钨针与不锈钢电极微创电切性能及表面粘附行为研究

吴薇，胡树兵

华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室(武汉，430074)

钨针与不锈钢电极微创电切性能及表面粘附行为研究

吴薇，胡树兵

华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室(武汉，430074)

该文在高频电刀纯切模式下， 分别采用钨针电极和不锈钢电极， 切割不同部位新鲜的猪离体组织， 使用光学显微镜、 红外光谱仪等对组织切割创口表面形貌和电极表面粘附物进行了对比分析。结果表明， 微创钨针切割时热损伤更小， 切割不同肌体组织， 电极表面粘附物不同。

高频电刀； 不锈钢刀； 钨针； 电切； 表面粘附

0 引言

高频电刀临床手术回路由患者、 高频发生器、 导线、 作用电极和回路电极组成。高频发生器将低压低频电流(220 V/50 Hz)转换为具有特定的频率、 波形及负载功率曲线的高频电流， 电流经工作电极流向人体， 对组织进行加热达到切割或凝血的效果[1-2]。相比于传统电刀， 其具有操作简单、 切割速度快、 组织损伤小、 凝血效果好、 术后愈合快等优点[3]。现今高频电刀迅速发展， 旨在减小手术出血量以及手术时间， 同时正确地使用每种能量方式， 获得最佳的临床效果及减小并发症的潜在风险[4]。然而在高频电刀的临床应用中， 因刀头设计所带来的诸多问题也逐渐暴露， 如刀头宽钝易产生大量烟雾、 刀头太大不便于精细手术、 裸露面大易造成患者不必要的损伤等。目前高频电刀的工作电极材料通常采用医用不锈钢,其熔点大约为1 370～1 400 ℃。在高频回路中电刀笔的尖端会产生大量热量,局部温度非常高,临床手术中对人体组织损伤也较大， 且不锈钢电刀在长时间的大型手术中使用时易烧蚀,因此需要比普通医用不锈钢高温性能更优良的材料来制作高频电刀的电极。微创钨针以针形电极替代普通电刀， 能够克服以上缺点， 具有快速切割、 凝血显著、 安全精细、 耐烧蚀等特点[5-6]。高频电刀在临床切割肌体组织时， 容易粘附变性碳化的有机物， 导致手术过程中医生需要增大电极功率或反复多次清理电极表面， 延长了手术时间， 手术效果降低， 病人承受的痛苦增大， 而且对患者手术后的恢复产生不利影响[7]。因此， 对比高频电刀微创钨针与不锈钢宽刀切割效果， 研究电刀头表面组织粘附行为， 有助于医疗器械材料的发展， 丰富医疗器械表面科学， 且对临床手术操作具有重要的指导意义。

本研究在实验室自行组合的高频电刀试验装置上进行， 保持实验参数一致， 分别用微创钨针和普通不锈钢宽刀切割不同部位的新鲜离体猪组织， 结合组织创口表面热损伤情况及电极表面粘附情况， 对比分析微创钨针与普通宽刀的切割效果， 研究粘附物存在的形式及其影响因素。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

实验选用新鲜的离体猪皮肤组织、 肌肉组织、 脂肪组织、 脂肪-肌肉混合组织， 清洗组织表面的脏污与血渍， 将其放在通风厨中自然风干， 最后将组织切割成约4 cm×5 cm×2 cm的标准样品待用。高频电刀电极选用普通标准不锈钢刀型电极和实验室自制的微创钨针(图1)， 刀型电极长2.4 cm、 宽2.5 mm， 微创钨针针尖曲率半径小于10 μm， 针尖裸露长度为3 mm左右。

图1 试验电极 Fig.1 Test electrode

1.2 仪器与设备

实验采用武汉兰宝石医疗设备有限公司提供的LBS-G21-J型高频电刀， 选用纯切模式。切割实验过程中为减少人为操作影响， 实验在自行组合的高频电刀试验台(图2)上进行。电极固定在三轴移动夹持部分上， 通过设置移动参数， 调节切割的起始位置、 电极的高度、 移动速度、 移动距离等控制电切实验过程中的各种变量， 提高实验的对比性和可重复性。电切实验完成后采用光学显微镜、 红外光谱仪等设备对不同组织创口表面形貌、 电极表面粘附物及成分进行观察和分析。

图2 高频电刀试验装置Fig. 2 Test device of high frequency electrosurgical unit

1.3 实验方法

本研究高频电刀选用纯切模式， 切割功率24 W， 切割速度6.5 mm/s， 切割长度40 mm， 切割深度1 mm。每组实验重复5次， 选取具有相同特征的实验组进行观察。

