生物组织的电切割损伤研究

吴飞，唐元梁，谭仲威，黄德群，顾珩，陈军，张雪莹，李桂香

1.广东省科学院 生物与医学工程研究所，国家医疗保健器具工程技术研究中心，广东省医用电子仪器及高分子材料制品重点实验室，广东 广州 510316；
2.广东工业大学 机电工程学院，广东省微创手术器械设计与精密制造重点实验室，广东 广州 510006；
3.广东省医疗器械研究所，广东 广州 510500；
4.广东省科学院 中乌焊接研究所，广东省现代焊接技术重点实验室，广东 广州 510650

术中出血是外科手术中的常见问题，高频电刀作为一种具有边切割边凝血的载能类手术器械深受外科医生青睐[1]。然而，使用过程中其手术电极表面易结痂，可能牵扯周围组织造成切口撕裂，形成二次伤害。同时表面结痂，还会影响手术电极整体电导率，造成切割阻力急剧增加，形成切割顿挫感，影响手术质量和安全性，且结痂量越大，意外切除生物组织越多，组织机械损伤越大。此外，电切割能量过大易造成切口组织过度热损伤，不利于患者伤口愈合；
而切割能量过小则不利于切割。目前，国内外学者针对高频电刀手术电极表面抗结痂展开了大量研究，但对于电切割损伤及其影响因素的研究较少[2-4]。

因手术电极的入切角度、入切深度、入切速率以及功率的不断变化，在保证切割凝血质量的同时，减少组织热损伤及表面粘附量、缩短患者愈合时间、提高手术效率是研究电刀电切参数影响的重点。栗云龙等[5]发现，电极表面组织粘附行为与切割方式和对象密切相关；
茹磊磊等[6]发现，组织电切割热损伤区域和程度随电刀功率增加呈非线性变化，同功率条件下组织损伤程度随组织与电极中心距离增加而减小；
付和林等[7]发现，手术电极表面的熔点及粗糙度会影响粘附物与电极间的结合强度；
李名高等[8]利用comsol建模发现，组织热损伤区域随加载电压、加载时间、组织电导率和电极倾斜角度增加而增加，电极入切深度和组织比热容增加则会减小热损伤区域，组织的导热系数对热损伤区域的影响较小；
郑靖等[9]研究发现，有显著交互作用的电刀功率和作用时间共同影响胰管的闭合效果，而电极前端直径是影响胰管封闭效果的独立因素；
Dubko等[10]模拟了0.9%氯化钠溶液冷却的两相介质在高频电流流动中的温度分布，得出电极表面与其接触生物组织表面不会过热，最大温度位于组织深处；
肖明等[11]发现，随着切割速率及功率增加，电刀对周围组织的热损伤加重。不同电极材料在热应力影响的情况下所产生的热形变量会影响高频电刀的重复使用性能。研究表明，选用304不锈钢材料作为电极材料时，心肌细胞由热应力所产生的热形变量最小，绝缘材料对电刀头产生的最大热应力影响较小[12]。因此，深入分析高频电刀的手术电极参数、电切割参数、待切割组织参数对生物组织电切割损伤的影响，对高频电刀和手术电极优化及其临床应用有重要意义。

实际手术中，医生会根据不同任务需求选用不同形状、尺寸手术电极，较小尺寸手术电极可提供较高电流密度，并在组织接触部位产生集中热效应[13]。研究发现，在相同的功率及同种组织上进行电切割，针状电极要比球状电极具有更大的加热效果[14]。然而国内外学者对手术电极形状对电切割损伤的影响鲜少研究。生物组织含水量及组织表面存在血液和组织液等对手术电极电切割过程中的阻力影响较大，电切割过程中阻力过大会导致医生操作时存在顿挫感，影响医生的操作舒适性。生物组织的导热系数很大程度上取决于组织含水量，组织的热力学参数会随温度变化，水的热物性也会随着温度的变化产生相应变化[15]。Harold等[16]发现，当生物组织超过100℃时，组织电导率随温度变化不大。不同类型生物组织有不同阻抗特性，会直接影响到电凝加热速度。通常来说脂肪组织以及骨组织电阻较大，而肌肉组织和皮肤电阻较低[17-19]。不同部位组织含水量差异，会引起组织与电极间的粘附力、电阻率和热传导系数的不同，间接造成电极表面焦痂粘附量、组织热损伤以及切割阻力增加的情况。

