高頻電刀發(fā)展及臨床應(yīng)用的綜述

宋濤，田金，許鋒

北京大學(xué)第三醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程處，北京100191

高頻電刀發(fā)展及臨床應(yīng)用的綜述

宋濤，田金，許鋒

北京大學(xué)第三醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程處，北京100191

本文介紹了電外科設(shè)備高頻電刀在各歷史時(shí)期的演變與發(fā)展，并對(duì)高頻電刀的生物物理學(xué)基礎(chǔ)、類型進(jìn)行總結(jié)，最后分析了目前高頻電刀國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、質(zhì)量控制、存在的問題及未來發(fā)展趨勢(shì)。

電外科；高頻電刀；自適應(yīng)調(diào)節(jié)

1 高頻電刀發(fā)展歷史

灼燒法被視為高頻電刀治療的基本原理，其應(yīng)用到疾病治療最早可追溯到史前時(shí)代，那時(shí)人們利用加熱的石頭止血。20世紀(jì)20年代初，外科醫(yī)生們使用灼燒和通電流的方法對(duì)患者進(jìn)行治療，現(xiàn)在灼燒法已成為最普遍的應(yīng)用技術(shù)之一。植物生理學(xué)家William T.Bovie被視為高頻電刀之父。

18世紀(jì)初，電流逐步開始應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，Goldwyn圍繞著現(xiàn)代高頻電刀技術(shù)的發(fā)展闡述了三個(gè)時(shí)代[1-2]。第一個(gè)時(shí)代始于靜電的發(fā)現(xiàn)與使用，這個(gè)時(shí)代的時(shí)間表并不清晰；第二個(gè)時(shí)代，始于1786年Luigi Galvani偶然發(fā)現(xiàn)“電鍍”，這一發(fā)現(xiàn)和隨后的實(shí)驗(yàn)促使了“電生理學(xué)”的誕生[3-4]；第三個(gè)時(shí)代可追溯到1831年，其標(biāo)志為英國的Faraday和美國的Henry分別證明了在導(dǎo)線中移動(dòng)的磁場(chǎng)可以產(chǎn)生電流[5]。

19世紀(jì)，醫(yī)療逐步實(shí)現(xiàn)了電子化。1897年，F(xiàn)ranz Nagelschmidt研究發(fā)現(xiàn)，關(guān)節(jié)和循環(huán)系統(tǒng)疾病受益于電流在治療過程中的應(yīng)用[6-7]。他撰寫了一篇關(guān)于“電熱療法”的文章來闡述6年前d'Arsonval發(fā)現(xiàn)的熱效應(yīng)。1900年，巴黎內(nèi)科醫(yī)生Joseph Rivered在工作中獲得創(chuàng)新性發(fā)現(xiàn)[8]，當(dāng)他用類似于Nagelschmidt的發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流來治療一個(gè)失眠癥病人的時(shí)候，電極間的火花電弧使病人的皮膚凝固，最終他使用這種電弧電流治療了一個(gè)手部癌性潰瘍的病人，這是首例被記錄的使用高頻電流的外科手術(shù)案例。在隨后的十幾年里，人們普遍地使用電流來治療皮膚損傷、口腔和膀胱血管瘤、痔瘡的凝結(jié)等疾病[9]。

William L.Clark被人們稱作“美國電刀鼻祖”[10]。1910年，Clark在完全不知道歐洲在此領(lǐng)域成就的前提下，設(shè)計(jì)并制作了一臺(tái)新設(shè)備。這臺(tái)設(shè)備能夠產(chǎn)生高達(dá)3 A的電流，通過增加電流和減小電壓來產(chǎn)生熱量更大、時(shí)間更短的電火花，從而可以穿透更深層的人體組織。1914年，他用“干燥方法”描述由于脫水而使組織損壞、碳化而帶來的影響[11-12]。Clark成為第一個(gè)常規(guī)使用這種方法來去除皮膚、頭部、頸部、乳房和子宮頸惡性增生的美國人，自此開創(chuàng)了美國高頻電刀技術(shù)，推動(dòng)了該類技術(shù)的快速發(fā)展。

