A evolução das ferramentas cirúrgicas pode ser descrita como um épico. Desde a antiga era bárbaro, através da era de cobre e ferro, até a aplicação generalizada de tecnologias de ponta, como facas elétricas de alta frequência, facas ultrassônicas, facas a laser e facas de prótons hoje, cada mudança promoveu um grande progresso na cirurgia. A velocidade desse desenvolvimento é de tirar o fôlego.
Entre muitas ferramentas cirúrgicas, os bisturis ultrassônicos se destacam com suas vantagens únicas. Ele não apenas tem múltiplas funções, como corte, hemostasia, separação e tração, mas também é altamente elogiado por suas características como corte rápido, menos sangramento e menos fumaça. Na cirurgia, é como um cavaleiro de armadura, agitando uma espada na mão para erradicar a dor para os pacientes.
Em seguida, exploraremos em profundidade o princípio de trabalho, a aplicação clínica, a estrutura do produto e as dificuldades técnicas de bisturis ultrassônicos, bem como inovação tecnológica e direções futuras de desenvolvimento. Espero que, através desta pesquisa especial, possamos ter um entendimento mais abrangente do charme dos bisturis ultrassônicos e de sua posição indispensável na cirurgia.
Em 1967, o Dr. Kelman desenvolveu o primeiro dispositivo de emulsificação ultrassônica do mundo com a inovação de energia ultrassônica. Essa invenção inovadora fornece um forte apoio ao tratamento da ruptura e emulsificação das lentes oculares. Com o advento da década de 1980, o campo de aplicação de bisturis ultrassônicos se expandiu gradualmente para a indústria de cirurgia plástica. Em 1992, dois especialistas clínicos americanos foram corajosos o suficiente para inovar e assumiram a liderança na introdução de produtos ultrassônicos de bisturi da Ultracision em cirurgia laparoscópica, abrindo assim uma perspectiva de mercado mais ampla para bistomas ultrassônicos no campo das operações cirúrgicas. Para atender a diferentes necessidades clínicas, surgiram várias formas de produtos de bisturi ultrassônico, como bisturis de couro ultrassônico de tecidos moles, bisturis de calo para osso ultrassônicos e bisturis de sucção de emulsificação ultrassônica. Este artigo se concentrará na introdução de bisturis ultrassônicos de tecidos moles cirúrgicos (abreviados como "bisturis ultrassônicos").
1.1 Princípio de conversão de energia
A função central da fonte de alimentação ultrassônica é converter com eficiência sinais elétricos CA convencionais em sinais elétricos de frequência ultrassônica como base para a produção de energia. Nesse processo de conversão, o transdutor ultrassônico desempenha um papel vital. Está localizado na unidade de vibração ultrassônica e pode converter ainda mais sinais elétricos de frequência ultrassônica em vibrações mecânicas de alta frequência. Posteriormente, através da amplificação do corno ultrassônico, a cabeça da lâmina pode gerar vibração mecânica de frequência ultrassônica com uma amplitude específica. Essa vibração é a chave para o corte e a coagulação eficientes da faca ultrassônica.
1.2 Princípio de corte e coagulação
A cabeça da lâmina ultrassônica vibra em uma frequência específica. Quando entra em contato com as células do tecido, o líquido nas células vaporiza, fazendo com que as ligações de hidrogênio proteínas se quebrem, fazendo com que as células se desintegrassem e refusam. Posteriormente, o tecido é cortado em um estado coagulado. No processo de corte dos vasos sanguíneos, a vibração mecânica da cabeça da lâmina ultrassônica interage com as proteínas do tecido para gerar calor, destruindo assim a estrutura do colágeno no tecido, alcançando a coagulação proteica e o fechamento dos vasos sanguíneos e atingindo o objetivo da hemostase.
(1) Efeito mecânico
Sob a ação do ultrassom com intensidade sonora moderada, o tecido produz vibração elástica. À medida que a intensidade do som aumenta, quando a vibração mecânica do tecido excede seu limite elástico, ele quebra ou pulveriza. Ao cortar tecidos moles, a amplitude mínima exigida pela cabeça da lâmina cirúrgica é de 40μm, enquanto na osteotomia, a cabeça da lâmina precisa emitir uma amplitude de mais de 100μm.