基于此，本文拟通过单因素实验，研究不同切割参数对生物组织电切割损伤的影响规律，分析手术电极形状对组织电切割性能以及组织含水量对切口质量的影响，以期为高频电外科设备、手术电极开发及医生更好地使用手术电极提供理论和技术参考。

体外电切割实验装置设计如图1所示，装置中高频电刀（GD350-B5，上海沪通电子有限公司）通过导线给手术电极输送能量，实验生物组织粘在负极板上，负极板、手术电极和高频电刀组成一个闭合回路。手术电极安装在六轴机械臂（C3，日本EPSON公司）上，机械臂通过电脑程序控制模拟医生手术操作，减少实验误差。力传感器（S型拉压力传感器AT8301，苏州欧路达自动化设备公司）与手术电极固定，使电切割阻力尽可能传递到传感器。实验生物组织放置在负极板上的实验工装内固定，最大程度减小电切割过程中生物组织变形产生误差。热电偶（K型探针式，三平五金设备有限公司）安插在工装盖预设的孔洞内固定，用来等距离测量电切割的温度情况。

图1 体外电切割实验装置图

为了探究电极形状对电切割损伤的影响，实验使用不同型号的手术电极（表1），电极形貌如图2所示。

图2 手术电极形貌

表1 手术电极型号

2.1 实验材料准备

猪里脊肉主要成分为肌肉组织，组成成分均匀，各项力学特性以及电阻特性与人体组织相近，而且容易获得。因此，本实验采用新鲜猪里脊肉组织进行实验。将大块的猪里脊肉切成100 mm×26 mm×30 mm的长方体，并尽量保证试验样品的表面平整，见图3a。为探究组织含水量的影响，将同一块新鲜猪里脊等切成8份，放在阴凉通风处进行不同时间的风干处理，并利用电热恒温干燥箱（202-00A，天津赛得利实验分析仪器制造厂）测量不同时间风干处理后猪肉的含水量，见图3b。

图3 实验材料准备

2.2 实验方法和评价指标

采用控制变量法进行单因素实验探究，研究电切割功率、入切角度、切割深度以及切割速率4种因素对电切割损伤的影响。由于粘附物质量和切割阻力越大，生物组织的机械损伤越大；
电切割温度越高，组织热损伤层深度越大，生物组织的生物损伤越大[20]。因此，实验以粘附物质量和切割阻力作为衡量电切割机械损伤的评价指标，以组织热损伤层厚度和临近组织温度作为衡量电切割生物损伤的评价指标。

2.3 实验参数设置

实验参数设置如表2所示，采用电子天平（ME204，瑞士METTLER TOLEDDO公司）测量实验前后手术电极重量变化，获得电极表面粘附量。将电切割后的猪肉块进行冷冻切片处理，然后将切片放于三目相差生物显微镜（CX23，日本OLYMPUS公司）下观察及测量组织热损伤层厚度，见图4a。4根热电偶等间距等深度安插在实验工装的盖板上，实时记录手术电极电切割过程中传导的温度情况。为尽可能采集到手术电极电切割阻力，力传感器安装在所设计的装置上，实时采集手术电极电切割过程中阻力变化。六轴机械臂可模拟手术电极与猪肉块成角度进行刃切，见图4b，实验重复3次，计算平均值和标准差作为实验结果。

