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现代能量外科:基础能量vs.智慧能量|AME《腹腔镜胃肠手术笔记》连载005

Published at: 2015年第1卷第S1期

李勇
关键词:

编者按:《腹腔镜胃肠手术笔记》不仅是一本书,更是一本图册,一个录像集。本书荟萃了一线临床工作者在腹腔镜胃肠手术过程中的见解与感悟;分享、总结了40余位优秀外科医生经过反复思考与探索后的手术经验与技巧;独家录制了21个讲座视频、40个精彩手术录像,"面对面"释疑解惑,真实展现手术细节。秉承一贯「欲穷千里目,快乐搞学术」的理念,「AME 科研时间」平台定期推出该书的连载,敬请关注。

1 背景

电外科器械已广泛应用于外科手术的各个领域,从最基本的手术切口,内脏组织块切除、切口止血,到肿瘤消融、LigaSureTM等最新应用;从普通外科、心胸外科,到妇科、泌尿外科、耳鼻喉科、骨科、神经外科等各科室;从外科开放手术,到微创外科手术甚至内科治疗领域。手术室、急诊室、门诊室、内镜室都能见到高频电外科的身影。所以这种广泛被使用的能量我们称之为基础能量,以电外科器械(Electrosurgery Energy,ESE)为主。

随着技术的进步和科技的创新,又逐步诞生出带有计算机精确能量输出控制的智慧型的能量设备,如ForceTraidTM ENERGY PL ATFORM能量平台,并带有LigaSureTM的组织熔合技术的能量,称为高级能量,包括智慧能量(Vessel Sealing Energy,VSE)和超声动能刀(超声刀DSE, Dissection Energy)是由能量源中声波或压力波转化成的切割分离能量(图1)。

图1 外科能量分类

基础能量(ESE)和超声动能(DSE)主要用于分离切割组织。临床中最主要区别表现为两个方面:(1)凝血性:超声动能(DSE)强,基础能量(ESE)弱;(2)精细解剖:基础能量(ESE)较强,超声动能(DSE)较弱。

智慧能量(VSE)更加偏重于切割组织时的封闭止血性,实现高效的无血切割。但是精细解剖血管的能力相比基础能量(ESE)能量和超声动能(DSE)较弱(图2)。

图2 外科三种能量的区分图

外科手术中,外科医师的使用习惯和个人的偏好存在差异。正确的认识和区分的三种能量设备的差异,有助于我们恰当地将三种能量应用于现代外科手术中。工欲善其事,必先利其器。本文将着重介绍智慧能量(VSE)的相关进展。

2 电外科器械原理

电外科器械(Electro-surgical Energy,ESE),又称高频电刀或电刀,是一种利用高频电流生物组织效应的医疗仪器,用电刀来完成组织切开可以大大减少组织出血,对出血点也可实现快速有效的电流止血—电凝。经过几十年的临床发展应用,电外科器械已经成为手术室的常规必备设备,现在已很难想象外科手术在没有电外科器械的情况下将如何开展。近年来伴随着外科技术的不断发展,尤其是微创外科技术蓬勃发展,电外科产品的应用领域得到了全面的拓展,为微创技术的普及做出了巨大的贡献。

电外科器械利用电流通过人体所产生的热效应,从而实现以电凝和电切为基础的手术应用。直流电通过人体在产生热效应的同时,会导致组织内离子发生异常移动,造成组织功能紊乱。低频交流电(频率小于20 kHz)通过人体组织在产生热效应的同时,会对神经和肌肉造成刺激,造成肌肉的抽搐,当电流频率在10~100 Hz范围内时,此刺激现象最甚。Thompson和d’Arson Vol在实验中证实了高频电流经人体会产生热量,但不会引起电击和肌肉剌激。高频电刀的工作基准频率在300 kHz以上,如此高的频率可以确保电流通过人体只产生所需利用的热效应,从而保证手术的安全性(图3)。

