sotmsoe沈阳电外科原理

1、1 4.1电外科器械原理电外科器械(Electro-surgical Unit, ESU)，又称高频电刀或电刀，是一种利用高频电流生物组织效应的医疗仪器，用电刀来完成组织切开可以大大减少组织，对点也可实现快速有效的电流止血电凝。经过几十年的临床发展应用，电外科器械已经成为手术室的常规必备设备，现在已很难想象外科手术在没有电外科器械的情况下将如何开展。近年来伴随着外科技术的不断发展， 尤其是微创外科技术蓬勃发展，电外科产品的应用领域得到了全面的拓展，为微创技术的普及做出了巨大的贡献。电外科器械利用电流通过人体所产生的热效应，从而实现以电凝和电切为基础的手术应用。直流电通过人体在产生热效应的同时，

2、会导致组织内离子发生异常移动，造成组织功能紊乱。低频交流电（频率小于 20kHz）通过人体组织在产生热效应的同时，会对神经和肌肉造成刺激，造成肌肉的抽搐，当电流频率在 10-100Hz 范围内时，此刺激现象最甚。Thompson 和 dArson Vol 在实验中证实了高频电流经人体会产生热量，但不会引起电击和肌肉剌激。高频电刀的工作基准频率在 300kHz 以上，如此高的频率可以确保电流通过人体只产生所需利用的热效应，从而保证手术的安全性。用间歇放电产生的高频电流，最初用于长距离通讯。1901 年，芬兰人 Macarni第一次收到越洋的无线电信号。也就在这时，电外科器械开始了第一步。在二十世

3、纪最初的十年，火花放电电流己用来治疗损伤。二十世纪 20 年代世界上第一台真正意义上的电外科产品被应用到临床，从而开创了电刀应用的。早期的电刀还停留在对电火花放电利用的初级阶段，到 1952 年左右，逐步形成了今天所为大家熟悉的电外科技术，即高频正弦波电流流经人体产生的切割、凝固和烧灼作用。现今电外科器械已广泛应用于外科手术的各个领域，从最基本的手术无血切口，内脏组织块切除、切口止血，到肿瘤消融、大血管电结扎等最新应用；从普通外科、心胸外科，到妇科、泌尿外科、耳鼻喉科、骨科、神经外科等各科室；从普通外科手术，到微创外科手术甚至内科治疗领域。医院的许多部门：手术室、急诊室、门诊室、内镜室都能见到

4、高频电刀的身影。12 图 4.8 现代电外科产品常用的电外科器械就象手术刀一样进行切割，常被称为“电刀”。由于是使用高频电流来实现其功能，又常被称为“高频电刀”。高频电刀根据不同的手术需要预先设定了多种电流波形参数，以实现不同的应用功能模式。在每个模式下还可通过提供效果调节对输出作进一步细调。输出功率的设定是电刀的基本参数设定，电刀的最大功率一般不超过 400 瓦，常见的手术室用电刀最大功率在 300 瓦左右。现在，除常规的高频电刀外，电外科领域还有氩气刀和射频消融仪等新开发的技术应用。具有类似切割止血功能的还有超声刀等新兴手术设备。电刀切割止血的机制4.1.1电外科器械的作用基础是高频电流通

5、过组织而产生的热作用。这种热作用有选择性地由电外科器械的作用电极传导到需破坏的生物组织表面。医生利用这种组织破坏作用来实现切割和凝血。这种热作用受生物组织阻抗、电流密度和作用时间的影响。与作用电极相接触的人体组织相应点上电流密度很高，在局部区域上能产生足够热量，从而控制性地破坏组织。切割（Cutting）又称为电切，由于电外科器械作用电极的边缘尤如手术刀口，表面积较小，接触组织时，电流以极高的密度流向组织。组织呈电阻性， 在电极边缘有限范围内的组织的温度迅速而强烈地上升，微观上细胞内的液体温度迅速超过 100 摄氏度，水分爆炸性地蒸发从而破坏细胞膜，积聚的大量细胞被破坏，宏观上组织被快速地切开

6、。配合各种特殊设计的作用电极（刀头）， 电刀能用来切割各种类型的组织。相对于传统的手术刀，电刀电切的优势在于：切割进行的同时具有连续的凝固（止血）作用；不需医生施加过多的机械力。23 图 4.9 切割（左）和凝固（右）的原理示意图凝固（Coagulation）又称为电凝，当电流作用于组织而使组织温度较慢速（相对于电切）而有效地升高至 100 摄氏度左右时，细胞内外的液体逐步蒸发， 从而使组织收缩并凝固。在切割过程中被切断的小血管口，在电流的热作用下血管壁凝固收缩封闭，从而达到止血的效果。电刀快速有效的电凝作用，很大程度上取代了复杂的血管结扎，可以大大节省手术时间，简化手术操作。电刀有效的凝血可