(2) Efeito térmico
O calor é um fator -chave para alcançar a coagulação do tecido e a hemostasia. Isso inclui a energia térmica viscoelástica dentro do tecido e o calor gerado pelo atrito entre a lâmina e o tecido.
(3) Efeito de cavitação
As bolhas de cavitação geram alta temperatura e alta pressão em um tempo muito curto, enquanto libera fortes ondas de choque e jatos, que emulsificam e fragmentam o tecido. Quando a extremidade de vibração de alta frequência da faca ultrassônica é colocada em tecidos moles, como tecido adiposo e tecido alveolar, a temperatura dentro das células do tecido mole ao redor da lâmina aumentará significativamente. Quando a temperatura atingir o ponto de ebulição da água na célula, a água na célula vaporizará e aumenta de volume, fazendo com que a célula se rompe. A grande quantidade de gás liberada após a ruptura da célula ajuda a expandir a camada de tecido, o que facilita a operação cirúrgica sob o conceito de "anatomia da membrana" dos órgãos modernos.
1.3 Comparação de vários tipos de bisturis
Durante a operação, é crucial escolher o bisturi direito. Em seguida, compararemos diferentes tipos de bisturis, incluindo bistinos tradicionais, facas a laser, facas de microondas e facas ultrassônicas, para ajudá -lo a entender melhor suas vantagens e desvantagens.
Do ponto de vista da aplicação clínica, os bisturis ultrassônicos têm um bom desempenho no corte de tecidos moles, especialmente em cenários cirúrgicos que requerem controle preciso do sangramento e danos térmicos minimizados. É frequentemente usado para fechar os vasos sanguíneos com um diâmetro de 3 mm ou menos, e às vezes até pode lidar com vasos sanguíneos com um diâmetro de 5 mm ou menos. No entanto, para vasos sanguíneos com um diâmetro de 5 mm ou mais, os médicos geralmente usam grandes fechamentos de embarcações, clipes de ligação ou suturas de ligação. Além disso, os bisturis ultrassônicos não são apenas adequados para cirurgia aberta, mas também amplamente utilizados em cirurgia laparoscópica e desempenham um papel importante em várias cirurgias em vários departamentos, como cirurgia geral, ginecologia, urologia, cirurgia torácica, cirurgia de cabeça e pescoço.
Os produtos de bisturi ultrassônico cirúrgicos comuns geralmente incluem um host e vários acessórios. Entre esses acessórios, o transdutor é um componente essencial, responsável pela conversão de energia elétrica em energia ultrassônica. A cabeça do bisturi ultrassônico, como a parte que entra em contato diretamente com o tecido, seu design cobre os principais componentes como a alça, a haste de guia de onda e a cânula. Além disso, o interruptor do pé e o dispositivo de controle manual na cabeça do bisturi trabalham juntos para obter controle preciso da energia de saída do host.
As várias alças da cabeça do bisturi ultrassônico incluem tipo de grampo, tipo de aderência e tipo de tesoura.
O comprimento padrão da barra de faca ultrassônica é geralmente de 23 cm, 36 cm ou 45cm. Além disso, a ponta da lâmina possui uma variedade de estruturas morfológicas, como tesoura multifuncional, tesoura multiuso curvada, facas de remoção curva, ganchos de separação e bolas hemostáticas. Os médicos podem escolher flexivelmente a alça apropriada, o comprimento e a forma da lâmina de acordo com as necessidades específicas da operação para se adaptar a diferentes tipos de operações e grupos de pacientes, como pacientes obesos, cirurgia laparoscópica convencional, laparotomia e cirurgia superficial.
3.1 gerador ultrassônico (host)
O gerador ultrassônico, também conhecido como fonte de alimentação ultrassônica, é um dispositivo especialmente projetado para gerar e transmitir sinais elétricos de frequência ultrassônica a um transdutor ultrassônico. De acordo com seu princípio de trabalho, os geradores ultrassônicos podem ser divididos em duas categorias: circuitos analógicos e circuitos digitais. Atualmente, os geradores ultrassônicos do circuito digital têm uma posição dominante em aplicações práticas devido à sua excelente eficiência de conversão de energia.
Como o componente central do sistema ultrassônico, o desempenho do gerador ultrassônico afeta diretamente o efeito de operação de todo o sistema. De acordo com diferentes princípios de trabalho, os geradores ultrassônicos podem ser divididos em duas categorias: circuitos analógicos e circuitos digitais. No mercado de hoje, os geradores ultrassônicos do circuito digital se tornaram a escolha convencional devido à sua excelente eficiência e estabilidade de conversão de energia.
