Evolucija hirurških alata može se opisati kao ep. Od drevne varvarske ere, kroz eru bakra i željeza, do rasprostranjene primjene vrhunskih tehnologija poput visokofrekventnih električnih noževa, ultrazvučnih noževa, laserskih noževa i protonskih noževa danas je promoviralo veliki napredak u operaciji. Brzina ovog razvoja je prekrasna.
Među mnogim hirurškim alatima, ultrazvučne skalpele se ističu sa svojim jedinstvenim prednostima. Ne samo da ima više funkcija kao što su rezanje, hemostaza, odvajanje i vuča, ali je takođe veoma pohvaljena i za njegove karakteristike kao što su brzo rezanje, manje krvarenja i manje dima. U hirurgiji je to poput viteza u oklopu, mahajući mačem u ruci da iskorijene bolove za pacijente.
Zatim ćemo u dubinski istražiti princip rada, kliničku primjenu, strukturu proizvoda i tehničke poteškoće ultrazvučnim skalpelima, kao i tehnološke inovacije i buduće smjerove. Nadam se da ćemo kroz ovo posebno istraživanje možemo imati sveobuhvatnije razumijevanje šarma ultrazvučnih skalpela i njihovog neophodnog položaja u hirurgiji.
Dr Kelman je 1967. godine razvio prvi ultrazvučni emulzifikacijski uređaj na svijetu s inovativom ultrazvučne energije. Ovaj probojni izum pruža snažnu podršku za liječenje rupture i emulgiranja očnih sočiva. Sa pojavom 1980-ih, aplikacija polje ultrazvučnih skalpela postepeno se proširila na industriju plastične hirurgije. 1992. godine dva američka klinička stručnjaka bila su dovoljno hrabre da se inoviraju i preuzeli vodeću ulogu u uvođenju ultrazvučnih proizvođača ultrazvučnog skalpela u ultrazvuku u laparoskopsku operaciju, čime se otvara širim tržišnim perspektivom za ultrazvučne skalpele u polju hirurškog operacija. Da bi se ispunili različite kliničke potrebe, pojavili su se različiti oblici ultrazvučnih proizvođačkih skalpela, poput mekih tkiva ultrazvučnih skalpela, ultrazvučnih paletih kostiju i ultrazvučnih emulgiranja usisnih skalpela. Ovaj će se članak fokusirati na uvođenje hirurškog mekih tkiva ultrazvučnih skalpela (skraćeno kao "ultrazvučni skalpels").
1.1 Princip pretvorbe energije
Osnovna funkcija ultrazvučnog napajanja je efikasno pretvoriti uobičajene električne signale AC u električne signale ultrazvučne frekvencije kao osnovu za proizvodnju energije. U ovom procesu pretvorbe, ultrazvučni pretvarač igra vitalnu ulogu. Nalazi se u ultrazvučnoj vibracijskoj jedinici i može dodatno pretvoriti ultrazvučnu frekvencijsku signale u visokofrekventne mehaničke vibracije. Nakon toga, kroz pojačavanje ultrazvučnog roga, glava noža može izlazna ultrazvučna frekvencija mehanička vibracija specifičnom amplitudom. Ova vibracija je ključ efikasnog rezanja i koagulacije ultrazvučnog noža.
1.2 Princip rezanja i koagulacije
Glava ultrazvučne oštrice vibrira se na određenoj frekvenciji. Kada dođe u kontakt sa ćelijama tkiva, tekućinu u ćelijama ispari, uzrokujući da se obveznice vodonika proteina razbijaju, uzrokujući da se ćelije raspadaju i ponovo osiguraju. Nakon toga, tkivo seče u koaguliranom stanju. U procesu rezanja krvnih žila, mehanička vibracija glave ultrazvučne oštrice u interakciji sa tkivom za generiranje toplote, čime se uništava strukturu kolagena u tkivu, postizanje ciklusa proteina i postizanje svrhe hemostaze.
(1) mehanički efekat
Pod djelovanjem ultrazvuka sa umjerenim intenzitetom zvuka, tkivo proizvodi elastičnu vibraciju. Kako se intenzitet zvuka povećava, kada mehanička vibracija tkiva prelazi njenu elastičnu granicu, prekršit će se ili pucati. Pri rezanje mekog tkiva, minimalna amplituda koja se zahtijeva hirurška glava oštrice iznosi 40 μm, dok je u osteotomiji, glava oštrice mora izvući amplitudu više od 100 μm.
