電刀功率對肌肉組織損傷影響的有限元分析

茹磊磊 鄭 靖 栗云龍 周仲榮

(西南交通大學材料先進技術教育部重點實驗室 摩擦學研究所， 成都 610031)

電刀功率對肌肉組織損傷影響的有限元分析

茹磊磊 鄭 靖*栗云龍 周仲榮

(西南交通大學材料先進技術教育部重點實驗室 摩擦學研究所， 成都 610031)

高頻電刀作為一種取代機械手術刀進行組織切割的電外科能量器械，已經在臨床上廣泛應用?；赑ennes熱力學方程，采用ANSYS Workbench，建立離體肌肉組織在電切模式下的熱力學損傷模型。在此基礎上，研究不同電刀功率下肌肉組織的損傷情況，分析電刀功率對肌肉組織損傷的影響。結果表明，隨著高頻電刀功率增大，組織損傷區(qū)域和損傷程度呈現非線性變化；隨著電刀功率從20 W逐漸增大到60 W，組織損傷區(qū)域僅發(fā)生局部變化，無顯著性增大，組織最高溫度從214 .4℃逐漸升高到301.7℃；當功率從60 W增大到70 W時，組織損傷區(qū)域顯著增大，組織最高溫度從301.7℃迅速升高到436.6℃，損傷顯著加劇。此外，在相同功率下，組織損傷程度隨著組織與電極中心的距離減小而增大，其中沿著和垂直于切割方向的組織溫度分別在距離電極中心±1.8 mm和±1.2 mm處急劇升高。研究結果有助于揭示電切模式下電刀功率與組織損傷之間的關系，為醫(yī)生在臨床手術時的操作規(guī)范提供重要理論依據。

高頻電刀；電極；組織損傷；電刀功率；有限元分析

引言

高頻電刀是一種取代機械手術刀進行組織切割的電外科能量器械，通過有效電極尖端產生的高頻(200 kHz～3 MHz)高壓電流與肌體接觸時對組織進行加熱，實現對組織的分離和凝固，從而起到切割和止血的目的[1-2]。自1927年哈佛大學William Bovie博士發(fā)明第一臺高頻電刀，并由Harvey Cushing博士第一次將其應用于臨床手術以來，該技術已有近百年的歷史[3]。與傳統(tǒng)手術刀相比，高頻電刀具有切割速度快、止血效果好、操作簡單、安全方便等諸多優(yōu)點，在臨床上采用高頻電刀可以大大縮短手術時間，減少患者失血及輸血量，從而降低并發(fā)癥及手術費用，并能在手術過程中對創(chuàng)口進行殺菌，極大地提高手術效率和手術成功系數，因此，高頻電刀在臨床上得到廣泛應用[4]。由于高頻電刀依靠電流通過組織時產生的熱量進行切割和凝血，當組織溫度超過組織壞死的臨界溫度時，組織就會產生非正常損傷。前期研究結果顯示，在相同的切割模式下，電刀功率、切割時間、冷卻循環(huán)等會影響組織的損傷程度和范圍，其中，電刀功率的影響最為顯著[5-6]。磨賓宇等采用高頻電刀電切模式對90例患兒進行不同功率下的扁桃體切除手術，通過對扁桃體創(chuàng)面進行顯微鏡觀察，考察了電刀功率在15～40 W范圍內變化時扁桃體熱損傷深度的變化情況[7]。陳春梅等通過在臨床手術中小幅度調整高頻電刀功率(15±1)W，研究了新生兒經腹手術中高頻電刀的適宜輸出功率[8]。總的來說，目前關于高頻電刀功率與組織損傷之間的關系研究主要采用臨床病例觀察或者活體實驗，個體差異、手術操作因素(手術時間、手術操作經驗等)等均會對研究結果造成顯著影響。此外，為了保證患者手術安全，臨床試驗過程中，電刀功率的選擇范圍通常也比較小。和臨床觀察相比，采用有限元分析研究高頻電刀引發(fā)的組織損傷可以很好的克服個體差異帶來的試驗誤差，而且能夠縮短研究周期和降低研究成本。因此，很有必要采用有限元方法系統(tǒng)研究電刀功率與組織損傷之間的關系，研究結果可以幫助醫(yī)生在手術過程中選擇最佳的電刀功率，從而減小組織損傷的區(qū)域和程度，提高手術成功率并降低手術風險，同時，還有助于縮短病人恢復周期，降低病人開支[9]。