Os módulos principais de hardware dos geradores ultrassônicos do circuito digital incluem geradores de sinal, circuitos de amplificador de potência, circuitos de correspondência de impedância e circuitos de feedback. Durante a operação do transdutor ultrassônico, as mudanças de impedância ocorrerão inevitavelmente, o que envolve ajuste dinâmico do tamanho da impedância e da frequência ressonante. Para garantir que a carga possa obter energia máxima, a impedância da fonte de alimentação deve ser consistente com a impedância da carga. Portanto, a fonte de alimentação ultrassônica precisa ter a capacidade de rastrear a frequência operacional do transdutor ultrassônico e produzir um sinal de energia da frequência correspondente de acordo.
(2) Desafios técnicos - adaptação de tecido
Durante a operação, devido à diferença na textura do tecido de corte e coagulado, a carga mudará dinamicamente, o que causará a frequência operacional e a amplitude de saída do transdutor ultrassônico. Se a fonte de alimentação não puder rastrear a frequência a tempo de atingir o estado ressonante, a eficiência de conversão de energia do transdutor será significativamente reduzida, fazendo com que o transdutor superaqueça, afetando assim a eficiência da operação. Além disso, o controle inadequado da potência da fonte de alimentação ultrassônica também prolongará o tempo necessário para o bisturi ultrassônico cortar o tecido e reduzir o efeito hemostasia. Portanto, a tecnologia de controle automático de rastreamento de frequência da fonte de alimentação ultrassônica é crucial para manter sua estabilidade.
A adaptação do tecido, ou seja, a saída muda com a impedância de carga, é a tecnologia principal do host de fonte de alimentação ultrassônica. Tomando a faca ultrassônica da Johnson & Johnson como exemplo, seu sistema host adota um modo de corte e hemostasia de um botão, que pode operar automaticamente vários tecidos com um botão sem a necessidade de posições de engrenagem. Depois de pressionar o botão, o sistema produzirá três segmentos de energia de "alto-alto" ao longo do tempo. O método de controle de saída de cada segmento de energia é diferente e será ajustado de forma inteligente de acordo com a impedância de carga coletada em tempo real. Essa tecnologia pode fornecer suporte energético de forma contínua, inteligente e eficaz.
Após a acumulação e otimização de dados clínicos de longo prazo, a faca ultrassônica da Johnson & Johnson mostrou melhor desempenho do que as marcas domésticas.
3.2 Transdutor ultrassônico
O transdutor ultrassônico, como o núcleo da unidade de vibração ultrassônica, é responsável por converter energia elétrica de frequência ultrassônica eficiente em energia mecânica de alta frequência. Esse processo amplifica ainda mais a amplitude e reúne energia através da haste de amplitude e, finalmente, transmite com precisão a energia para a cabeça da faca. Atualmente, os transdutores ultrassônicos convencionais no mercado podem ser divididos em duas categorias: transdutores piezoelétricos e transdutores magnetostrictivos.
Com a popularização de materiais cerâmicos piezoelétricos, os transdutores magnetostrictivos foram gradualmente substituídos por transdutores ultrassônicos piezoelétricos e ainda são usados apenas em alguns campos especiais. Atualmente, os transdutores piezoelétricos tornaram -se a escolha convencional no mercado. Em seguida, exploraremos os princípios e estruturas fundamentais dos transdutores piezoelétricos em profundidade.
(1) Princípio de trabalho dos transdutores piezoelétricos - efeito piezoelétrico
Quando os materiais piezoelétricos são deformados pelo estresse mecânico, o arranjo especial de átomos em sua rede levará ao surgimento de polarização, gerando assim uma diferença de potencial mensurável em todo o material, que é chamado de efeito piezoelétrico positivo. Pelo contrário, se uma tensão for aplicada à superfície de um material piezoelétrico, o material será deformado pelo campo elétrico, que é chamado de efeito piezoelétrico inverso. O tamanho e a direção da deformação dependem da direção do campo elétrico, da direção da polarização do material e do método de conexão com a estrutura adjacente. Isso significa que os materiais piezoelétricos têm a função de converter energia mecânica em energia elétrica e converter energia elétrica de volta em energia mecânica. Em couro couro ultrassônico, essa característica permite que os cristais piezoelétricos convertem com eficiência energia elétrica em energia mecânica através do efeito piezoelétrico inverso.