(2) Termički efekat
Toplina je ključni faktor u postizanju koagulacije tkiva i hemostaza. To uključuje viskoelastičnu toplinsku energiju unutar tkiva i toplinu koju generira trenje između oštrice i tkiva.
(3) efekat kavitacije
Bubnjevi kavitacije generiraju visoku temperaturu i visoki pritisak u vrlo kratkom vremenu, dok oslobađajući snažne udarne valove i mlazeve, koji emulgiraju i fragmentiraju tkivo. Kada se kraj vibracije visokog frekvencije ultrazvučnog noža postavlja na mekane tkive kao što su masno tkivo i alveolarno tkivo, temperatura unutar mekih tkiva oko sečiva znatno će se povećati. Jednom kada temperatura dostigne tačku ključanja vode u ćeliju, voda u ćeliji će ispariti i povećavati zapreminu, uzrokujući rupturnu ćeliju. Velika količina plina objavljena nakon pupljenja ćelija pomaže proširiti tkivni sloj, što olakšava hiruršku operaciju u okviru koncepta "anatomije" membrane "modernih organa.
1.3 Upoređivanje različitih vrsta skalpela
Tokom operacije ključno je odabrati pravi skalpel. Zatim ćemo usporediti različite vrste skalpela, uključujući tradicionalne skalpele, laserski noževi, mikrovalne noževe i ultrazvučne noževe, kako bi vam pomogli da bolje shvatite njihove prednosti i nedostatke.
Iz perspektive kliničke primjene, ultrazvučni skalpeli rade dobro u mekoj rezanju tkiva, posebno u hirurškim scenarijima za koje je potrebna precizna kontrola krvarenja i minimizirane toplotne štete. Često se koristi za zatvaranje krvnih žila promjera 3 mm ili manje, a ponekad čak mogu podnijeti krvne žile promjera 5 mm ili manje. Međutim, za krvne žile s promjerom 5 mm ili više, ljekari obično koriste velike zatvaranje posuda, isječke za ugažavanje ili šavove za uvođenje. Pored toga, ultrazvučni skalpeli nisu prikladni samo za otvorenu operaciju, već se široko koriste u laparoskopskoj hirurgiji i igraju važnu ulogu u različitim operacijama u više odjela kao što su opća hirurgija, operacija glave i vrata.
Uobičajeni hirurški ultrazvučni proizvodi za skalpel uglavnom uključuju domaćin i razne dodatke. Među tim dodacima, pretvarač je ključna komponenta koja je odgovorna za pretvaranje električne energije u ultrazvučnu energiju. Ultrazvučna glava skalpela, kao dio koji direktno kontaktira tkivo, njegov dizajn pokriva ključne komponente kao što su ručka, valovodnica i kanila. Pored toga, prekidač stopala i ručni upravljački uređaj na glavi skalspel rade zajedno kako bi se postigla precizna kontrola izlazne energije domaćina.
Različite ručke ultrazvučne glave skalpela uključuju tipu stezaljke, vrstu zahvata i tipa makaze.
Standardna dužina ultrazvučnog šipke za nož obično je 23cm, 36cm ili 45cm. Pored toga, vrh sečiva ima različite morfološke strukture, poput višenamjenskih škara, zakrivljenih višenamjenskih škara, zakrivljenih skidanja, kuka za odvajanje i hemostatske kuglice. Ljekari mogu fleksibilno odabrati odgovarajuću ručku, dužinu sečiva i oštrica u skladu s specifičnim potrebama rada da se prilagode različitim vrstama operacija i pacijenata, poput pretilih pacijenata, laparoskopske hirurgije, laparotomije i površne operacije.
3.1 Ultrazvučni generator (domaćin)
Ultrazvučni generator, poznat i kao ultrazvučno napajanje, uređaj je posebno dizajniran za generiranje i prenošenje ultrazvučnih frekvencijskih signala na ultrazvučni pretvarač. Prema njegovom principu rada, ultrazvučni generatori mogu se podijeliti u dvije kategorije: analogni krugovi i digitalni krugovi. Trenutno, digitalni krug ultrazvučni generatori imaju dominantan položaj u praktičnim primjenama zbog odlične efikasnosti energije.
Kao osnovna komponenta ultrazvučnog sistema, performanse ultrazvučnog generatora direktno utječe na efekt rada cijelog sistema. Prema različitim principima rada, ultrazvučni generatori mogu se podijeliti u dvije kategorije: analogni krugovi i digitalni krugovi. Na današnjem tržištu, digitalni krug ultrazvučni generatori postali su glavni izbor zbog svoje izvrsne efikasnosti i stabilnosti energije.
