La evolución de las herramientas quirúrgicas puede describirse como una épica. Desde la antigua era bárbara, a través de la era de cobre y hierro, hasta la aplicación generalizada de tecnologías de vanguardia, como cuchillos eléctricos de alta frecuencia, cuchillos ultrasónicos, cuchillos láser y cuchillos de protones hoy en día, cada cambio ha promovido un gran progreso en la cirugía. La velocidad de este desarrollo es impresionante.
Entre muchas herramientas quirúrgicas, los escalpelos ultrasónicos se destacan con sus ventajas únicas. No solo tiene múltiples funciones como corte, hemostasia, separación y tracción, sino que también se elogia mucho por sus características, como el corte rápido, menos sangrado y menos humo. En cirugía, es como un caballero de armadura, agitando una espada en la mano para erradicar el dolor para los pacientes.
A continuación, exploraremos en profundidad el principio de trabajo, la aplicación clínica, la estructura del producto y las dificultades técnicas de los escames ultrasónicos, así como la innovación tecnológica y las direcciones de desarrollo futuro. Espero que a través de esta investigación especial, podamos tener una comprensión más completa del encanto de los esclavitud ultrasónica y su posición indispensable en la cirugía.
En 1967, el Dr. Kelman desarrolló el primer dispositivo de emulsificación ultrasónica del mundo con la innovación de la energía ultrasónica. Esta invención innovadora proporciona un fuerte apoyo para el tratamiento de la ruptura y la emulsificación de la lente ocular. Con el advenimiento de la década de 1980, el campo de aplicación de los escalpelos ultrasónicos se expandió gradualmente a la industria de la cirugía plástica. En 1992, dos expertos clínicos estadounidenses fueron lo suficientemente valientes como para innovar y tomaron la iniciativa al introducir los productos de bisturí ultrasónicos de Ultracision en una cirugía laparoscópica, abriendo así una perspectiva de mercado más amplia para los escames ultrasónicos en el campo de las operaciones quirúrgicas. Para satisfacer las diferentes necesidades clínicas, han surgido varias formas de productos de bisturí ultrasónicos, como los escalpedes ultrasónicos de tejidos blandos, los escalpelos ultrasónicos de hueso y los escalpones de succión de emulsificación ultrasónica. Este artículo se centrará en la introducción de los escala ultrasónicos de tejido blando quirúrgico (abreviado como "escalpel ultrasónico").
1.1 Principio de conversión de energía
La función central de la fuente de alimentación ultrasónica es convertir eficientemente las señales eléctricas de CA convencionales en señales eléctricas de frecuencia ultrasónica como base para la salida de energía. En este proceso de conversión, el transductor ultrasónico juega un papel vital. Se encuentra en la unidad de vibración ultrasónica y puede convertir aún más las señales eléctricas de frecuencia ultrasónica en vibraciones mecánicas de alta frecuencia. Posteriormente, a través de la amplificación de la bocina ultrasónica, el cabezal de la cuchilla puede generar vibración mecánica de frecuencia ultrasónica con una amplitud específica. Esta vibración es la clave para el corte y la coagulación eficientes del cuchillo ultrasónico.
1.2 Principio de corte y coagulación
La cabeza de la cuchilla ultrasónica vibra a una frecuencia específica. Cuando entra en contacto con las células de los tejidos, el líquido en las células se vaporiza, lo que hace que los enlaces de hidrógeno de proteína se rompan, lo que hace que las células se desintegran y vuelvan a fusionar. Posteriormente, el tejido se corta en un estado coagulado. En el proceso de cortar los vasos sanguíneos, la vibración mecánica de la cabeza de la cuchilla ultrasónica interactúa con proteínas de tejido para generar calor, destruyendo así la estructura de colágeno en el tejido, logrando la coagulación de proteínas y el cierre de los vasos sanguíneos, y logrando el propósito de la hemostasia.
(1) efecto mecánico
Bajo la acción del ultrasonido con intensidad de sonido moderada, el tejido produce vibración elástica. A medida que aumenta la intensidad del sonido, cuando la vibración mecánica del tejido excede su límite elástico, se romperá o pulverizará. Al cortar el tejido blando, la amplitud mínima requerida por la cabeza de la cuchilla quirúrgica es de 40 μm, mientras que en la osteotomía, la cabeza de la cuchilla debe generar una amplitud de más de 100 μm.