筆者采用有限元分析方法，建立了離體豬肌肉組織在電切模式下的熱力學損傷模型，在此基礎上，研究了不同電刀功率下沿著和垂直于切割方向肌肉組織的損傷情況，分析了電刀功率對肌肉組織損傷的影響，為醫(yī)生在臨床手術時的操作規(guī)范提供參考數據。

1 方法

1.1 有限元仿真

1.1.1 三維有限元模型的建立

本研究采用Ansys公司研制的大型有限元分析軟件ANSYS Workbench 14.5版進行瞬態(tài)熱分析仿真。電切模式下電極切割肌肉組織的簡化模型如圖1所示，模型主要由肌肉組織和電極兩個部分組成。為了方便建立模型，對肌肉組織進行了簡化，將其定義為40 mm×60 mm×20 mm的長方體。電極部分按照手術時常用的刀型單級電極建立，電極插入組織5 mm且位于肌肉組織寬度方向的中心處。在建立實體模型的基礎上，利用有限元前處理模塊構建節(jié)點和單元，從而生成有限元模型。模型采用映射面網格劃分，在電極和肌肉組織接觸部分細化網格，整個模型共有63 401個節(jié)點，37 770個單元。

圖1 電切模式下電極切割肌肉組織的簡化模型Fig.1 Simplified model that electrode cuts muscular tissues in cut mode

對瞬態(tài)熱力學分析而言，材料的密度、比熱容和導熱系數是必不可少的3個熱力學參數。由于生物組織是非線性組織，而且其熱力學參數會隨著溫度變化，所以其參數很難通過試驗測得。因此，國內外相關研究對于生物組織的熱力學參數通常采用如下經驗公式進行計算：

kρ=1-4.98×10-4(T-20)

ρ(T)=1 000(1.3-0.3kρ·w)

kc=1+1.0.16×10-4(T-20)

c(T)=4 190(0.37+0.63kc·w)

kk=1+1.78×10-3(T-20)

k(T)=0.419(0.133+1.36kk·w)

(1)

式中，w是組織的含水量，T是組織的溫度，kρ、kc、kk分別是密度、比熱容和熱導率的溫度系數[10-12]。

本研究采用上述方法，對肌肉組織的熱力學參數進行賦值，其中w取0.7。電極材料為常用的醫(yī)用304不銹鋼，其成分主要為Fe、18% Gr、8% Ni以及其他一些合金元素，其熱力學參數直接從ANSYS Workbench材料庫中調取。

圖2 組織損傷區(qū)域實驗測試結果。(a)沿著切割方向；(b)垂直于切割方向Fig.2 Experimental test results of tissue lesion. (a) Along the cutting direction; (b) Perpendicular to the cutting direction

1.1.2 熱力學方程

目前大多數能量器械仿真都采用Pennes熱力學方程[13-15]。該方程于1948年由Pennes等提出，第一次將生物材料與一般的工程材料傳熱問題區(qū)分開來，為計算生物體溫度分布和進行傳熱分析奠定了基礎。Pennes方程的形式如下：

(2)

式中：Qb為血液灌注率項，由于本研究采用豬離體肌肉組織，而且是電切模式，不存在血液對熱量傳導的影響，故在此處可以忽略不計；Qm為代謝項，反映了局部代謝引起的化學能向熱能的轉變，同樣由于實驗對象為離體組織，故該項也可忽略不計；ρ、c、k為生物組織的密度、比熱容和導熱系數。

1.1.3 邊界約束與加載

高頻電刀在電切模式下進行手術時包含電阻發(fā)熱、熱傳導和熱對流等3個物理過程，整個過程中的熱源是由電阻發(fā)熱產生，并且包含5個傳熱過程：

1)肌肉組織內部熱傳導；

2)電極內部熱傳導；

3)電極與肌肉組織接觸處的熱傳導；

4)電極與組織未接觸部分的熱對流；

5)電極與組織接觸部分的熱對流。

熱源部分在ANSYS Workbench熱分析模塊中可以等效為內部熱生成載荷，該載荷是指在單位體積內所生成的熱量。通過測量流過電極與組織接觸部位的電壓和電流，以及電極與組織接觸部分的實際體積，得到施加在該部位的載荷值。施加在該模型的邊界載荷和約束如下：高頻電刀工作模式為電切，功率設定為20～80W ，電刀與組織未接觸部分的熱對流系數為5.0(W/(m2·℃))，電刀與組織接觸部分的熱對流系數為400(W/(m2·℃))，加載時間為10 s，外界溫度為22℃，電刀切入組織深度為5 mm，電刀切割長度為5 mm，電極寬度為2.26 mm。