Osnovni hardverski moduli digitalnog kruga ultrazvučnih generatora uključuju generatore signala, sklopove pojačala, krugove impedance i krugove za povratne informacije. Tijekom rada ultrazvučnog pretvarača neizbježno će se neizbježno pojaviti promjene impedancije, što uključuje dinamičko prilagođavanje veličine impedancije i rezonantne frekvencije. Da bi se osiguralo da opterećenje može dobiti maksimalnu snagu, impedancija napajanja mora biti u skladu sa impedancijom opterećenja. Stoga, ultrazvučno napajanje mora imati mogućnost praćenja operativne frekvencije ultrazvučnog pretvarača i izlaska signala napajanja odgovarajuće frekvencije u skladu s tim.
(2) Tehnički izazovi - adaptacija tkiva
Tokom operacije, zbog razlike teksture rezanog i koaguliranog tkiva, opterećenje će se dinamički promijeniti, što će uzrokovati promjenu radne frekvencije i izlazne amplitude ultrazvučnog pretvarača. Ako napajanje ne može na vrijeme pratiti frekvenciju da bi se dostigla rezonantna država, efikasnost pretvorbe energije pretvarača bit će značajno smanjena, što uzrokuje pregrijavanje pretvarača, što utječe na efikasnost operacije. Pored toga, nepravilna izlazna kontrola snage ultrazvučnog napajanja također će produžiti vrijeme koje je potrebno za ultrazvučno skalpel za rezanje tkiva i smanjiti efekt hemostaze. Stoga je frekvencija automatsko upravljanje praćenje tehnologije ultrazvučnog napajanja ključna za održavanje njegove stabilnosti.
Adaptacija tkiva, odnosno izlazne promjene s impedancijom opterećenja, je osnovna tehnologija ultrazvučnog domaćina napajanja. Uzimanje ultrazvučnog noža Johnson & Johnson kao primjer, njegov host sistem prihvaća režim rezanja i hemostaze na hemostazu, koji može automatski raditi različita tkiva s jednim gumbom bez potrebe za položajima zupčanika. Nakon pritiska na tipku, sustav će izlaziti tri energetska segmenata "visoko-niskog visokog" s vremenom. Metoda izlazne kontrole svakog energetskog segmenta je različita, a bit će inteligentno prilagođena u skladu sa impedancijom opterećenja prikupljenog u stvarnom vremenu. Ova tehnologija može pružiti podršku energiji kontinuirano, inteligentno i efikasno.
Nakon dugoročnog kliničke akumulacije i optimizacije, ultrazvučni nož Johnson & Johnson pokazao je bolje performanse od domaćih brendova.
3.2 Ultrazvučni pretvarač
Ultrazvučni pretvarač, kao jezgre ultrazvučne vibracijske jedinice, odgovoran je za efikasno pretvaranje ultrazvučne frekvencijske energije u visokofrekventnu mehaničku energiju. Ovaj proces dalje pojačava amplitudu i okuplja energiju kroz amplitudni štap, a konačno precizno prenosi energiju na glavu noža. Trenutno su glavni ultrazvučni pretvarači na tržištu mogu podijeliti u dvije kategorije: piezoelektrični pretvarači i magnetozivni pretvarači.
Uz popularizaciju piezoelektričnih keramičkih materijala, magnetostriktivni pretvarači postepeno su zamijenjeni piezoelektričnim ultrazvučnim pretvaračima i još se koriste samo u nekim posebnim poljima. Trenutno je piezoelektrični pretvarači postali glavni izbor na tržištu. Zatim ćemo istražiti temeljne principe i strukture piezoelektričnih pretvarača dubine.
(1) Radni princip piezoelektričnih pretvarača - piezoelektrični efekat
Kada su piezoelektrični materijali deformirani mehaničkim stresom, poseban raspored atoma u njihovoj reševima dovest će do pojave polarizacije i na taj način stvara mjerljivu potencijalnu razliku u cijelom materijalu koji se naziva pozitivnim piezoelektričnim efektom. Naprotiv, ako se napon nanosi na površinu piezoelektričnog materijala, materijal će biti deformiran električnim poljem, koji se naziva obrnuti piezoelektrični efekat. Veličina i smjer deformacije ovise o smjeru električnog polja, smjeru polarizacije materijala i načinu veze sa susjednom strukturom. To znači da piezoelektrični materijali imaju funkciju pretvaranja mehaničke energije u električnu energiju i pretvaranje električne energije natrag u mehaničku energiju. U ultrazvučnim skalpelima, ova karakteristika omogućava piezoelektričnim kristalima da efikasno pretvore električnu energiju u mehaničku energiju kroz inverzni piezoelektrični efekat.