图3 电外科器械原理示意图

二十世纪20年代世界上第一台真正意义上的电外科产品被应用到临床, 从而开创了电刀应用的纪元。早期的电刀还停留在对电火花放电利用的初级阶段,到1952年左右,逐步形成了今天所为大家熟悉的电外科技术,即高频正弦波电流流经人体产生的切割、凝固和烧灼作用。现今电外科器械已广泛应用于外科手术的各个领域,医院里能见到高频电刀的身影。

常用的电外科器械就象手术刀一样进行切割,常被称为“电刀”。由于是使用高频电流来实现其功能,又常被称为“高频电刀”。高频电刀根据不同的手术需要预先设定了多种电流波形参数,以实现不同的应用功能——模式。在每个模式下还可通过提供效果调节对输出作进一步细调。输出功率的设定是电刀的基本参数设定,电刀的最大功率一般不超过400瓦,常见的手术室用电刀最大功率在300瓦左右。现在,除常规的高频电刀外,电外科领域还有氩气刀和射频消融仪等新开发的技术应用。具有类似切割止血功能的还有超声刀等新兴手术设备。

2.1 电刀切割止血的机制

电外科器械的作用基础是高频电流通过组织而产生的热作用。这种热作用有选择性地由电外科器械的作用电极传导到的生物组织表面。医生利用这种组织破坏作用来实现切割和凝血。这种热作用受生物组织阻抗、电流密度和作用时间的影响。与作用电极相接触的人体组织相应点上电流密度很高,在局部区域上能产生足够热量,从而控制性地破坏组织。

切割(Cutting )又称为电切,由于电外科器械作用电极的边缘尤如手术刀口,表面积较小,接触组织时,电流以极高的密度流向组织。组织呈电阻性,在电极边缘有限范围内的组织的温度迅速而强烈地上升,微观上细胞内的液体温度迅速超过100摄氏度,水分爆炸性地蒸发从而破坏细胞膜,积聚的大量细胞被破坏,宏观上组织被快速地切开。配合各种特殊设计的作用电极(刀头),电刀能用来切割各种类型的组织。相对于传统的手术刀,电刀电切的优势在于:切割进行的同时具有连续的凝固(止血)作用;不需医生施加过多的机械力(图4)。

图4 电外科对破碎的细胞作用

凝固(Coagulation)又称为电凝,当电流作用于组织而使组织温度较慢速(相对于电切)而有效地升高至100摄氏度左右时,细胞内外的液体逐步蒸发,从而使组织收缩并凝固。在切割过程中被切断的小血管口,在电流的热作用下血管壁凝固收缩封闭,从而达到止血的效果。电刀快速有效的电凝作用,很大程度上取代了复杂的血管结扎,可以大大节省手术时间,简化手术操作。电刀有效的凝血可以减少价格相对较高的凝血胶的使用,有效地降低手术成本。利用电凝使细胞凝固、蛋白质变性和组织失活的效果,可对增生的肿瘤组织实行电凝,达到治疗破坏的目的(图5)。

图5 电外科对细胞的脱水作用

根据作用机制,凝固又可分为电灼(Fulguration)和干燥(Desiccation)。电灼是作用电极在不接触组织的情况下以作用周期较短(6~10%)的电流产生电火花来烧灼组织,由于作用周期短,可以使升温不致太快。干燥是作用电极以较大的接触面积直接接触组织,由于电流密度小,仅使细胞脱水而非破裂或气化。

高频电流所产生的切割和凝固作用,两者是密不可分的。对高频电流波形的改变可以增加电流的切割作用从而减少凝固作用,相反地也可增加凝固作用而减少切割作用。电刀的工作模式(不同的切割或电凝功能,常见的划分有:纯切、混切、强力电凝、喷射电凝等)划分就是通过电流波形的改变人为地划分出电切或者电凝功能模式,在电刀上电切模式设定区域用黄色勾画,蓝色代表着电凝设置区域。

2.2 电极与工作方式

电外科器械是一个高频能量发生器,通过高频电流将能量传导至靶组织,常规电刀构成这一电流回路的方式通常采用双端方式,有两种:单极和双极。在高频情况下,单端也可以构成回路。

