不銹鋼電極電切性能及表面粘附行為研究

肖明，胡樹兵

華中科技大學(xué) 材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢市，430074

0 引言

高頻電刀具有切割快、操作簡單、可減少患者術(shù)中失血量，相較于激光刀、超聲刀等電外科手術(shù)器械，具有成本低廉，適用范圍更廣的優(yōu)點(diǎn)，在臨床手術(shù)中已經(jīng)得到了廣泛的使用[1-3]。高頻電刀主要由高頻電源主機(jī)、電流回路、工作電極和負(fù)極板幾部分組成，其工作原理主要是利用高頻電流流經(jīng)目標(biāo)組織后，組織中帶電粒子發(fā)生劇烈震蕩使溫度升高，使得組織發(fā)生氣化和凝固的現(xiàn)象，從而達(dá)到電切的目的。

目前對高頻電刀的研究基本集中在高頻電源設(shè)計(jì)和使用安全性等方面[4]，針對于電刀電切性能和表面粘附現(xiàn)象這方面研究較少，臨床醫(yī)生術(shù)中的操作標(biāo)準(zhǔn)主要依靠臨床病例觀察或者活體實(shí)驗(yàn)得出，使得不同操作者的操作方式（切割速率、切割功率等）存在差異，不利于實(shí)現(xiàn)最佳的手術(shù)效果。在工作過程中，電刀對周圍正常組織有熱影響，且汽化的組織會(huì)粘附在電極的表面，會(huì)發(fā)生切不動(dòng)、粘附物對正常組織造成扯傷等二次傷害等現(xiàn)象，通常需要增大輸出功率、更換刀頭或者是對刀頭進(jìn)行清理后繼續(xù)手術(shù)，嚴(yán)重影響了手術(shù)的進(jìn)程，延長了手術(shù)時(shí)間，手術(shù)效果低[5]。

本試驗(yàn)利用自主研發(fā)的X-Z兩軸聯(lián)動(dòng)設(shè)備上進(jìn)行電切試驗(yàn)，對電切過程中電切性能進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果有助于總結(jié)和掌握電切過程中的基本規(guī)律和揭示高頻電刀工作過程中電刀表面粘附物形成過程及粘附機(jī)理，對高頻電刀的發(fā)展和臨床手術(shù)有一定的指導(dǎo)作用。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所使用的電切對象為正規(guī)商戶購買的豬里脊肉，試驗(yàn)前將購買的里脊肉切割成10×5×2 cm3的塊狀試樣，便于后續(xù)電切試驗(yàn)與現(xiàn)象的觀察，切塊后用超純水清洗豬里脊肉表面，并置于通風(fēng)櫥風(fēng)干表面水分，完成切割對象的準(zhǔn)備工作。

電極材料為目前廣泛使用的304不銹鋼電極，電刀形狀為扁刀型，電切示意圖如圖1所示。

圖1 高頻電刀試驗(yàn)裝置Fig.1 Electrosurgical unit testing device

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備

電切試驗(yàn)選用LBS-G21-J高頻電刀的純切模式；操作設(shè)備選用X-Z兩軸聯(lián)動(dòng)設(shè)備，控制切割深度和移動(dòng)速率的效果；利用紅外熱成像儀記錄電極溫度；借助傅立葉變換顯微紅外和場發(fā)射掃描電子顯微鏡對粘附物成分及粘附物-基體界面分析；利用如圖2所示的測量裝置測量粘附物與電刀之間的粘附力，測量裝置與粘附物之間利用結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行連接。

圖2 粘附力測量裝置Fig.2 Adhesion force measuring device

1.3 試驗(yàn)方法

為了得到明顯的變化趨勢，試驗(yàn)用大功率對豬里脊進(jìn)行切割，試驗(yàn)參數(shù)涉及：電切深度5和10 mm，切割功率40 W、60 W和90 W；切割速率1 mm/s、5 mm/s和10 mm/s，每組重復(fù)3次取平均值進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 電切速率對電極溫度的影響