7、以减少价格相对较高的凝血胶的使用，有效地降低手术成本。利用电凝使细胞凝固、蛋白质变性和组织失活的效果，可对增生的肿瘤组织实行电凝，达到治疗破坏的目的。根据作用机制，凝固又可分为烧灼(Fulguration)和干燥(Desiccation)。烧灼 是作用电极在不接触组织的情况下以作用周期较短（6-10%）的电流产生电火花来烧灼组织，由于作用周期短，可以使升温不致太快。干燥是作用电极以较大的接触面积直接接触组织，由于电流密度小，仅使细胞脱水而非破裂或气化。高频电流所产生的切割和凝固作用，两者是密不可分的。对高频电流波形的改变可以增加电流的切割作用从而减少凝固作用，相反地也可增加凝固作用而减少切割作

8、用。电刀的工作模式（不同的切割或电凝功能，常见的划分有： 纯切、混切、强力电凝、喷射电凝等）划分就是通过电流波形的改变人为地划分出电切或者电凝功能模式，在电刀上电切模式设定区域用黄色勾画，蓝色代表着电凝设置区域。 34电极与工作方式4.1.2电外科器械是一个高频能量发生器，通过高频电流将能量传导至靶组织， 常规电刀构成这一电流回路的方式通常采用双端方式，有两种：单极和双极。在高频情况下，单端也可以构成回路。4.1.2.1单极 单极技术在电外科应用领域最为常见，单极技术电流回路由发生器、作用电极、人体和负极板构成。发生器输出电流，通过作用电极将电流传导至人体靶组织，电流再通过负极板流回发生器。作

9、用电极因手术的不同而选用不同形状的刀头、切割针、切割环等。电极的作用面积相当小，从而使流过组织的电流密度很高，产生足够的热量，实际应用中通过调节输出功率、电流波形及电极和组织的接触程度来达到预期的效果。负极板（又称中性电极、扩散电极或病人板）的作用仅是提供发生器输出电流的回路，负极板上的电流强度与作用电极上的是一致的，因此负极板的面积需做得较大，以降低电流密度，从而避免出现热损伤。负极板从材质来分有金属平板和软性电极两种，软性负极板能保证负极板与病人的接触更为良好，不容易引起接触皮肤的过热烧灼。常见的软性负极板又有两种，可重复使用的硅胶负极板和一次性使用粘附型负极板。为了确保负极板使用的安全性

10、，软性一次性负极板已取得了主导地位。一般电刀都提供了对负极板贴敷的安全监测电路，以确保手术安全。分片式负极板把负极板的接触面分成独立的两块，通过仪器可以分别检测各自是否接触良好， 从而可以保证负极板有足够的接触面积，这使电刀对负极板的监测能力大大提高。4.1.2.2双极 双极技术顾名思义，电极集作用电极和负极于一体，电流由电极的一端流向靶组织，再由另一端流回发生器。在某些组织结构较为复杂的手术中，如脑外科手术，为了提高手术的安全性，减少电流在人体中流经的距离，必须选择使用双极技术。双极电凝镊子是最常见的双极电极，镊子的两端均具有电凝的作用。此外微创外科手术中常见的腹腔镜器械很多也采用了双极技术

11、，如双极电凝钳、穿刺电凝针等。双极技术最用的是双极电凝功能，而双极电切功能只有部分较高级的电刀才能提供，并需配合使用特殊设计的双极切割针等双极切割器械。单极技术的应用比双极技术更为广泛，单极电极更为灵活多样，操作更为45简单方便。而双极技术更加安全和精细，在神经外科和其他微创手术中较为常见。 (a) (b) (c) 图 4.10 几种电极的工作原理 (a)单极切割针 (b)双极电凝镊子 (c)双极切割针 4.1.2.3射频单端 在电流频率足够高的情况下，病人与周围空间和大地间因电容效应呈低阻抗，不用负极电极和电缆，而只用单个作用电极即可实现电外科作业，该技术被称为单端射频技术。由于没有专用的电

12、气回路，如果病人无意中与接地物体有导电性接触，那么这个触点就可能成为意外的电流通路，如果接触病人身体的面积很小就可能引起高密度电流烧伤。另外，病人与地之间的藕合电容是个变量，它随病人在房间中的位置、大小和其他因素而变化，可能会导致电外科器械功能不良。所以这种工作方式是电刀在实际使用中必须尽力避免的。4.1.2.4输出回路的安全考虑 由于电刀要将高频电流引入人体，有两方面的电安全问题要考虑，即低频电击和高频灼伤的防护。图4.11 所示的是高频电刀在不同工作方式的电流回路，从安全的角度考虑， 显然应该选用有固定电流回路的双端单极和双端双极的工作方式，但是必须防止在发生故障或误操作的情况下变成了单端