表2 手术操作因素

图4 实验方法示意图

电外科手术切割肌肉组织常用的功率为30 W左右[21]，设置功率梯度为5 W，实验切割功率设置为25、30、35、40 W；
医生手持电刀进行切割操作时切割角度范围在0～90°，设置入切梯度角度为20°，入切角度为30°、50°、70°、90°；
切割速度为 3、5、7、9 mm/s进行研究。实验主要采用刀型手术电极，该电极的刀面长度为10 mm，设置3 mm的切深梯度，切割深度变量为3、5、7、9 mm；
组织含水量为随机取得，将实验组织块放在通风阴凉处进行不同时效存放，以获得68.3%、67.3%、50.2%、39.0%含水量的组织块；
实验设计的组织工装内切割槽长度在50 mm。单因素实验参数如表2～4所示。

表3 电极类型因素

表4 组织含水量因素

2.4 统计学分析

采用Origin 2017对本文数据进行分析和绘图。每种参数的实验重复3次取平均值作为实验结果，取实验结果的标准差作为误差棒。

3.1 电切割参数对组织切割损伤的影响

基于设计的体外电切割实验装置，通过改变电切割功率、入切深度、入切角度、切割速率，研究单因素改变对手术电极粘附物质量及切割阻力的影响以及对邻近组织温度及组织热损伤层厚度的影响，实验结果如图 5～6所示。

图5 电切割参数改变对粘附物质量及切割阻力的影响

图6 电切割参数改变对邻近组织温度及组织热损伤层厚度的影响

由图5a可知，随电切割功率增加，电极表面焦痂粘附量增加，变化范围在0.93～1.70 mg，35～40 W间增幅最大，超过76%；
随着电切割功率增加，电极电切阻力呈先增加后下降的趋势，在35 W功率后渐增。由图5b可知，随着电切割深度增加，手术电极与切口组织接触面积增加，碳化组织更易粘附在表面，粘附量变化范围在0.83～1.03 mg，最大增幅为4.65%；
入切深度增加会增加电极与组织间接触面积，导致刀面与组织之间摩擦力增加，增加电极切割阻力，变化范围在0.05～0.27 N。由图5c可知，随着入切角度增加，电极表面粘附量总体呈渐增趋势，变化范围在0.83～1.03 mg，最大增幅为16.28%；
随着入切角度增加电切割阻力呈下降趋势，范围在0.09～0.20 N。由图5d可知，随着切割速率增加，电极表面粘附物质量呈减少趋势，变化范围在0.8～1.3 mg之间，最大减幅为17.52%；
切割阻力随切割速率增加而增加，变化范围在0.024～0.152 N。

由图6a可知，随着电切割功率增加，手术电极传导至周围组织的温度渐增，切口面组织热损伤层厚度呈渐增趋势，范围在58.06～79.80 μm，最大增幅为22.23%。由图6b可知，其他因素不变，随着入切深度增加，电极传递到周围组织的温度渐减，切口组织热损伤量渐减，损伤层厚度范围在52.71～75.25 μm，最大减幅为19.09%。由图6c可知，在切割功率不变时，手术电极入切角度增加，电极传递到周围组织的温度总体呈现减小的趋势，切口组织的热损伤量先增大后呈现平缓趋势。由图6d可知，随着切割速率增加，邻近组织温度以及组织热损伤程度呈现下降趋势。其中，组织热损伤层厚度范围在39.82～94.17 μm，最大减幅为28.83%。

3.2 手术电极参数对组织切割损伤的影响

手术电极切割过程中切割刃越长，尖端放电频率越高，尖端放电瞬间产生大量热，汽化组织、碳化层组织质量较小，导电性较好。基于设计的体外电切割实验装置，研究改变电极接触刃面积对组织切割损伤的影响。实验接触刃面积大小关系：S球刃＜S针刃＜S刀刃＜S丝刃。如图7a所示，随着电极接触面积增加，电极表面焦痂粘附量呈先降低再增加的趋势，转折点在针型手术电极。如图7b所示，切口组织热损伤随着表面积增加呈先降低后增加的趋势，转折点在针型手术电极。如图7c所示，随着手术电极刃口面积增加，电切割阻力渐减。如图7d所示，随着电极切割刃面积增加，电极尖端放电程度增加，电切割温度上升。