2.2.1 单极

单极技术在电外科应用领域最为常见,单极技术电流回路由发生器、作用电极、人体和负极板构成(图6)。

图6 单极技术

发生器输出电流,通过作用电极将电流传导至人体靶组织,电流再通过负极板流回发生器。作用电极因手术的不同而选用不同形状的刀头、切割针、 切割环等。电极的作用面积相当小,从而使流过组织的电流密度很高,产生足够的热量,实际应用中通过调节输出功率、电流波形及电极和组织的接触程度来达到预期的效果。负极板(又称中性电极、扩散电极或病人板)的作用仅是提供发生器输出电流的回路,负极板上的电流强度与作用电极上的是一致的,因此负极板的面积需做得较大,以降低电流密度,从而避免出现热损伤。负极板从材质来分有金属平板和软性电极两种,软性负极板能保证负极板与病人的接触更为良好,不容易引起接触皮肤的过热烧灼。常见的软性负极板又有两种,可重复使用的硅胶负极板和一次性使用粘附型负极板。为了确保负极板使用的安全性,软性一次性负极板已取得了主导地位。一般电刀都提供了对负极板贴敷的负极板回路检测系统(REM),以确保手术安全。一旦发现接触不良,即刻停止工作,并发出报警。所以,如果没有接好负极板电刀是不能工作的。如图7所示分片式负极板把负极板的接触面分成独立的两块,通过仪器可以分别检测各自是否接触良好,从而可以保证负极板有足够的接触面积,这使电刀对负极板的监测能力大大提高。

图7 负极板回路检测系统

2.2.2 双极

双极技术顾名思义,电极集作用电极和负极于一体,电流由电极的一端流向靶组织,再由另一端流回发生器(图8)。

图8 双极技术

在某些组织结构较为复杂的手术中,如脑外科手术,为了提高手术的安全性,减少电流在人体中流经的距离,必须选择使用双极技术。双极电凝镊子是最常见的双极电极,镊子的两端均具有电凝的作用。此外微创外科手术中常见的腹腔镜器械很多也采用了双极技术,如双极电凝钳、穿刺电凝针等。双极技术最常用的是双极电凝功能,而双极电切功能只有部分较高级的电刀才能提供,并需配合使用特殊设计的双极切割针等双极切割器械。

单极技术的应用比双极技术更为广泛,单极电极更为灵活多样,操作更为简单方便。而双极技术更加安全和精细,在神经外科和其他微创手术中较为常见。

3 能量输出控制技术:智能组织感应技术TissueFectTM

常规电刀的使用质量受三个因素影响:组织类型、电极形状和大小以及操作医生的切割深度和移动速度。电刀的电压输出受这三个因素的影响而剧烈波动,造成输出效果的不稳定。一些高端电外科设备如ForceTraidTM ENERGY PLATFORM能量平台采用了智能组织感应技术TissueFectTM。该技术具备卓越的侦测速度,即每秒3333次对组织实时监测反馈,实时调控能量输出(图9)。

图9 智能组织感应技术TissueFectTM

对电刀输出的电流、电压、火花密度等参数高速采样反馈,迅速计算出一个合理的输出参数并加以对下一步输出智能调节,以确保组织效果稳定、安全且有效。常见的调节技术有电压自动调节技术和火花调节技术,确保在外界使用环境不断变化的情况下,电刀始终以有效且尽可能损伤小的效果输出,同时使高阻抗的水下或富脂肪区的切割也能顺利进行,即限制与补偿并行,这样电刀的输出可最大程度上不受上述三种因素的影响。如在初始切割阶段,由于电极与组织接触面积较大,为减少切割延时,额外的给出一个瞬间功率补偿,使得切割顺利进行,以避免由于电极在该切点过多地停顿而导致电流过多传导,造成过度热损伤。

