wydajności
W zastosowaniach klinicznych wskaźniki wydajności skalpels ultradźwiękowej zwróciły uwagę. Wskaźniki te obejmują takie aspekty, jak efekt zamknięcia naczyniowego, wydajność zamknięcia cięcia, zakres uszkodzeń termicznych, zdolność drobnego cięcia i separacji, siła zacisku i antyadhezja. Wśród nich efektywność cięcia i efekt zamknięcia naczyniowego są uważane za najbardziej podstawowe wskaźniki, które bezpośrednio wpływają na efekt chirurgiczny i bezpieczeństwo. Jednocześnie standardy branżowe i odpowiednie wytyczne zapewniają również jasne metody oceny i standardy dla tych wskaźników wydajności.
4.2 Powszechne problemy kliniczne
W zastosowaniach klinicznych stwierdziliśmy, że ultradźwiękowe produkty skalpelowe na rynku na ogół mają następujące problemy: po pierwsze, efekt krzepnięcia często nie jest idealny; Po drugie, tkanka miękka przy nacięciu jest łatwo uszkodzona przez ciepło, co powoduje, że nie jest normalne zamknięcia, uszkodzenie cięcia lub łamanie ostrza; Ponadto istnieje ryzyko, że w ciele może pozostać obce materiały, takie jak zrzucanie podkładki tkankowej lub wewnętrzne elementy zrzucania produktu. Problemy te występują z różnych powodów, zwykle związanych z skoordynowanymi pracami wielu komponentów ultradźwiękowego systemu skalpela. Oprócz niewłaściwego działania klinicznego wady techniczne lub procesowe dowolnego komponentu mogą wpływać na ogólną wydajność skalpela ultradźwiękowego.
W zastosowaniach klinicznych często stajemy w obliczu następujących zagrożeń związanych przez ultradźwiękowe produkty skalpelowe: po pierwsze, z powodu słabego efektu krzepnięcia, może wystąpić krwawienie pooperacyjne; Po drugie, tkanka miękka na nacięciu może nie być w stanie normalnie zamykać z powodu uszkodzeń termicznych, co może prowadzić do poważnych konsekwencji, takich jak awaria cięcia lub pęknięcie ostrza; Ponadto istnieje potencjalne ryzyko, że w ciele może pozostać obce materiały, takie jak oderwanie podkładki tkankowej lub
W zastosowaniach klinicznych często stajemy w obliczu następujących zagrożeń związanych przez ultradźwiękowe produkty skalpelowe: po pierwsze, z powodu słabego efektu krzepnięcia, może wystąpić krwawienie pooperacyjne; Po drugie, tkanka miękka przy nacięciu nie może być normalnie zamknięta z powodu uszkodzeń termicznych, co może prowadzić do poważnych konsekwencji, takich jak awaria cięcia lub zepsuty skalpel; Ponadto istnieje potencjalne ryzyko, że w ciele może pozostać obce materiały, takie jak odpadające podkładki tkankowe lub odpadające wewnętrzne elementy produktu. Istnienie tych zagrożeń wpływa nie tylko na efekt zastosowania klinicznego skalpeli ultradźwiękowych, ale także może zagrozić bezpieczeństwu pacjentów.
Dlatego w operacjach klinicznych musimy być szczególnie czujni w kwestii tych zagrożeń i podjąć odpowiednie środki zapobiegawcze, aby zapewnić bezpieczeństwo pacjentów i sprawny postęp w operacji.