1.2 體外模擬試驗

1.2.1 樣品制備及處理

試驗選用材料均來自同一屠宰場中雄性健康成年飼料豬。收集過程中選擇屠宰時間在2 h內且未經冷凍處理的離體豬肌肉組織，為了消除組織各部分成分的差異，試驗所采用的組織均為豬背部肌肉組織，以便于后續(xù)試驗的研究和對比。由于肌肉具有很大的收縮性和彈性，因此制作豬離體肌肉組織樣品時應先將其置于松弛狀態(tài)下，待其在自由狀態(tài)下放置5 min之后以消除其因外力所產生的變形，再對樣品進行切割制備，將其切割成約40 mm×60 mm×20 mm的長方體。

1.2.2 試驗數據測量及處理

2 結果

2.1 模型的有效性驗證

從國內外的研究和臨床應用中可以看出，組織發(fā)生損傷與加熱的時間和溫度有關[16]，如圖3所示。當組織損傷達到臨界點時將造成局部不可逆損傷-凝固性壞死[17]。由于本研究的加載時間為10 s，由圖3可以發(fā)現，本研究中的組織損傷臨界溫度為55～60℃，高于該溫度的區(qū)域即為組織損傷區(qū)域。

圖4示出了在給定的加載條件下，沿著和垂直于電刀切割方向的組織損傷示意圖，組織溫度隨著組織與電極中心的距離變化的關系曲線如圖5所示，其中，溫度高于55～60℃的區(qū)域為組織損傷區(qū)域。圖5中虛線表示組織在臨界損傷溫度時所對應的組織損傷區(qū)域，從圖中可以看出在沿著和垂直于切割方向上，組織損傷區(qū)域分別為±1.6 mm和±1.0 mm。體外模擬試驗顯示，豬離體肌肉組織在沿著和垂直于切割方向的實際損傷區(qū)域分別為±1.63 mm和±1.14 mm?？梢姡抡娼Y果和實驗結果基本一致，這表明本研究建立的有限元模型基本能夠反映物理實驗的真實性，可以進行后續(xù)組織損傷規(guī)律的相關研究。

圖3 組織損傷曲線圖[13]Fig.3 Graph of tissue lesion

圖4 組織損傷示意圖。(a)平行于切割方向；(b)垂直于切割方向Fig.4 Sketch of tissue lesions. (a) Along the cutting direction; (b) Perpendicular to the cutting direction

圖5 組織溫度隨著組織到電極中心距離變化的關系曲線(虛線表示組織在臨界損傷溫度時所對應的組織損傷區(qū)域)。(a)沿著切割方向；(b)垂直于切割方向Fig.5 Plot of tissue temperature changes with the gap of tissue away from the center of electrode (Dot lines indicate the damage area corresponding to critical damage temperature). (a) Along the cutting direction; (b) Perpendicular to the cutting direction

2.2 不同電刀功率下組織的損傷區(qū)域與損傷程度

圖6給出了不同功率下沿著切割方向的組織溫度分布剖面圖和組織溫度與電極中心距離的關系曲線，其中，圖6(a)中的淺藍色曲線(見電子版彩色圖)為55～60℃輪廓線，包圍的區(qū)域即為不可恢復的組織損傷區(qū)域。由圖6(a)可以看出，在不同的電刀功率下，肌肉組織的溫度均隨著組織與電極中心的距離減小而增大，肌肉組織上的最高溫度均出現在電極與組織接觸的中心部位。隨著高頻電刀功率增大，組織損傷區(qū)域和損傷程度呈現非線性變化；隨著電刀功率從20 W逐漸增大到60 W，組織損傷區(qū)域僅發(fā)生局部變化，無顯著性增大，組織最高溫度從214.4℃逐漸升高到301.7℃；當電刀功率從60 W增大到70 W時，組織損傷區(qū)域顯著增大，組織最高溫度從301.7℃迅速升高到436.6℃，損傷程度顯著加劇。由圖6(b)可見，沿著切割方向肌肉組織的溫度在距離電極中心±1.8 mm處急劇升高。需要指出的是，圖6(b)中的溫度曲線沿垂直軸線并不完全對稱，這是由于構建的模型要定義電極與肌肉組織的接觸，而接觸為非線性分析從而導致曲線不完全對稱。

圖6 不同功率下沿電極切割方向組織的溫度分布。(a)組織的溫度分布云圖；(b)組織溫度與電極中心距離的關系曲線Fig.6 Temperature distribution of tissues which along with the cutting direction at different powers. (a)Temperature contours of tissues; (b) Graph of gap between the tissue and electrode center