(2) Análise estrutural de transdutores piezoelétricos
Em seguida, entenderemos melhor a estrutura interna dos transdutores piezoelétricos.
Tomando o sanduíche de transdutor ultrassônico de cerâmica piezoelétrica como exemplo, seus componentes principais incluem folhas de cerâmica piezoelétrica, tampa frontal de metal, tampa traseira de metal, folhas de eletrodo de metal e parafusos protendidos. Em termos de design, a tampa frontal geralmente é feita de metal leve para melhorar a eficiência de transmissão para a frente das ondas ultrassônicas, enquanto a tampa traseira é feita de metal pesado para garantir a estabilidade do transdutor.
(3) Materiais piezoelétricos
Os materiais piezoelétricos podem ser divididos em duas categorias: materiais piezoelétricos inorgânicos e materiais piezoelétricos orgânicos. Entre eles, os materiais piezoelétricos inorgânicos são divididos em cristais piezoelétricos (como cristais únicos piezoelétricos) e cerâmica piezoelétrica (materiais sintéticos). A cerâmica piezoelétrica possui excelentes propriedades mecânicas, inércia química e fabricação simples. Eles podem ser transformados de forma flexível em várias formas e tamanhos, e a direção da polarização pode ser selecionada livremente, tornando -as uma escolha ideal para a fabricação de transdutores. Por esse motivo, a cerâmica piezoelétrica tem sido amplamente utilizada no campo dos transdutores.
As principais matérias -primas para fazer cerâmica piezoelétrica incluem titanato de bário, titanato de zirconato de chumbo e niobato de lítio. Esses materiais mostram maior capacidade de geração de energia do que muitos materiais naturais. Entre eles, o titanato de zirconato de chumbo (PZT) é a matéria -prima mais usada na fabricação de cerâmica piezoelétrica. É sintetizado a partir do chumbo e zircônio sob alta temperatura. Os fabricantes comerciais de facas ultrassônicos, como Johnson & Johnson, geralmente usam cerâmica piezoelétrica PZT-8. No entanto, diferentes empresas escolherão materiais P8 com diferentes parâmetros de desempenho (como constante dielétrica relativa, perda dielétrica e coeficiente de acoplamento eletromecânico) de acordo com as características de seus próprios transdutores.
(4) Desafios técnicos
A velocidade de corte e coagulação das facas ultrassônicas é afetada por muitos fatores, incluindo a eficiência da conversão eletroacústica do transdutor, a perda mecânica e a eficiência da transmissão do guia de onda ultrassônico e a estabilidade da saída do sistema de faca ultrassônica. Melhorar os indicadores principais do transdutor e garantir que a energia ultrassônica possa ser transmitida de maneira eficiente e estável à ponta da lâmina é a chave para otimizar o sistema mecânico da faca ultrassônica. Os materiais cerâmicos piezoelétricos de alto desempenho desempenham um papel vital nesse processo.
Os materiais cerâmicos piezoelétricos de alta qualidade devem ter alto fator de qualidade mecânica, alto coeficiente piezoelétrico, alto coeficiente de acoplamento eletromecânico, baixa perda dielétrica e desempenho estável (como temperatura e estabilidade da frequência). Através da modificação do doping, desenvolvimento de vários componentes e otimização do processo de preparação de materiais cerâmicos, pode ser alcançado controle fino das propriedades do material. Atualmente, a maioria dos fabricantes opta por comprar cerâmica piezoelétrica de fabricantes a montante em casa e no exterior, mas alguns fabricantes também têm a capacidade de desenvolver sua própria pesquisa.
3.3 Transformador de amplitude
No sistema de vibração ultrassônica, o transformador de amplitude desempenha um papel vital. Como a amplitude de vibração gerada pela superfície de irradiação do transdutor ultrassônico é pequena, geralmente em uma frequência operacional de 20kHz, sua amplitude é de apenas alguns mícrons, o que está longe de ser suficiente para atender às necessidades reais. Portanto, o transformador de amplitude é introduzido, que pode efetivamente amplificar a velocidade de deslocamento e movimento das partículas de vibração mecânica, concentrar a energia ultrassônica em uma pequena área e, assim, alcançar o efeito de coleta de energia. Além disso, o transformador de amplitude também atua como um transformador de impedância mecânica, correspondendo à impedância entre o transdutor e a carga para garantir que a energia ultrassônica possa ser transmitida com eficiência do transdutor para a extremidade da carga.