2 结果与讨论

2.1 切割脂肪组织

在同等条件的纯切模式下， 分别采用微创钨针与不锈钢宽刀对新鲜离体脂肪组织进行切割， 脂肪组织切割过程中无烟雾产生， 切割顺畅， 表面切割创口不明显， 微创钨针与不锈钢电刀切割创口区别不大， 切割痕迹为一条脂肪融化的亮线。切割脂肪组织后， 电极表面粘附大量的液体状物质和少量黄色焦痂， 切割完成温度冷却后， 液体状物质凝固， 初步判定该物质为油脂。通过傅里叶红外光谱仪对电极表面粘附物进行测试分析， 该粘附物红外光谱如图3所示。其中2 920 cm-1、 2 852 cm-1附近分别对应-CH2-的非对称和对称的伸缩振动吸收峰， 1 735～1 750 cm-1范围对应酯的C=O伸缩振动峰， 1 050～1 300 cm-1范围对应饱和酯C-O强吸收谱带， 这些都是脂肪的特征峰， 说明该粘附物中液体状物质是脂肪。脂肪组织中主要含70%～80%的脂类， 10%～25%的水和2%的蛋白质[8]， 切割时脂类受热融化成油脂粘附在电极表面， 蛋白质受热变性生成黄色焦痂， 因而电极表面还粘附有微量的黄色焦痂。

图3 切割脂肪组织电极表面粘附物红外光谱Fig.3 Infrared spectrum of adhesion on electrode surface after cutting adipose tissue

2.2 切割皮肤组织

从皮肤组织创口表面形貌可以看出， 微创钨针切割皮肤创口颜色较不锈钢电刀浅， 说明组织热损伤较轻。从电极表面粘附情况来看， 电极表面有黑色焦痂和少量的黄色焦痂， 不锈钢电刀表面粘附物更多。电极表面粘附物红外光谱如图4所示， 该粘附物同样含有脂肪特征峰， 但峰强相对图3减弱， 这是由于皮肤中虽含有脂类物质， 但含量较脂肪组织少。1 590～1 650 cm-1对应酰胺C=O吸收峰， 1 510～1 570 cm-1对应酰胺N-H、 C-N吸收峰， 这些是蛋白质的特征峰， 可以判断该粘附物中还有蛋白质。皮肤组织中主要含有胶原蛋白、 水和微量的脂类， 动物的胶原蛋白变性温度为37～40 ℃， 而切割时电极表面的温度远大于胶原蛋白的变性温度， 因而胶原蛋白变性碳化， 在电极表面形成黑色焦痂和少量的黄色焦痂。图5为两种焦痂的EDS能谱图， 其中a、 b区域分别为黑色焦痂和黄色焦痂， 可以明显看出黑色焦痂中碳含量更高， 说明黑色焦痂的碳化程度更严重。

图4 切割皮肤组织电极表面粘附物红外光谱Fig.4 Infrared spectrum of adhesion on electrode surface after cutting skin tissue

图5 黑色焦痂和黄色焦痂的EDS能谱 a:黑色焦痂 b:黄色焦痂Fig.5 EDS spectrum of black eschar and yellow eschar a: black eschar；b: yellow eschar

3.3 切割肌肉组织

在切割肌肉组织过程中， 两种电极切割均较顺畅， 不锈钢电刀产生较多烟雾。从创口形貌分析， 不锈钢电刀切割创口较宽， 且被切开组织呈黄色， 热损伤较大； 而微创钨针切割创口较窄， 组织灼伤程度较小。不锈钢电刀表面粘附更严重， 电刀头部呈现黄色焦痂， 电刀后端有少量的白色絮状物。从两种粘附物的红外光谱分析， 如图6、 7所示。可以看出两者都含有脂类和蛋白质， 黄色焦痂中脂肪含量较白色絮状物中高， 而蛋白质含量却较少。电极切割时电极头部温度最高， 向后温度逐步降低， 因而在电极头部肌肉组织中的蛋白质变性、 碳化形成黄色焦痂， 电极后端温度较低， 蛋白质固化、 变性形成白色絮状物。黄色焦痂的碳化程度大于白色絮状物， 因而粘附黄色焦痂的电极头部红外光谱图中蛋白质特征峰强度更低。同时电极头部温度高， 融化的脂肪越多， 粘附到电极头部的就越多， 因而其红外光谱中脂肪特征峰强度更高。