20世紀(jì)80～90年代，研究集中在確定電刀產(chǎn)生多余神經(jīng)肌肉刺激的根本機(jī)理上。根據(jù)d'Arsonval的研究，電流頻率在10 kHz以上不可能產(chǎn)生肌肉神經(jīng)刺激[13-14]。但許多研究者認(rèn)為，鑒于19世紀(jì)末期的生物物理學(xué)研究水平較低，d'Arsonval的研究結(jié)論可能并不完全正確[15-16]。事實(shí)上，隨后的研究表明，如果電流夠大，在更高的頻率條件下神經(jīng)肌肉刺激也會(huì)發(fā)生。有人發(fā)現(xiàn)高頻輸入信號(hào)整流引起低頻分量的產(chǎn)生，這些低頻分量能產(chǎn)生刺激；另一種理論認(rèn)為肌肉神經(jīng)刺激可能是一種熱效應(yīng)。至此為止，雖然電刀已經(jīng)在臨床上應(yīng)用了將近一個(gè)世紀(jì)，但是關(guān)于其基本原理仍存在很多爭(zhēng)議。

2 高頻電刀生物物理學(xué)基礎(chǔ)

電流在傳導(dǎo)時(shí)，流經(jīng)人體組織并對(duì)組織加熱。根據(jù)歐姆定律，電流可以通過在給定時(shí)間內(nèi)電子的流量來測(cè)量，電壓是相對(duì)電路中電阻的電動(dòng)勢(shì)[17]。在電刀中，電壓由電壓源提供，電流沿著電刀電極尖端傳輸?shù)饺梭w組織。所以人體組織的電阻是固有的，固有的電阻越大，電流留過人體所需的電壓也越大。此外，隨著越來越多的表面組織燒灼，電導(dǎo)率會(huì)下降，組織的電阻增加，為了讓電流穿透到組織以下就需要采用更大的電壓。電子與電場(chǎng)的調(diào)節(jié)定律與流體運(yùn)動(dòng)定律相似，電子在電場(chǎng)作用下移動(dòng)，總是尋找最小的路徑，就像水在地球萬有引力中的運(yùn)動(dòng)一樣。電壓源提供的電動(dòng)勢(shì)能夠驅(qū)動(dòng)電路中的電流，就像水泵可以泵水一樣。

高頻電刀需要一個(gè)閉合的回路使電流流動(dòng)。在一個(gè)不完整的回路中，電流將會(huì)流向地面[18]。1970年以前，電刀能量的流動(dòng)與大地相關(guān)。在這種情況下，病人本身就是潛在接觸地面的路徑，電流會(huì)選擇最小電阻的路徑。這可能導(dǎo)致電流流經(jīng)與人體接觸的負(fù)極墊或靜脈電極。當(dāng)接觸面的電流密度足夠大時(shí)，患者有灼傷的風(fēng)險(xiǎn)，這種潛在的危險(xiǎn)可以通過引入與地面隔離的發(fā)生器而消除。發(fā)生器可以提供一個(gè)低電阻的電流通路，從而限制了電極與病人回路電極間電流的流動(dòng)。隔離發(fā)生器電路示意圖，見圖1[19-20]。

圖1 隔離發(fā)生器電路示意圖

3 高頻電刀分類

電刀從能量傳遞的角度可以分為單極和多極兩類。Bovie電刀便是單極電刀，其通過有效電極尖端傳遞電流，此電流通過一個(gè)貼在病人身上的導(dǎo)電電極片穿過病人并返回發(fā)生器設(shè)備。雙極設(shè)備有一個(gè)類似手術(shù)鉗的雙極鑷子，在手術(shù)部位進(jìn)行操作時(shí)有效電極和返回電極分別起作用。雙極設(shè)備的能量傳遞僅限于鑷子間的人體組織而不會(huì)穿過整個(gè)人體。因此，計(jì)劃外電流的能量傳遞可以較少地?cái)U(kuò)散到患者其他部位[21]。

使用單極設(shè)備，電刀傳遞能量會(huì)增強(qiáng)，通過發(fā)射氬氣流可以改善大面積持續(xù)性出血的手術(shù)效果。在肝移植方面的發(fā)展使得氬氣流適用于大面積電凝、肝臟滲血、腹膜后以及膈肌表面等[22]。雙極設(shè)備已經(jīng)從應(yīng)用于組織凝血發(fā)展為可融合血管結(jié)構(gòu)的內(nèi)膜層。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)可以連接到電外科發(fā)生器，復(fù)雜的閉環(huán)反饋控制算法使得血管結(jié)構(gòu)的合并直徑達(dá)到7 mm。因此，外科醫(yī)生創(chuàng)建了一個(gè)“自體夾”來實(shí)現(xiàn)無縫合線、釘書針和傳統(tǒng)夾子的止血縫合，1998年，這種“血管密封器”裝置首次被介紹[23]。