3.4 Cabeça de bisturi ultrassônico
A cabeça do bisturi ultrassônico, um componente -chave, consiste em componentes de precisão, como uma alça, uma haste de guia de onda (ou seja, uma haste) e uma manga. Entre eles, a haste é o núcleo da cabeça do bisturi, e sua seleção de material e nível de processo estão diretamente relacionados ao risco de quebra de bisturi. Atualmente, as ligas de titânio são favorecidas por sua baixa impedância acústica, alta resistência à tração e peso leve e liga TC4 (Ti-6Al-4V) é a melhor entre elas. A liga de titânio TC4 não apenas tem as vantagens de ambos e ligas de titânio - excelente plasticidade e resistência térmica, mas também pode trabalhar por um longo tempo a 400 graus e tem excelente resistência à corrosão da água do mar. Além disso, seu processo de produção é simples e pode ser fortalecido pela soldagem, formação quente e fria, extinção e tratamento com envelhecimento, tornando a haste forte e durável. No entanto, o alto custo dos materiais de liga de titânio importado ainda é um desafio, e os fabricantes estão buscando ativamente alternativas domésticas para reduzir os custos de produção.
4.1 Indicadores de desempenho -chave
Em aplicações clínicas, os indicadores de desempenho de bisturis ultrassônicos receberam atenção generalizada. Esses indicadores cobrem aspectos como efeito de fechamento vascular, eficiência de fechamento de corte, faixa de danos térmicos, capacidade de corte e separação fino, força de fixação e anti-adesão. Entre eles, a eficiência de corte e o efeito de fechamento vascular são considerados os indicadores mais centrais, que afetam diretamente o efeito e a segurança cirúrgica. Ao mesmo tempo, os padrões do setor e as diretrizes relevantes também fornecem métodos e padrões de avaliação claros para esses indicadores de desempenho.
4.2 Problemas clínicos comuns
Em aplicações clínicas, descobrimos que os produtos de bisturi ultrassônico no mercado geralmente têm os seguintes problemas: primeiro, o efeito da coagulação geralmente não é o ideal; Segundo, o tecido mole na incisão é facilmente danificado pelo calor, resultando em falha em fechar normalmente, cortando falha ou quebra de lâmina; Além disso, existe o risco de que a matéria estranha possa ser deixada no corpo, como derramamento de tecidos ou componentes internos do derramamento de produto. Esses problemas ocorrem por vários motivos, geralmente relacionados ao trabalho coordenado de múltiplos componentes do sistema de bisturi ultrassônico. Além da operação clínica inadequada, defeitos técnicos ou de processo de qualquer componente podem afetar o desempenho geral do bisturi ultrassônico.
Em aplicações clínicas, geralmente enfrentamos os seguintes riscos trazidos por produtos de bisturi ultrassônico: primeiro, devido ao mau efeito de coagulação, pode ocorrer sangramento pós -operatório; Segundo, o tecido mole na incisão pode não ser capaz de fechar normalmente devido a danos térmicos, o que pode levar a sérias conseqüências, como corte de falha ou quebra de lâmina; Além
Em aplicações clínicas, geralmente enfrentamos os seguintes riscos trazidos por produtos de bisturi ultrassônico: primeiro, devido ao mau efeito de coagulação, pode ocorrer sangramento pós -operatório; Segundo, o tecido mole na incisão não pode ser fechado normalmente devido a danos térmicos, o que pode levar a consequências graves, como falha de corte ou bisturi quebrado; Além disso, existe um risco potencial de que a matéria estranha possa ser deixada no corpo, como almofadas de lenços de papel ou componentes internos do produto caindo. A existência desses riscos não afeta apenas o efeito da aplicação clínica dos bisturis ultrassônicos, mas também pode ameaçar a segurança dos pacientes.
Portanto, nas operações clínicas, precisamos estar particularmente vigilantes sobre esses riscos e tomar medidas preventivas correspondentes para garantir a segurança dos pacientes e o progresso suave da operação.