13、输出，因此电刀必须对负极板的连接状况进行监测，一旦发现接触不良，即刻停止工作，并发出报警。所以，如果没有接好负极板电刀是不能工作的。56图 4.11 高频电刀不同工作方式的电流回路 a 单极 b 双极 c 射频单端 选择合适的输出回路接地设计，也有助于防止这类危险。输出回路的接地方式主要有三种，即直接接地、参考接地和浮地(隔离)三种方式。直接接地的缺点是由于扩散电极（负极板）直接接地而致使病人直接接地，如果病人与其它电气装置相连，这个装置也有可能成为另一个接地通路，高频电流会经过这个电气装置而形成回路，造成意外伤害，而且这个接地通路也会成为低频市电电流的附加通路。所谓参考接地，是指输出回路通过

14、电容接地。对于高频电流， 这种类型与直接接地没有本质的不同，但可以限制 50-60Hz 市电电流以提高电安全性能。第三种输出方式是采用隔离输出回路，即输出回路不接地（浮地）， 可以较好地解决上述问题。目前绝大部分电刀采用浮地方式，同时某些高端电刀还能提供对高频漏电的检测报警。另外在作用电极的电缆中串联一个电容， 它能通过高频电流，但阻止低频电流通过，而低频电流可导致电击和神经、肌肉的电刺激。输出波形和发生器4.1.3电外科器械产生所需的电流波形由发生器产生，经放大、控制并传输给病人而起到治疗效果。电刀所能产生的不同切割和凝血效应是由不同的高频电流67波形所产生的。波形的基本调节包括电压的调节和

15、调制波占空比的调节。通过这两项参数的变化组合，实现了电刀上的不同工作模式。决定电外科器械的临床效果的因数有电极的几何形状、高频电流的幅度、波形形状和作用时间。实现切割的一个必要因素是电火花的产生，当带有大于 200V 电压的电极与组织之间的距离足够小时，火花即可产生。换句话说，当电刀电压输出低于200V 时，不足以产生电火花，将不具备任何切割作用。当电压从 200V 不断增加时，电火花的密度也随之增加，从而切割过程中组织被凝固的程度也越深。但当电压过大时，组织凝固将会过度，造成不必要的组织炭化和坏疽，同时造成电极和组织之间严重粘连。切割电流波形往往是没有调制或很少调制的正弦波，这种模式称为纯切

16、模式。在实际应用中，为了能减少在切割中组织的，采用电压相对较高，且经过一定调制的波形，这样的模式常被称作混切（切、凝相混合）。真空管和晶体管电路技术都同样能产生连续波，连续波的频率范围大约是 250kHz4MHz。常见的凝固电流是经过调制的正弦波，且峰值电压较高。这种调制的正弦波可以通过电子技术而获得。晶体振荡器产生的高频信号经功率控制及激励器、功率放大器放大，送至输出电路。而当处于凝血模式时，高频信号在激励器中受脉冲电路产生的信号的控制，成为间歇振荡波（图 4.12（b），再送到后级功率放大器。脉冲发生器产生的频率为脉冲信号，占空比的改变可通过凝固调制电路实现。通过占空比和电压的调节，常见的

17、电凝模式有快速有效的点状电凝、通过高压电离空气放电的面状电凝。也有特殊的电凝方式：通过峰值电压低于 200v 的非调制正弦波，实现一种没有火花，几乎无组织炭化和组织粘连的电凝，由于电压低组织炭化少，电流能源源不断地传导至较深部组织，可实现相对较深的电凝。这种电凝的速度相对较慢，双极电凝往往采用这种波形。在切割模式时，随着占空比的逐步减少而凝血效果逐渐明显，同时切割效果逐渐变差。在凝血模式时，占空比不超过 30%。峰值因数（Crest factor）是指峰值电压与平均电压之比，被广泛认为是决定切割和凝固的一个重要的因素， 但它不是唯一的决定因素。利用火花隙放电产生凝血波形已有很长的历史，典型的阻

18、尼振荡频率是 500kHz，波形谐波成分丰富，而且峰值因素特别高。火花隙式电刀的优点是止血效果非常好，其缺点是体积庞大，而且火花隙间隙的调整比较困难。78 (a) (b) 图 4.12 电刀输出电压波形 (a)用于纯切割的连续正弦波，(b)有止血作用的间歇振荡波 电外科的拓展技术4.1.4经过多年与临床紧密的联合发展，电外科产品的技术不断改进，以方便使用者的操作、改善输出效果、减少并发症，同时配合临床开发出了许多新的适应症。 4.1.4.1电刀输出控制技术 常规电刀的使用质量受三个因素影响：组织类型、电极形状和大小以及操作医生的切割深度和移动速度。电刀的电压输出受这三个因素的影响而剧烈波动，造