(2) efecto térmico
El calor es un factor clave para lograr la coagulación del tejido y la hemostasia. Esto incluye la energía térmica viscoelástica dentro del tejido y el calor generado por la fricción entre la cuchilla y el tejido.
(3) efecto de cavitación
Las burbujas de cavitación generan alta temperatura y alta presión en muy poco tiempo, mientras que libera fuertes ondas de choque y chorros, que emulsionan y fragmentan el tejido. Cuando el extremo de vibración de alta frecuencia del cuchillo ultrasónico se coloca en tejidos blandos como el tejido adiposo y el tejido alveolar, la temperatura dentro de las células del tejido blando alrededor de la cuchilla aumentará significativamente. Una vez que la temperatura alcanza el punto de ebullición del agua en la célula, el agua en la célula se vaporizará y aumentará en volumen, lo que hace que la célula se rompa. La gran cantidad de gas liberado después de la ruptura celular ayuda a expandir la capa de tejido, lo que facilita la operación quirúrgica bajo el concepto de "anatomía de membrana" de los órganos modernos.
1.3 Comparación de varios tipos de escalpeles
Durante la operación, es crucial elegir el bisturí derecho. A continuación, compararemos diferentes tipos de escalpeles, incluidos los escames tradicionales, los cuchillos láser, los cuchillos de microondas y los cuchillos ultrasónicos, para ayudarlo a comprender mejor sus ventajas y desventajas.
Desde la perspectiva de la aplicación clínica, los escalpelos ultrasónicos funcionan bien en el corte de tejidos blandos, especialmente en escenarios quirúrgicos que requieren un control preciso del sangrado y el daño térmico minimizado. A menudo se usa para cerrar los vasos sanguíneos con un diámetro de 3 mm o menos, y a veces incluso puede manejar los vasos sanguíneos con un diámetro de 5 mm o menos. Sin embargo, para los vasos sanguíneos con un diámetro de 5 mm o más, los médicos generalmente usan cierres de vasos grandes, clips de ligadura o suturas de ligadura. Además, los escalpeles ultrasónicos no solo son adecuados para la cirugía abierta, sino que también se usan ampliamente en cirugía laparoscópica, y juegan un papel importante en diversas cirugías en múltiples departamentos, como cirugía general, ginecología, urología, cirugía torácica, cirugía de cabeza y cuello.
Los productos quirúrgicos ultrasónicos comunes generalmente incluyen un host y varios accesorios. Entre estos accesorios, el transductor es un componente clave, que es responsable de convertir la energía eléctrica en energía ultrasónica. La cabeza del bisturí ultrasónica, como la parte que contacta directamente con el tejido, su diseño cubre componentes clave como el mango, la varilla de guía de onda y la cánula. Además, el interruptor del pie y el dispositivo de control manual en la cabeza del bisturí funcionan juntos para lograr un control preciso de la energía de salida del host.
Las diversas manijas de la cabeza del bisturí ultrasónica incluyen el tipo de abrazadera, el tipo de agarre y el tipo de tijera.
La longitud estándar de la barra de cuchillo ultrasónico suele ser de 23 cm, 36 cm o 45 cm. Además, la punta de la cuchilla tiene una variedad de estructuras morfológicas, como tijeras multipropósito, tijeras múltiples curvas, cuchillos de desnudos curvos, ganchos de separación y bolas hemostáticas. Los médicos pueden elegir de manera flexible el mango apropiado, la longitud de la cuchilla y la forma de la cuchilla de acuerdo con las necesidades específicas de la operación para adaptarse a diferentes tipos de operaciones y grupos de pacientes, como pacientes obesos, cirugía laparoscópica convencional, laparotomía y cirugía superficial.
3.1 Generador ultrasónico (host)
El generador ultrasónico, también conocido como una fuente de alimentación ultrasónica, es un dispositivo especialmente diseñado para generar y transmitir señales eléctricas de frecuencia ultrasónica a un transductor ultrasónico. Según su principio de trabajo, los generadores ultrasónicos se pueden dividir en dos categorías: circuitos analógicos y circuitos digitales. En la actualidad, los generadores ultrasónicos del circuito digital tienen una posición dominante en aplicaciones prácticas debido a su excelente eficiencia de conversión de energía.