圖7給出了不同功率下垂直于切割方向的組織溫度分布剖面圖和組織溫度與電極中心距離的關系曲線。對比圖6、7可以看出，不同功率下垂直于切割方向的組織損傷區(qū)域與溫度分布曲線均呈現出類似于沿著切割方向的規(guī)律。需要指出的是，在相同功率下，垂直于切割方向的組織溫度在距離電極中心±1.2 mm處急劇升高。

圖 7 不同功率下組織垂直于電極切割方向的溫度分布。(a)組織的溫度分布云圖；(b)組織溫度與電極中心距離的關系曲線Fig.7 Temperature distribution of tissues which perpendicular to the cutting direction at different powers. (a) Temperature contours of tissues; (b) Graph of gap between the tissue and electrode center

圖8給出了不同功率下沿切割方向和垂直于切割方向肌肉組織損傷深度的試驗測試值和計算值。通過對比可以看出，不同功率下組織損傷深度的試驗值與計算值基本一致。試驗值和計算值均表明，隨著電刀功率從20W增大到60 W，組織損傷區(qū)域僅發(fā)生局部變化，無顯著性增大，當功率從60 W增大到70 W時，組織損傷區(qū)域顯著增大，損傷顯著加劇。

圖8 不同功率下組織損傷深度的實驗值和計算值。(a)沿著切割方向；(b)垂直于切割方向Fig.8 Comparison of experimental and calculated values of tissue lesion depth at different powers. (a) Along the cutting direction; (b) Perpendicular to the cutting direction

圖9給出不同功率下組織最高溫度所對應的導熱系數?？梢钥闯?，當電刀功率從20 W增加到60 W時，組織的導熱系數呈線性變化；當電刀功率增大到60 W以上時，組織的導熱系數急劇增加。

圖9 組織的導熱系數隨高頻電刀功率變化的關系曲線Fig.9 The plot of relationship between heat conductivity coefficient of tissues and power setting of electrosurgical unit

3 討論

在臨床手術過程中醫(yī)生使用高頻電刀切割組織時，熱源是在電極與組織接觸處產生的。從圖6、7可以看出，在電切模式下切割組織，組織的損傷程度和損傷區(qū)域與電刀功率密切相關，隨著電刀功率增大，不僅組織的損傷區(qū)域逐漸增大，而且組織的溫度也逐漸升高，這就意味著組織的損傷程度可能加劇。需要指出的是，雖然組織的損傷區(qū)域和損傷程度均隨電刀功率增大而增大，但是二者均呈現非線性變化。當電刀功率低于60 W時，隨著電刀功率逐漸增大，組織損傷區(qū)域僅發(fā)生局部變化，無顯著性增大，組織最高溫度從214 .4℃逐漸升高到301.7℃；當電刀功率高于60 W時，組織最高溫度隨著電刀功率增大顯著升高，組織損傷區(qū)域也明顯增大，顯然，組織的損傷程度顯著加劇。

通常，導熱系數是物質導熱能力的量度。在電切模式下采用電刀切割離體豬肌肉組織時，組織的導熱系數越高，從電極表面向周圍組織傳遞的熱量就越多，組織的損傷區(qū)域就越大，損傷程度也越嚴重。圖9給出不同功率下組織最高溫度所對應的導熱系數?？梢钥闯?，隨著高頻電刀功率增大，組織的導熱系數不斷增加，這表明組織的損傷區(qū)域和損傷程度不斷增大；當電刀功率低于60 W時，組織的導熱系數隨著電刀功率增大緩慢增大，因此，組織的損傷區(qū)域僅發(fā)生局部變化，無顯著性增大，損傷程度緩慢增加；當電刀功率高于60 W時，隨著電刀功率增大，組織的導熱系數顯著增大，從而導致組織的損傷區(qū)域顯著擴大，損傷程度明顯加劇。可見，醫(yī)生在使用電切模式進行手術時，在滿足手術要求的前提下電刀功率應盡量選擇20～60 W。此功率范圍內對手術部位造成的損傷區(qū)域較小，損傷程度較輕，有利于減少病人的術后康復周期。

另外，圖6(b)和圖7(b)顯示，在相同功率下，沿著和垂直于切割方向的組織溫度分別在距離電極中心±1.8和±1.2 mm處急劇升高。這說明在靠近切割部位存在一個特定區(qū)域，切割所產生的熱量無法有效傳導出去，從而導致組織溫度顯著升高，該特定區(qū)域的存在會對組織損傷產生顯著影響。目前，帶噴水裝置的高頻電刀已經應用在臨床上，它是借助循環(huán)冷卻水來降低電極附近的組織溫度，減輕組織熱損傷。根據本論文的研究結果，在設計高頻電刀時，應該將循環(huán)冷卻水噴射到組織溫度急劇升高的區(qū)域內，這樣可以有效地通過冷卻水蒸發(fā)帶走電極切割組織時產生的熱量，從而減輕接觸部位的組織損傷。