4 LigaSureTM组织熔合技术

电刀的常规凝血模式往往只能用来处理一些小血管的破裂,手术中对于含有大血管的组织处理只能采用传统的缝线结扎,结扎夹或者较为昂贵的缝钉。术者的最高追求是无血的手术,而LigaSureTM组织熔合技术是目前可以真正实现智能无血切割的技术。

4.1 LigaSureTM组织熔合技术原理和特点

LigaSureTM是威利开发出了通过非脉冲式高电流来,低电压闭合结扎含有大血管组织的新功能。它的工作原理是:用特殊设计的双极凝血钳夹给含有大血管的组织加以恒定的压力(120PSI磅每平方英寸),辅以特殊控制的低电压、高电流的非脉冲波形,实时调控能量输出,只需2~4秒钟的电流传导,血管壁或组织形成一层白色透明凝固带,即实现了对最大7毫米的静脉、动脉(包含肺动脉、肺静脉)、淋巴管和包含有血管或淋巴管的组织束的闭合(LigaSureTM),被这样特殊凝固的血管壁能耐受3倍的平均动脉压的收缩压(图10)。

图10 LigaSureTM组织熔合技术。此图为H & E染色的猪肾动脉闭合带的纵切面,在压力 & 能量的作用下,胶原蛋白重新塑,血管壁已被融合在一起,内腔消失。

LigaSureTM将血管壁内膜融合在一起,由于胶原蛋白的重塑,闭合带均一而且富有弹性。独特的透明闭合带,永久性的闭合,不依赖于近端血栓,可承受3倍以上的平均动脉压的收缩压。

在闭合的过程中,通过对组织阻抗变化的实时监测,在闭合完成后电刀可自动切断输出,避免血管壁的过渡电凝。最小的热传导,较少的粘连和焦痂,并且闭合强度高于其他的能量技术,闭合强度与现存的机械闭合技术相当,凝闭结束后自动提示术者,手动切开组织。实现真正的智能无血切割的理念。

LigaSureTM技术的应用,可简化手术步骤,节约游离大血管的时间,减少出血的几率,降低手术风险,减少缝线的等外部材料的使用,减少人为影响的因数,完全由设备控制,凝闭效果卓越。尤其对腹腔镜手术大血管的处理和组织分离止血意义重大。所以我们称这种能量是智慧能量(VSE, Vessel Sealing Energy)。智能无血切割,具有以下一些特征:

(1)先凝后切,止血无忧传统结扎方式:缝线,夹子,缝钉都是先封闭,后切开。这样的方式方法是基于对手术中的出血做到最可靠的控制。基础能量(ESE)能量和超声动能(DSE)均为边凝边切开(基于分离的能力)。所以凝血性较弱。智慧能量(VSE)先凝闭后切开,止血无忧。

(2)大块咬合,高效分离基于先凝闭后切开的凝闭分离的方法,所以智慧能量(VSE)所匹配的刀头的切割长度更长。而超声动能(DSE)由于机械振动频率的物理原理,通常的有效切割范围是刀头的前2/3的部分。智慧能量(VSE)的切割范围通常是切割线的长度。二者的区别显而易见。DSE在工作中为了确保凝闭的安全性,通常是一小块一小块的将组织含入钳口,进行分离。VSE由于卓越的凝闭性,大块大块的对组织进行先凝闭,后切割。二者分离的效率都快,区别是智慧能量(VSE)具有卓越的凝血性。

(3)智慧能量,安全易用

高端电外科设备ForceTraidTM ENERGY PLATFORM能量平台采用了智能组织感应技术TissueFectTM(每秒3333次对组织实时监测反馈,实时调控能量输出)。

对主机输出的电流、电压参数高速采样反馈,迅速计算出一个合理的输出参数并加以对下一步输出智能调节,以确保组织效果稳定、安全且有效。

均恒钳口压力,确保凝闭均匀;实时侦测阻抗,实时智能调控;精确能量输出,最合适的功率;稳定温度控制,减少热损伤;迅速完成闭合,提高手术效率。

总来说智慧能量,减少人为因素 ,凝闭效果卓越。

4.2 LigaSureTM组织熔合技术相关设备介绍

盈锋刀头主要用于甲状腺手术,乳腺手术及肝胆外科手术。盈锋刀头采用独特的触觉反馈激发健及一体化切割健设计,激发和切割十分轻巧便捷(图11)。弧形刀头设计灵巧,头端配备双钝性分离片方便钝性分离。