(2) Strukturna analiza piezoelektričnih pretvarača
Zatim ćemo dalje razumjeti unutrašnju strukturu piezoelektričnih pretvarača.
Uzimajući sendvič piezoelektrični keramički ultrazvučni pretvarač kao primjer, njegove osnovne komponente uključuju piezoelektrične keramičke listove, metalni prednji poklopac, metalni stražnji poklopac, listove metalnih elektroda i prednapregnute vijke. U pogledu dizajna, prednji poklopac obično se izrađuje od lakih metala za poboljšanje efikasnosti prenošenja ultrazvučnim valovima, dok je stražnji poklopac izrađen od teške metala kako bi se osigurala stabilnost pretvarača.
(3) Piezoelektrični materijali
Piezoelektrični materijali mogu se podijeliti u dvije kategorije: anorganski piezoelektrični materijali i organski piezoelektrični materijali. Među njima je neorganski piezoelektrični materijali dalje podijeljeni u piezoelektrične kristale (poput piezoelektričnih pojedinačnih kristala) i piezoelektrična keramika (sintetički materijali). Piezoelektrična keramika imaju odlična mehanička svojstva, hemijsku inertnost i jednostavnu proizvodnju. Oni mogu biti fleksibilno napravljeni u razne oblike i veličine, a smjer polarizacije može se slobodno odabrati, čineći ih idealnim izborom za proizvodnju pretvarača. Iz tog razloga, piezoelektrična keramika široko se koristi u polju pretvarača.
Glavne sirovine za izradu piezoelektrične keramike uključuju barijum titanat, olovni cirkonirani titanat i litijum niobate. Ovi materijali pokazuju veću kapacitet proizvodnje snage od mnogih prirodnih materijala. Među njima je olovni cirkonirani titanat (PZT) najčešće korištena sirovina u proizvodnji piezoelektrične keramike. Sintetizira se od olova i cirkonijuma pod visokom temperaturom. Komercijalni proizvođači ultrazvučnog noža, poput Johnson & Johnson, obično koriste PZT-8 piezoelektričnu keramiku. Međutim, različite kompanije će odabrati P8 materijale s različitim parametrima performansi (kao što su relativni dielektrični konstantni, dielektrični gubitak i elektromehanički koeficijent spojnice) prema karakteristikama vlastitih pretvarača.
(4) Tehnički izazovi
Brzina rezanja i koagulacije ultrazvučnih noževa utječe mnogi faktori, uključujući elektroakustičnu efikasnost pretvarača pretvarača, mehaničkog gubitka i efikasnosti prenosa ultrazvučnog valovogvlada i izlazne stabilnosti sustava ultrazvučnog noža. Poboljšanje osnovnih pokazatelja pretvarača i osiguravanje da se ultrazvučna energija može efikasno i složiti na vrh sečiva ključ je za optimizaciju mehaničkog sistema ultrazvučnog noža. Piezoelektrični keramički materijali visokih performansi igraju vitalnu ulogu u ovom procesu.
Kvalitetni piezoelektrični keramički materijali trebaju imati visoki mehanički faktor kvalitete, visoki piezoelektrični koeficijent, visok elektromehanički koeficijent spojnog koeficijenta, nizak dielektrični gubitak i stabilne performanse (poput temperature i frekvencijske stabilnosti). Kroz modifikaciju doping, višekomponentni razvoj i optimizacija procesa pripreme keramičkih materijala može se postići fina kontrola svojstava materijala. Trenutno većina proizvođača odluči kupiti piezoelektričnu keramiku od uzvodnih proizvođača u zemlji i inostranstvu, ali neki proizvođači također imaju mogućnost razvoja vlastitog istraživanja.
3.3 Amplitudni transformator
U ultrazvučnom vibracijskom sustavu, amplitudni transformator reprodukuje vitalnu ulogu. Budući da je amplituda vibracija proizvedena zrakom površinom ultrazvučnog pretvarača mala, obično na radnoj frekvenciji od 20kHz, njegova amplituda je samo nekoliko mikrona, što je daleko od dovoljno da se susresti sa stvarnim potrebama. Stoga se uvodi Amplitudni transformator koji može efikasno pojačati raseljavanje i brzinu kretanja mehaničkih čestica vibracija, koncentrirati ultrazvučnu energiju u malom području i na taj način postići efekt prikupljanja energije. Pored toga, amplitudni transformator djeluje kao mehanički transformator za impedanciju, koji odgovara impedansu između pretvarača i tereta kako bi se osiguralo da se ultrazvučna energija može efikasno prenijeti iz pretvarača do kraja opterećenja.