本研究采用離體豬肌肉組織作為研究對象，在計算過程中忽略了血液灌注率和代謝項對組織損傷的影響。此外，由于國內外文獻關于肌肉組織焓值的報道較少，多是給出一個較大的取值范圍，因此，本研究的傳熱模型(見式(2))沒有對相變項予以考慮。高頻電刀在手術過程中產生的高溫必然導致組織中的水分汽化，從而產生相變，為了補償相變對計算結果的影響，本研究在建立肌肉組織熱力學損傷模型的過程中，通過調整有限元模型的對流系數，使計算結果與試驗結果趨于一致，這在一定程度上補償了相變對計算結果的影響。下一步研究將針對相變問題對計算模型進行進一步改進和完善，并考慮血液灌注率和代謝項對組織損傷的影響，分析活體組織的損傷規(guī)律。

4 結論

本研究采用有限元分析法，建立了電切模式下使用高頻電刀電極切割離體豬肌肉組織時組織的熱力學模型，在此基礎上，考察了不同的電刀功率下組織的溫度分布，分析了電刀功率對肌肉組織損傷的影響規(guī)律。為了驗證模型的有效性，將電刀在40 W功率下的有限元分析結果和實驗結果進行了比較，發(fā)現仿真結果和實驗結果基本一致，這說明該有限元模型基本能夠反映物理實驗的真實性，可以進行后續(xù)組織損傷規(guī)律的相關研究。有限元仿真計算結果表明，隨著高頻電刀功率增大，組織損傷區(qū)域和損傷程度呈現非線性變化；隨著電刀功率從20 W逐漸增大到60 W，組織的損傷區(qū)域僅發(fā)生局部變化，無顯著性增大，組織最高溫度從214.4℃逐漸升高到301.7℃；當電刀功率從60 W增大到70 W時，組織損傷區(qū)域顯著增大，組織最高溫度從301.7℃迅速升高到436.6℃，損傷顯著加劇。在相同功率下，組織在沿著電刀切割方向和垂直于切割方向兩個方向上的損傷程度均隨著組織與電極中心的距離減小而增大，其中，沿著和垂直于切割方向的組織溫度分別在距離電極中心±1.8和±1.2 mm處急劇增大。研究結果有助于揭示電切模式下電刀功率與組織損傷之間的關系，為醫(yī)生在臨床手術時的操作規(guī)范提供重要理論依據。

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Finite Element Analysis on Effect of Power of Electrosurgical Unit on Lesions of Muscular Tissue

Ru Leilei Zheng Jing*Li Yunlong Zhou Zhongrong

(TribologyResearchInstitute,KeyLaboratoryofAdvancedTechnologiesofMaterials,MinistryofEducation,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)

As an electrosurgery energy device, electrosurgical unit has been widely used in clinical practice to cut tissues. In this paper, based on Pennes thermodynamic equation, a thermodynamics lesion model ofinvitroporcine muscle tissue in cut mode was first established using ANSYS Workbench. And then the lesions of muscular tissue at different powers of electrosurgical unit were analyzed, aiming to reveal the effect of electrosurgical unit power on tissue lesions. Results showed that with the power of electrosurgical unit increasing, the area and extent of tissue lesion changed nonlinearly. As the power was gradually increased from 20 W to 60 W, only local variation instead of significant increase occurred to lesion area. And the highest temperature in tissues increased from 214 .4℃ to 301.7℃. As the power was increased from 60 W to 70 W, the lesion area increased significantly, and the highest temperature in tissues increased rapidly from 301.7℃ to 436.6℃. Obviously, the extent of tissue lesion aggravated remarkably. In addition, with the gap between the tissue and electrode decreasing, the extent of tissue lesion was aggravated. The temperature in tissues increased sharply about ±1.8 mm away from the center of electrode along the cutting direction, while the temperature increased sharply about ±1.2 mm away from the center of electrode perpendicular to the cutting direction. The results would help to reveal the relationship between the power of electrosurgical unit and tissue lesions in cut mode, and then provide valuable insights into the clinical application of electrosurgical unit.

electrosurgical unit; electrode; tissue lesion; power; finite element analysis

10.3969/j.issn.0258-8021. 2016. 02.007

2015-03-06， 錄用日期:2015-12-18

國家自然科學基金(51290291)

R318

A

0258-8021(2016) 02-0169-08

*通信作者(Corresponding author)， E-mail: zhengj168@163.com