Como componente central del sistema ultrasónico, el rendimiento del generador ultrasónico afecta directamente el efecto de operación de todo el sistema. Según diferentes principios de trabajo, los generadores ultrasónicos se pueden dividir en dos categorías: circuitos analógicos y circuitos digitales. En el mercado actual, los generadores ultrasónicos del circuito digital se han convertido en la opción principal debido a su excelente eficiencia y estabilidad de conversión de energía.
Los módulos de hardware básicos de los generadores ultrasónicos del circuito digital incluyen generadores de señales, circuitos de amplificador de potencia, circuitos de coincidencia de impedancia y circuitos de retroalimentación. Durante la operación del transductor ultrasónico, inevitablemente ocurrirán los cambios de impedancia, lo que implica un ajuste dinámico del tamaño de la impedancia y la frecuencia resonante. Para garantizar que la carga pueda obtener la máxima potencia, la impedancia de la fuente de alimentación debe ser consistente con la impedancia de la carga. Por lo tanto, la fuente de alimentación ultrasónica debe tener la capacidad de rastrear la frecuencia de funcionamiento del transductor ultrasónico y emitir una señal de potencia de la frecuencia correspondiente en consecuencia.
(2) Desafíos técnicos: adaptación de tejido
Durante la operación, debido a la diferencia en la textura del tejido cortado y coagulado, la carga cambiará dinámicamente, lo que hará que la frecuencia de funcionamiento y la amplitud de salida del transductor ultrasónico cambien. Si la fuente de alimentación no puede rastrear la frecuencia a tiempo para alcanzar el estado resonante, la eficiencia de conversión de energía del transductor se reducirá significativamente, lo que provocará que el transductor se sobrecaliente, afectando así la eficiencia de la operación. Además, el control de potencia de salida inadecuado de la fuente de alimentación ultrasónica también prolongará el tiempo que tarda el bisturí ultrasónico en cortar el tejido y reducir el efecto de hemostasia. Por lo tanto, la tecnología de control de seguimiento automático de frecuencia de la fuente de alimentación ultrasónica es crucial para mantener su estabilidad.
La adaptación del tejido, es decir, la salida cambia con la impedancia de carga, es la tecnología central del host de la fuente de alimentación ultrasónica. Tomando el cuchillo ultrasónico de Johnson y Johnson como ejemplo, su sistema host adopta un modo de corte de un botón y hemostasis, que puede operar automáticamente varios tejidos con un botón sin la necesidad de posiciones de engranaje. Después de presionar el botón, el sistema emitirá tres segmentos de energía de "alto alto y alto" con el tiempo. El método de control de salida de cada segmento de energía es diferente, y se ajustará de manera inteligente de acuerdo con la impedancia de carga recolectada en tiempo real. Esta tecnología puede proporcionar soporte energético de forma continua, inteligente y efectiva.
Después de la acumulación y optimización de datos clínicos a largo plazo, el cuchillo ultrasónico de Johnson & Johnson ha mostrado un mejor rendimiento que las marcas nacionales.
3.2 Transductor ultrasónico
El transductor ultrasónico, como el núcleo de la unidad de vibración ultrasónica, es responsable de convertir eficientemente la energía eléctrica de frecuencia ultrasónica en energía mecánica de alta frecuencia. Este proceso amplifica aún más la amplitud y reúne energía a través de la varilla de amplitud, y finalmente transmite con precisión la energía a la cabeza del cuchillo. En la actualidad, los transductores ultrasónicos convencionales en el mercado se pueden dividir en dos categorías: transductores piezoeléctricos y transductores magnetostrictivos.
Con la popularización de materiales cerámicos piezoeléctricos, los transductores magnetostrictivos han sido reemplazados gradualmente por transductores ultrasónicos piezoeléctricos, y todavía se usan solo en algunos campos especiales. En la actualidad, los transductores piezoeléctricos se han convertido en la opción principal en el mercado. A continuación, exploraremos los principios y estructuras centrales de los transductores piezoeléctricos en profundidad.