图6 电刀后端粘附物红外光谱Fig.6 Infrared spectrum of adhesion on electrode back-end

图7 电刀头部粘附物红外光谱Fig.7 Infrared spectrum of adhesion on electrode head

3.4 切割脂肪-肌肉混合组织

切割脂肪-肌肉混合组织， 脂肪、 肌肉部分创口表面形貌分别同切割纯脂肪、 纯肌肉组织的创口形貌， 电极表面粘附物是黄色焦痂和油脂的混合体， 这是脂肪组织中大量脂类液化和肌肉中蛋白质变性造成的结果

3.5 微创钨针不同功率下电切性能

在肌肉组织试样上用微创钨针以接触组织深1 mm的方式切割， 功率分别为16 W、 18 W、 20 W、 22 W、 24 W、 26 W、 28 W、 30 W， 每种方案重复三次。实验前称量电极重量， 每种方案试验后均更换电极， 并将更换下的电极称重， 记录实验前后电极质量变化Δm(即电极表面粘附物质量)， 最后用光学显微镜观察肌肉创口形貌及电极表面形貌。

达不到蛋白质变性固化温度， 电极移动时会撕扯下新鲜的肌肉组织， 导致粘附质量大， 而功率增大， 蛋白质逐渐变性、 炭化， 炭化组织粘性较小， 从而粘附物质量减小。

图8 不同功率切割电极表面粘附物质量Fig.8 Surface adhesion quality of electrode cutting at different power

功率为16～18 w时， 切割不顺畅， 说明功率过小无法切割， 随着功率增大切割越顺畅， 20～26 w时组织热损伤较小， 切割效果良好， 但功率继续增大， 创口边沿由黄色逐渐出现焦黑色， 肌肉组织表面损伤严重。

随着功率增大， 粘附物形态由白色絮状物逐渐转变为黄色焦痂甚至黑色焦痂。不同功率切割后电极表面粘附物质量变化， 随着功率增大而逐渐减少， 主要是因为功率较小时， 达不到蛋白质变性固化温度， 电极移动时会撕扯下新鲜的肌肉组织， 导致粘附质量大， 而功率增大， 蛋白质逐渐变性、 炭化， 炭化组织粘性较小， 从而粘附物质量减小。

4 结论

(1)不锈钢电刀刀头扁平宽大， 电切时与组织接触的范围更大， 因而其所致热损伤面积和程度都较大、 创口较宽， 且电刀表面粘附物较多； 而微创钨针针尖曲率半径小于10 μm， 针尖裸露部分较少， 其切割锋利、 精细、 安全， 组织热损伤小， 不易粘连组织。

(2)切割不同肌体组织， 电极表面出现不同的粘附物。切割脂肪组织时， 电极表面粘附大量的油脂和少量黄色焦痂； 切割皮肤组织时， 粘附物为大量的黑色焦痂和少量黄色焦痂； 切割肌肉组织时， 电极表面粘附主要为黄色焦痂和少量的白色絮状物； 切割肌肉-脂肪混合组织时， 电极表面粘附物是切割肌肉和脂肪电极表面粘附物的混合体。这是不同组织中含有不同比例的蛋白质、 脂类、 水和电极从尖端往后温度逐步降低的综合结果。

(3)微创钨针在不同功率下切割肌肉组织时， 电刀功率过小无法切割组织， 过大又会造成较大的组织损伤； 随着电刀功率增大， 电极表面粘附物呈减少趋势， 电切功率为20～26 W时， 切割效果较好， 表面粘附也较少。为降低组织损伤且减少表面粘附， 达到更优的手术效果， 需根据实际情况选择合适的电刀功率。

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Study on Cutting Performance and Surface Adhesion Behaviors of Tungsten Needle and Stainless Steel Electrode

WU Wei, HU Shubing

State Key Laboratory of Materials Processing and Die & Mould Technology, Huazhong University of Science & Technology (Wuhan, 430074)

In the pure-cutting mode of high frequency electrosurgical unit, needle-shaped tungsten electrode and ordinary stainless steel knife were used to incise some fresh pig tissues obtained from different parts of the pigs. The surface morphology of the incision and the surface adhesion of the electrode were analyzed using an optical microscopy and an infrared spectroscopy. The results showed that, when tissues were cut by tungsten needles, the thermal damage to tissues was smaller than that to the tissues cut by ordinary stainless steel knife, and the surface adhesive materials on electrodes were varied with cut tissues.

high frequency electrosurgical unit, stainless steel knife, tungsten needle, electricity cutting, surface adhesion

10.3969/j.issn.1674-1242.2017.03.006

国家自然基金项目(51375005)

吴薇，E-mail:wuwei20162016@163.com

TH772.1

A

1674-1242(2017)03-0155-04

2017-03-30)