19、成输出效果的不稳定。一些高端电刀采用了实时监测反馈技术，对电刀输出的电流、电压、火花密度等参数高速采样反馈，迅速计算出一个合理的输出参数并加以对下一步输出智能调节，以确保组织效果稳定、安全且有效。常见的调节技术有电压自动调节技术和火花调节技术，确保在外界使用环境不断变化的情况下，电刀始终以有效且尽可能损伤小的效果输出，同时使高阻抗的水下或富脂肪区的切割也能顺利进行，即限制与补偿并行，这样电刀的输出可最大程度上不受上述三种因素的影响。如在初始切割阶段，由于电极与组织接触面积较大，为减少切割延时，额外的给出一个瞬间功率补偿，使得切割顺利进行，以避免由于电极在该切点过多地停顿而导致电流过多传导，造成

20、过度 热损伤。894.1.4.2氩气技术（APC） 氩气刀是电外科应用的一个重要拓展。传统电刀使用金属电极来传导高频电，而氩气刀利用氩等离子传导高频电产生止血或组织凝固作用。利用电刀所提供的高压电来电离氩气，使氩气这种常态下无色、无味的惰性气体电离形成能导电的蓝色氩等离子束。氩气刀由高频电发生器（电刀），氩气流量控制器和氩气电极（喷头）构成，高频电发生器提供电离所需的高压电，峰值电压可大于 10000v。氩气流量控制器负责控制和调节氩气流量以适应不同氩气电极和 图 4.13 氩气刀 原理示意图（上） 氩等离子束（下） 不同手术的要求。氩气刀是一种特殊的单极技术，通过氩等离子束来传导高频电有传统

21、电刀所不具备的特殊优势。在对点喷射凝固完成后，被凝固组织的阻抗相对于周围组织的阻抗要高，根据电流的特性，流动性的氩等离子910会自动流向那些低阻抗区域（点），这样凝固的面积就得到了扩大。同时电流不集中于一点传导，所以对组织的热损伤深度也得到了有效控制。氩气刀最初是被应用于普通外科手术的创面止血，氩气电极与组织非接触，可以快速移动，特别适合于手术中大面积渗血的止血。在 90 年代中期，氩气刀被引用到了内镜治疗领域，充分展现了这项技术无可比拟的优势。在消化道或呼吸道的治疗中（在内窥镜下使用特殊设计的氩气软喷管），氩气刀对组织损伤深度的有效控制意义重大，较浅表的治疗深度可以有效防止肠壁或气管壁的穿孔

22、， 大大提高了治疗的安全性。对于消化道或呼吸道肿瘤增生组织，同样可以通过氩气刀的凝固灭活来达到治疗的目的。在该领域氩气刀逐步取代了激光消融的地位，氩气刀相对于激光更经济高效，使用更简单更安全。4.1.4.3大血管的电结扎技术 电刀的常规凝血模式往往只能用来处理一些小血管的破裂，手术中对于大血管的处理只能采用传统的线结扎或使用较昂贵的钛夹。近年来少数厂家开发出了通过电流来闭合结扎大血管的新功能。它的工作原理是:用特殊设计的双极凝血钳夹合大血管，辅以特殊控制的低电压、高电流的脉冲波形，通过十几秒甚至几秒钟的电流传导，血管壁或组织形成一层白色透明凝固带，即实现了对最大 7 毫米直径血管的闭合（电结扎

23、），被这样特殊凝固的血管壁能耐受 46 倍的平均动脉压的冲击。在电结扎的过程中，通过对血管壁阻抗变化的监测， 在闭合完成后电刀可自动切断输出，避免血管壁的过渡电凝。电结扎技术的应用，可简化手术步骤，节约游离大血管的时间，减少缝线的等外部材料的使用，尤其对腹腔镜手术大血管的处理和组织止血意义重大。 (a) (b) 图 4.14 电结扎的原理示意图 10114.1.4.4双极盐水下电切技术（双极等离子） 高频电刀的应用中有两个常见而又较特殊的适应症：前列腺电切/气化（TURP/TUVP）和镜下子膜切除术（TCR）。运用特殊设计的高能切割模式，配合切割环在镜下糖水冲洗溶液中对增生的前列腺组织或子膜进行切除或气化，该工作环境要求电刀在水下高阻抗状态中能量输出维持在高水平，衰