4 應(yīng)用現(xiàn)狀

高頻電刀可應(yīng)用于各種傳統(tǒng)的外科手術(shù)，包括：脾切除術(shù)、甲狀腺切除術(shù)、肝臟切除、肺切除、痔瘡切除、胃切除、腎臟切除等。在不同手術(shù)中，應(yīng)用電刀進(jìn)行血管封閉都具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。Romano等人使用LigaSure血管閉合系統(tǒng)（Valleylab公司）對(duì)10例患者進(jìn)行腹腔鏡脾切除并取得良好效果，研究顯示出血轉(zhuǎn)化率為10%，低于其他相關(guān)研究結(jié)果，平均手術(shù)時(shí)間也明顯低于其他手術(shù)[24]。在使用LigaSure血管封閉系統(tǒng)進(jìn)行甲狀腺切除時(shí)，切口的長(zhǎng)度和手術(shù)的時(shí)間都可以顯著減少。LigaSure在肝切除術(shù)中也得到了成功的應(yīng)用，利用該系統(tǒng)進(jìn)行手術(shù)，切口表面最小失血量及失血后發(fā)病率和死亡率都可以得到良好控制[25]。

5 總結(jié)與討論

目前高頻電刀的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)為：盡量在功率不增高的前提下提高峰值電壓、降低電流。更高的峰值電壓可以保證更好的切割和止血效果，而且對(duì)組織的損傷更小；更低的電流和功率對(duì)患者的損傷更小，同時(shí)也保證了手術(shù)的安全性。此外，新的技術(shù)如極板監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)自檢、漏電控制、瞬間放電等系統(tǒng)逐步被研制以確保設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，這代表高頻電刀的技術(shù)對(duì)安全性的要求越來越高[26-27]。電外科是一個(gè)持續(xù)發(fā)展的領(lǐng)域。如今，高頻電刀采用閉環(huán)控制回路來調(diào)節(jié)輸出電壓和電流，以使得有效電極在不同阻抗的人體組織移動(dòng)時(shí)保持輸出功率恒定。其中“自適應(yīng)調(diào)節(jié)方法”的高頻電刀對(duì)于正在使用的傳統(tǒng)電外科設(shè)備是一個(gè)重要的改進(jìn)。高頻電刀在血管閉合和蛋白質(zhì)融合方面具有十分重要的作用，未來運(yùn)用更加優(yōu)化的電外科能量傳輸方法，可能會(huì)出現(xiàn)成功的肺軟組織和血管的縫合[22-23]。組織相互作用的持續(xù)研究表明了高頻電刀潛在的應(yīng)用發(fā)展空間，除了改進(jìn)切割和止血技術(shù)，利用高頻電刀進(jìn)行組織融合和消融也將逐步獲得應(yīng)用。

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Review of Development and Clinical Application of High-frequency Electric Knife

SONG Tao, TIAN Jin, XU Feng
Department of Medical Engineering, Peking University Third Hospital, Beijing 100191, China

This paper described the evolution and development of the high-frequency electric knife in each historical stage, and then summarized its biophysics basis as well as the type. Finally, the current development status of high-frequency electric knife at home and abroad, quality control, current problems and future development trend were analyzed.

electrosurgery; high-frequency electric knife; adaptive adjustment

R197.39

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.08.021

1674-1633(2016)08-0075-03

2016-04-21

許鋒，研究員，醫(yī)學(xué)工程處處長(zhǎng)。

通訊作者郵箱：xusteven@tom.com

1928年，高頻電刀開始商品化并迅速成為外科醫(yī)療中應(yīng)用最廣、使用價(jià)值最高的設(shè)備，高頻電刀發(fā)生器經(jīng)歷了火花放電、電子管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、大功率MOS管的演變。目前，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使電刀輸出功率的反饋調(diào)節(jié)更加精確。自適應(yīng)調(diào)節(jié)大大提高了設(shè)備的安全性和可靠性，成為高頻電刀發(fā)展的重要趨勢(shì)。