图11 盈锋刀头:LigaSureTM Small Jaw LF1212弯形小钳口开放手术闭合器/分割器

盈锋刀头的钳口激活一次后平均温度是58 ℃,多次激活后的钳口平均温度是80 ℃ ,冷却的平均时间是只有1 s (在3~5 mm 血管束上单次闭合后温度<60 ℃),温度可控,减少热损伤。

钜锋刀头主要应用于各种开放手术中,尤其以胃肠外科手术为主。钜锋刀头端的闭合宽度3.3 mm,底端宽度4.7 mm,提供闭合带的宽度约为144 mm2,是迄今为止,凝闭带面积最大的刀头,从而提供最卓越的凝闭效果(图12)。同时也是目前市场上切割长度(34 mm)最长的刀头,分离效率最高的器械:2~4 s瞬间凝固-止血无忧,实现智能无血切割。所以我们称钜锋刀为外科手术的开路先锋。

图12 钜锋刀头:LigaSureTM Impact LF4200组织熔合开放器械

虽然钜锋刀在工作时效果显著,威力巨大,止血卓越,但是同样因为智能组织感应技术的精确控制,侧向热量的传导<2 mm。确保在高速切割的同时,最少的热量的侧损伤。

极锋刀头主要应用是腹腔镜手术中。极锋刀头是5 mm器械中切割长度及凝血效果都十分优秀的产品。极锋刀头的凝闭长度是19.5 mm,切割长度是17.8 mm。尤其是对于厚组织的切割表现上,极锋刀具有巨大的优势(图13)。

图13 极锋刀头:LigaSureTM 5mm Blunt Tip LF1537 5mm钝头腹腔镜闭合器/分割器

极锋刀头钳口张开宽度13.5 mm,钳口近似平行关闭,手术中提供充分的无损伤抓持和咬合的能力。虽然是钝性的器械,但是在刀头的头部会有弧形头端的钝性剥离片,在不同的组织层面进行分离,及开窗等外科动作。所以是一把多功能器械。

5 ForceTraidTM ENERGY PLATFORM能量平台

随着工业设计水平的进步,电外科的能量设备如ForceTraidTM ENERGY PLATFORM能量平台的制作工艺也得到了提高(图14)。高性能的处理器、传感器得到了越来越多的应用,液晶显示屏、触摸操作设计、操作系统的优化使得电外科的设备使用越来越好。

图14 ForceTraidTM ENERGY PLATFORM能量平台(A,B)

ForceTraidTM ENERGY PLATFORM能量平台集成基础能量和高级能量的设计理念,使功能组合更为完善,随着电外科临床应用的不断发展,越来越多的针对新适应症而优化的波形将推向市场,而这样的新波形输出方式,已经可以通过电外科能量的数据通讯接口把控制波形的算法更新升级到一个崭新的高度。

外科能量设备还需兼容最新的一体化手术室控制系统的设计的概念。未来,外科能量设备希望可实现器械自动识别功能,自动调出针对特殊器械的合适参数设置值。机身数字通讯接口使得远程维修诊断成为可能,并且作为智能化的设备,软件平台还必须可以时时更新,以面未来的变化。

6 声明

作者宣称没有利益冲突。

 

作者|李勇,广东省人民医院 普通外科

 

下期预告:

《腹腔镜胃肠手术笔记》基础篇已全部连载结束,下周将继续为您介绍胃手术篇的内容之《开腹手术向微创手术的过渡——腹腔镜胃癌手术的实践历程与感悟》,敬请期待!

往期精彩连载

doi:10.3978/kysj.2014.1.1532

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