圖3是功率為40 W，切深為5 mm，1 mm/s、5 mm/s和10 mm/s三個(gè)切割速率下紅外熱成像的溫度值。電刀工作部位溫度均超過100oC，最低為125.3oC，隨著切割速率的增加達(dá)到165.5oC。分析認(rèn)為在電切中，電極熱量主要來源有電弧放電熱、電阻熱以及與豬里脊的熱輻射，由于電弧放電溫度較其它兩種方式高，為熱量的主要來源。切割速率增加使單位時(shí)間內(nèi)電切量增大，電極表面起弧點(diǎn)數(shù)量增加，熱量不斷積累導(dǎo)致電極溫度上升。5 mm/s速率比較接近日常使用且溫度較低，作為后續(xù)試驗(yàn)的移動(dòng)速率使用。

圖3 切割速率與電極溫度Fig.3 Cutting rate and electrode temperature diagram

2.2 電切功率對熱損傷和粘附組織的影響

功率為40 W，切深為5 mm，不同功率電切后組織宏觀形貌如圖4所示，將切痕寬度+熱損傷區(qū)域（邊緣組織中白亮部位）作為損傷寬度，利用Photoshop軟件對圖4中的傷痕寬度進(jìn)行測量，結(jié)果繪制曲線如圖5所示。從結(jié)果中可以看到，熱損傷寬度隨著電切功率的增加而增加，但增幅有緩慢降低的趨勢，結(jié)合切口形貌分析，認(rèn)為在功率增加的時(shí)候，電極放電能力增強(qiáng)，可以擊穿更厚的空氣膜，導(dǎo)致創(chuàng)口變寬，電極溫度隨功率的增大而升高，有更多的熱量散失到周圍的組織，導(dǎo)致熱損傷區(qū)域（圖中白亮位置）增大。

圖4 電切后組織表面形貌Fig.4 Microstructure surface morphology after electrosection

圖5 不同功率對組織熱損傷寬度曲線Fig.5 Thermal damage width curves of tissues at different power levels

2.3 粘附物特性及粘附現(xiàn)象分析

圖6是工作后電極的典型形貌，電極粘附物從上到下分為黃色焦痂、灰色焦痂和黑色焦痂。A、B和C區(qū)紅外分析結(jié)果見圖7中的(a)、(b)和(c)圖。

圖6 典型的電極表面形貌Fig.6 Typical electrode surface morphology

圖7 A、B和C三個(gè)區(qū)域紅外光譜圖Fig.7 Infrared spectra of three regions A、B and C

特征峰位說明兩個(gè)區(qū)域的物質(zhì)不一樣，圖7(a)含有-CH2-的C-H對稱伸縮振動(dòng)、-CH-面內(nèi)彎曲振動(dòng)和-CH-面外彎曲振動(dòng)等有機(jī)物簡單的特征峰；圖7(b)有3 270.1 cm-1對應(yīng)的N-H、1 644.85 cm-1和1 516.12 cm-1對應(yīng)的蛋白質(zhì)酰胺的伸縮振動(dòng)，說明灰色焦痂存在氨基酸、蛋白質(zhì)和酯類，而灰色則來源于高分子碳化后形成的碳元素。圖7(c)特征峰更多，說明c位置官能團(tuán)更豐富，信息更復(fù)雜。說明電極表面不同區(qū)域粘附物顏色變化是由于粘附物性質(zhì)發(fā)生了變化導(dǎo)致[7]。

電切中產(chǎn)生的煙霧顆粒表面形貌如圖8所示，主要由圓球狀和扁圓狀兩種形狀組成，粒徑為20 μm左右。能譜分析表明顆粒含有C、O、P、Na、K等蛋白質(zhì)、脂肪和鹽的組成元素，說明白色煙霧顆粒來源于電切中破裂的組織，電切過程中細(xì)胞液汽化使細(xì)胞破碎成細(xì)小顆粒，細(xì)胞液中的鹽析出粘附在顆粒物表面，隨顆粒一起離開肌體，粘附在電極表面或者是進(jìn)入大氣中[6]。

圖8 粘附顆粒及成分分析Fig.8 Adhesive particles and component analysis

2.4 電極粘附力及粘附機(jī)理分析

電極不同位置粘附力曲線如圖9所示，粘附力從前到后依次降低，最大值位于電極前端在130 MPa以上，較大的粘附力使粘附物較難清除。

圖10為經(jīng)過拋光處理后電極工作前和工作后的截面圖，過拋光處理后，電極截面平直，表面無孔洞與凹坑。上面的圖是在大功率工作之后的電極截面，存在較多明顯的凹坑。304不銹鋼的熔點(diǎn)在1 300～1 400 ℃之間，耐高溫能力差，電弧在放電瞬間弧柱溫度較高，在起弧位置留下了顯微凹坑，弧柱附近的粘附組織發(fā)生碳化。破碎的細(xì)胞顆粒在凹坑內(nèi)不斷積累填充，顯微凹坑的存在增大了粘附物與電極的接觸面積，使粘附力增大。

