高频电刀标准化试验平台与抗粘附手术电极的研制

发布时间：2020-05-01 01:04

【摘要】：高频电刀因其良好的切割效率和止血效果被广泛应用于临床外科手术,然而手术电极表面组织粘附问题严重制约其在微创手术领域的应用。尽管前期有研究提出一些抗粘措施,但大多缺乏对高频电场对组织颗粒的加速作用及电极表面的耐电弧烧蚀破坏能力的考虑,导致抗粘效果欠佳。因此,亟需从超疏水和耐电弧烧蚀的角度开展抗组织粘附手术电极的研究制备,推动高频电刀在微创手术领域的应用。本研究首先搭建了高频电刀标准化试验装置,对电外科手术切割过程进行了体外模拟;在此基础上,采用电沉积技术在304不锈钢表面探索制备了具备微纳结构的超疏水Ni-W-Cu涂层;基于体外电切割模拟试验,对比分析了304不锈钢电极、钨涂层电极和Ni-W-Cu钨合金涂层电极的切割效率和组织粘附行为,考察了Ni-W-Cu涂层在电外科手术工况下的抗组织粘附性。主要结果与结论如下:(1)通过程序化运行,高频电刀标准化试验装置可实现对组织切割速度、深度和长度的精确调控,从而降低试验过程中的人为误差,提高试验的可重复性。此外,本装置的力传感器能够对切割阻力进行实时测量,为电刀电极抗粘性能和切割效率的评价提供试验依据。(2)在电外科手术工况下,Ni-W-Cu涂层能有效抑制组织粘附。相较于304不锈钢电极及钨涂层电极,Ni-W-Cu涂层电极表面的组织粘附量可降低约40%,切割阻力最小。另外,由于Ni-W-Cu涂层表面锥柱状结构的尖端放电使得粘附组织呈多孔状,更易于去除。(3)随电弧烧蚀时间增加,Ni-W-Cu钨合金涂层表面的超疏水结构产生一定程度的破坏,但涂层表面接触角仍远大于304不锈钢电极和钨涂层电极,Ni-W-Cu钨合金涂层电极表现为疏水性,具有较好的耐电弧烧蚀性能。
【图文】：

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西南交通大学硕士研究生学位论文第2页并提出相应功能性表面的设计准则[11,12]。因此，针对电外科手术的特殊工况，以相应功能性表面设计准则为依据，开展新型抗粘附手术电极的研究，有望从根本上解决手术电极表面的组织粘附问题，提高手术质量，推动我国手术器械自主研制和医疗卫生事业的发展进程，具有重大的社会效益。1.2高频电刀1.2.1高频电刀概述自有记录的历史以来，能量便以各种形式应用于人类生活的各个方面。作为早期外科医生唯一可用的能量工具，热灼术成为了人类手术中能量器械的最初应用。据考古研究发现，早在新石器时代，就有烧灼术的使用[13]。随着人类社会的进步，电的发明为现代医学治疗带来了新的启示。高频电刀作为电力应用于现代医疗的典型代表，在临床上的应用已有近百年的历史。随着电力电子技术和半导体技术的进步，高频电刀发生器从火花塞放电、大功率电子管、大功率晶体管发展到今天的大功率MOS管，实现了对高频高压电流的精细控制，同时，控制理论与技术的发展，让高频电刀具备了对功率、波形、电压和电流的自动调节，程序化控制和故障检测，大大提高了设备本身的安全性和可靠性，简化了医生的操作过程。高频电刀主要由主机和电刀笔、负极板、双极镊、脚踏开关等配件组成的，如图1-1所示。主机主要由电源单元、振荡单元和功率输出单元组成，其功能主要是将普通交流电转换为高频高压电，并进行功率放大输出。图1-1高频电刀工作示意图[14]高频电刀主要有单极和双极两种工作模式，，如图1-2所示。单极模式主要用于组织切割和创面凝固止血，在工作过程中，主机产生的高频高压电流通过导线和电极作

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西南交通大学硕士研究生学位论文第3页用于目标生物组织，再经负极板和导线返回主机[14]。双极模式主要用于直径小于4mm的小血管和输卵管的封闭、凝血，通过使血管脱水而达到止血的目的，在工作过程中，电流仅通过双极镊子的两个尖端和尖端之间的生物组织，因此，作用范围小，对生物组织的损伤程度和损伤深度也要远小于单极模式，多用于脑外科、五官科、妇产科和显微外科等具有高精度要求的手术中[14]。图1-2单极电笔与双极钳1.2.2高频电刀工作原理高频电刀通过与目标生物组织接触时电极工作端产生的高频高压电流加热目标生物组织，实现对生物组织的分离和凝固，从而达到切割止血的目的[15]。人体组织中体液的占比约50～70%，其中含有各类分子和原子形式的带电粒子，阳离子如Ca2+、K+、Na+等，阴离子如S2-、Cl-等[10]。当高频电刀产生的高频高压交流电流经目标生物组织时，不断变化的极性（5×105Hz）赋予细胞内的带电粒子极大的动能，导致带电粒子快速振荡、摩擦生热，细胞受热膨胀、爆裂汽化，在这一过程中，实现了电磁能到机械能再到热能的转换[13]，即组织热效应。图1-3示出了温度对组织细胞的影响示意图，当组织的温度＜60℃时，细胞的结构发生肉眼无法察觉到的可逆性破坏；当局部的组织温度升至60~100℃时，蛋白质分子间的氢键被破坏，失去活性，同时，细胞膜发生热损伤导致细胞脱水，组织主要表现为凝固、萎缩、颜色变白，发生不可逆破坏；当组织温度超过100℃时，细胞内的水分迅速沸腾汽化，导致细胞破裂，并伴随有烟雾产生[16,17]。
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH777

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