图7 手术电极参数对切割损伤的影响

3.3 生物组织含水量对组织切割损伤的影响

生物活体阻值与自身含水量呈负相关关系，含水量越高，阻抗越小[20]。基于设计的体外电切割实验装置，研究生物组织含水量对组织切割损伤的影响。如图8a所示，随组织含水量增加，电极表面焦痂粘附量呈先增加后降低的趋势，含水量在67.3%～68.3%范围内减幅最大，减幅为61.08%；
随着生物组织含水量增加电切割阻力先减小后呈现持续增加的趋势。含水量在50.2%～67.3%阻力上升最快，增幅为14.41%。如图8b所示，随着生物组织含水量增加，电切割温度变化总体呈先逐渐降低再增加的趋势，且电切割温度在含水量67.3%～68.3%变化过程中，增加幅度最大。电切割温度变化趋势与切口组织热损伤变化趋势相同。

图8 生物组织含水量对组织切割损伤的影响

本文探究了高频电刀不同电切割参数、手术电极结构参数和生物组织含水量对生物组织机械损伤和生物损伤的影响。手术电极表面组织粘附量受电极表面温度影响较大，表面温度低于组织变性温度，刀头会扯下许多新鲜组织，粘附质量最大；
达到组织变性温度，组织固化结痂在电极表面较多，粘附质量较大；
温度过高，远超组织变性温度，会造成组织显著炭化，这种炭化组织粘性小，粘连更少[21]。

对电切割参数的研究结果表明，随着电切割功率增加，手术电极表面焦痂粘附量增加，电极电切阻力先增后降，在35 W后缓慢渐增。电切割功率增加使电极传导至周围组织的温度渐增，切口面组织热损伤层厚度成渐增趋势，热量积聚加剧了切口面组织热损伤，与肖明等[11]的研究结果一致。当其他因素不变时，随着电切割深度增加，电极传递到周围组织的温度渐减，切口组织热损伤量渐减。这是由于手术电极接触组织面积越大，电极释放的热量更易传递散播，减少了热量集中对组织损伤加剧，与李名高等[8]的研究结果一致。切割功率不变条件下，手术电极入切角度增加，电极传递到周围组织的温度总体呈现减小的趋势，切口组织的热损伤量总体呈现平稳的趋势。随着切割速率增加，邻近组织温度以及组织热损伤程度呈下降趋势，与肖明等[11]的研究结果相反。这是因为单位距离内电极热传导至周围组织的能量会随着移动速率增加而减少，速率增加直接导致切口热损伤程度降低。

对手术电极参数的研究结果表明，手术电极接触刃面积越大组织热损伤层厚度越大，表面粘附量越多。手术电极形状越尖锐，越不容易粘附结痂物，更加利于组织的切割，但是凝血能力有所下降。

对生物组织含水量的研究结果表明，随着组织含水量增加，电极表面焦痂粘附量先增后减，与Tixier等[20]的报道一致。同时，电切割阻力逐渐增大。这是因为组织电阻值减小，整个回路阻值降低，电极通过的电流量加大，导致电极表面发热量增加，组织炭化程度加剧。电极表面与切口组织面摩擦力增大，导致电切割阻力增加，具有一定顿挫感；
随着生物组织含水量增加，电切割温度和组织热损伤的变化总体趋势呈先逐减再增。

本文通过采用高频电刀、六轴机械臂、热电偶、力传感器、电子天平、三目相差生物显微镜等搭建生物组织电切割损伤测试系统，初步对生物组织在操作参数、刀具参数以及材料参数下的损伤变化规律进行了探究。结果表明，生物组织损伤与电极参数的选型、操作参数以及自身的含水量有关。这些研究规律的揭示对于高频电外科设备和手术电极研发优化，以及医生更好地使用手术电极、选用电外科手术参数有重要参考价值。

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