3.4 Ultrazvučna glava skalpela
Ultrazvučna glava skalpela, ključna komponenta, sastoji se od preciznih komponenti poput ručke, valovog šipke (tj. Shunk) i rukava. Među njima je osovina jezgra glave skalpela, a njen materijalni odabir i nivo procesa izravno su povezani sa rizikom od loma skalpela. Trenutno su legure od titana za njihovu nisku akustičnu impedanciju, visoku zateznu čvrstoću i laku težinu, a TC4 (TI-6AL-4V) legura je najbolja među njima. TC4 Legura titana ne samo da nema prednosti i legure i titana - odlična plastičnost i toplotna čvrstoća, ali takođe mogu raditi i dugo vremena u 400 stepeni, a ima odličnu otpornost na koroziju morske vode. Pored toga, njegov proizvodni proces je jednostavan, a može se ojačati zavarivanjem, vrućim i hladnim oblikovanjem, gašenjem i starenjem, čineći osovinu snažnim i izdržljivim. Međutim, visoki troškovi uvezenih materijala od legure titana i dalje su izazov, a proizvođači aktivno traže domaće alternative za smanjenje troškova proizvodnje.
4.1 Ključni pokazatelji performansi
U kliničkim primjenama pokazatelji performansi ultrazvučnih skalpela dobili su široku pažnju. Ovi pokazatelji pokrivaju aspekte kao što su vakularni efekt zatvaranja, efikasnost zatvaranja, termički raspon oštećenja, fino rezanje i sposobnost za odvajanje, sila stezanja i anti-adhezije. Među njima se rezanje efikasnosti i tekularnog zatvaranja efekta smatraju najvažnijem indikatorom, koji direktno utječu na hirurški učinak i sigurnost. Istovremeno, industrijski standardi i relevantne smjernice također pružaju jasne metode evaluacije i standarde za ove pokazatelje uspješnosti.
4.2 Zajednički klinički problemi
U kliničkim aplikacijama otkrili smo da ultrazvučni proizvodi za skalpel na tržištu uglavnom imaju sljedeće probleme: prvo, efekt koagulacije često nije idealan; Drugo, meko tkivo na rez lako se oštećuje vrućinom, što rezultira nepoštivanjem normalno, rezanja kvara ili lopatice; Pored toga, postoji rizik da se u tijelu može ostaviti strane materije, kao što su prolijevanje tkiva ili unutarnje komponente prolijevanja proizvoda. Ovi problemi nastaju iz različitih razloga, obično se odnose na koordinirani rad više komponenti ultrazvučnog skalpelskog sistema. Pored nepravilnog kliničkog rada, tehnički ili procesni nedostaci bilo koje komponente mogu utjecati na ukupne performanse ultrazvučnog skalpela.
U kliničkim aplikacijama često se suočavamo sa sljedećim rizicima koje su donijeli ultrazvučni proizvodi za skalpel: prvo, zbog lošeg koagulacije, može doći do postoperativnog krvarenja; Drugo, meko tkivo na rez možda se ne može normalno moći zatvoriti zbog toplinske štete, što može dovesti do ozbiljnih posljedica poput prekida rezanja ili lopatica; Pored toga, postoji potencijalni rizik da se u tijelu može ostaviti strane materije, kao što su odvojenost tkiva ili
U kliničkim aplikacijama često se suočavamo sa sljedećim rizicima koje su donijeli ultrazvučni proizvodi za skalpel: prvo, zbog lošeg koagulacije, može doći do postoperativnog krvarenja; Drugo, meko tkivo na rez možda se ne može normalno zatvoriti zbog toplinske štete, što može dovesti do ozbiljnih posljedica poput neuspjeha rezanja ili slomljenog skalpela; Pored toga, postoji potencijalni rizik da se u tijelu može ostaviti strane materija, poput jastučića tkiva koji padaju ili unutarnje komponente proizvoda koji padaju. Postojanje tih rizika ne utječe samo na kliničku primjenu ultrazvučnih skalpela, ali također može ugroziti sigurnost pacijenata.
Stoga, u kliničkim operacijama moramo biti posebno budni u vezi s tim rizicima i poduzeti odgovarajuće preventivne mjere kako bismo osigurali sigurnost pacijenata i nesmetani napredak operacije.