圖9 不同位置粘附力曲線Fig.9 Adhesion force curves at different locations

圖10 上面為工作后的電極截面；下面為工作前電極截面Fig.10 Cross section of working electrode on the top；Unworked electrode cross section on the botton

圖11為電極截面凹坑位置面掃元素分布圖，結(jié)果顯示各元素分布不均，電刀與粘附物之間沒有明顯的分界線。用紅線將黏附界面分成如圖11的A、B和C三個(gè)區(qū)域，對所含元素統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。C區(qū)域主要含有K、Na、O、P和Cr等粘附在電極表面的組織組成元素，其中的Cr元素來源于304不銹鋼，根據(jù)埃林厄姆—查理森圖[8]可知，在1 600 ℃以下，氧化鉻的標(biāo)準(zhǔn)生成自由能低于鐵的氧化物，所以鉻元素較易與氧結(jié)合并發(fā)生移動(dòng)，氧化后形成鉻的氧化物或者是鉻酸鹽；B區(qū)域?yàn)榻唤缥恢玫倪^渡區(qū)域，組織組成元素K和Na的含量明顯減少，此外含有Ni、O、P、Fe和Cr元素，說明該位置有氧化物或者是鹽類物質(zhì)生成，而Ni元素在電極放電過程中，向電極表面富集，很有可能與氧氣結(jié)合形成氧化物；A區(qū)域?yàn)椴讳P鋼基體區(qū)域。由于不銹鋼中的元素在各種作用下擴(kuò)散到基體-粘附物界面甚至是粘附物中，導(dǎo)致基體與粘附物之間的結(jié)合不僅僅只是機(jī)械嚙合，而是發(fā)生了元素?cái)U(kuò)散的結(jié)合，導(dǎo)致粘附物的結(jié)合力急劇上升。

圖11 顯微熔融凹坑EDS面掃Fig.11 EDS surface scanning of micro-melt pit

表1 A、B和C三個(gè)區(qū)域元素匯總表Tab.1 Summary of three regional elements A,B and C

圖12為電切模式下電刀表面組織粘附機(jī)理示意圖，豬里脊由肌細(xì)胞組成，而肌細(xì)胞內(nèi)含有直徑約為1～2 μm的肌原纖維。電切時(shí)大電壓擊穿了組織和電極之間的空隙，產(chǎn)生電弧，豬里脊組織液在電弧和組織熱效應(yīng)等共同作用下升溫發(fā)生汽化使細(xì)胞破碎成顆?；蚣≡w維等顆粒飛向電極表面，起弧點(diǎn)高溫導(dǎo)致電極表面形成顯微凹坑，凹坑位置的電極截面如圖12最后一張圖，靠近電極位置為高溫變性碳化的粘附物，表層則為未完全變性的有機(jī)物。顯微凹坑內(nèi)填滿了碳化的粘附物，增大了粘附物與電極的接觸面積，電極表面與粘附物發(fā)生了元素的聚集和擴(kuò)散，導(dǎo)致界面間的粘附力急劇增大。

圖12 304不銹鋼電極電切模式下表面組織粘附機(jī)理Fig.12 Adhesion mechanism of surface structure of 304 stainless steel under electrosurgical resection mode

3 結(jié)論

（1）電切時(shí)電極移動(dòng)速率為10 mm/s時(shí)電極溫度達(dá)到了165.5 ℃，隨著電切功率的增加，電刀對周圍組織的熱損傷程度增加。

（2）電極表面的粘附物主要來自組織破裂后形成的顆粒在電極表面不斷積累，類似于噴涂過程，工作區(qū)粘附物紅外特征峰明顯減少，為碳化組織和簡單的有機(jī)物。

（3）電切中電弧放電使耐高溫能力差的不銹鋼電極發(fā)生顯微熔融，表面形成鋸齒，增大了粘附物與電極之間的粘附面積，且粘附物與電極邊緣位置存在元素富集和擴(kuò)散現(xiàn)象，導(dǎo)致粘附力增大，最高達(dá)到130 MPa以上。