(1) Principio de trabajo de los transductores piezoeléctricos: efecto piezoeléctrico
Cuando los materiales piezoeléctricos se deforman por el estrés mecánico, la disposición especial de los átomos en su red conducirá a la aparición de la polarización, generando así una diferencia de potencial medible en todo el material, que se llama efecto piezoeléctrico positivo. Por el contrario, si se aplica un voltaje a la superficie de un material piezoeléctrico, el material será deformado por el campo eléctrico, que se llama efecto piezoeléctrico inverso. El tamaño y la dirección de la deformación dependen de la dirección del campo eléctrico, la dirección de polarización del material y el método de conexión con la estructura adyacente. Esto significa que los materiales piezoeléctricos tienen la función de convertir la energía mecánica en energía eléctrica y convertir la energía eléctrica nuevamente en energía mecánica. En los escalpelos ultrasónicos, esta característica permite a los cristales piezoeléctricos convertir eficientemente la energía eléctrica en energía mecánica a través del efecto piezoeléctrico inverso.
(2) Análisis estructural de transductores piezoeléctricos
A continuación, comprenderemos más la estructura interna de los transductores piezoeléctricos.
Tomando el transductor ultrasónico de cerámica piezoeléctrica sándwich como ejemplo, sus componentes centrales incluyen láminas de cerámica piezoeléctrica, cubierta delantera de metal, cubierta posterior de metal, láminas de electrodos de metal y pernos pretensados. En términos de diseño, la cubierta frontal generalmente está hecha de metal ligero para mejorar la eficiencia de transmisión hacia adelante de las ondas ultrasónicas, mientras que la cubierta posterior está hecha de metal pesado para garantizar la estabilidad del transductor.
(3) Materiales piezoeléctricos
Los materiales piezoeléctricos se pueden dividir en dos categorías: materiales piezoeléctricos inorgánicos y materiales piezoeléctricos orgánicos. Entre ellos, los materiales piezoeléctricos inorgánicos se dividen aún más en cristales piezoeléctricos (como cristales individuales piezoeléctricos) y cerámica piezoeléctrica (materiales sintéticos). La cerámica piezoeléctrica tiene excelentes propiedades mecánicas, inercia química y fabricación simple. Se pueden convertir de forma flexible en varias formas y tamaños, y la dirección de polarización se puede seleccionar libremente, lo que los convierte en una opción ideal para la fabricación de transductores. Por esta razón, la cerámica piezoeléctrica se ha utilizado ampliamente en el campo de los transductores.
Las principales materias primas para hacer cerámicas piezoeléctricas incluyen titanato de bario, titanato de circonato de plomo y niobato de litio. Estos materiales muestran una mayor capacidad de generación de energía que muchos materiales naturales. Entre ellos, el titanato de circonato de plomo (PZT) es la materia prima más utilizada en la fabricación de cerámica piezoeléctrica. Se sintetiza a partir de plomo y circonio a alta temperatura. Los fabricantes comerciales de cuchillos ultrasónicos, como Johnson & Johnson, generalmente usan cerámica piezoeléctrica PZT-8. Sin embargo, diferentes compañías elegirán materiales P8 con diferentes parámetros de rendimiento (como la constante dieléctrica relativa, la pérdida dieléctrica y el coeficiente de acoplamiento electromecánico) de acuerdo con las características de sus propios transductores.
(4) Desafíos técnicos
La velocidad de corte y coagulación de los cuchillos ultrasónicos se ve afectada por muchos factores, incluida la eficiencia de conversión electroacústica del transductor, la pérdida mecánica y la eficiencia de transmisión de la guía de onda ultrasónica y la estabilidad de salida del sistema de cuchillos ultrasónicos. Mejorar los indicadores centrales del transductor y garantizar que la energía ultrasónica pueda transmitirse de manera eficiente y de manera estable a la punta de la cuchilla es la clave para optimizar el sistema mecánico del cuchillo ultrasónico. Los materiales cerámicos piezoeléctricos de alto rendimiento juegan un papel vital en este proceso.
Los materiales cerámicos piezoeléctricos de alta calidad deben tener un alto factor de calidad mecánico, un alto coeficiente piezoeléctrico, coeficiente de acoplamiento electromecánico alto, baja pérdida dieléctrica y rendimiento estable (como la temperatura y la estabilidad de la frecuencia). A través de la modificación de dopaje, el desarrollo de múltiples componentes y la optimización del proceso de preparación de los materiales cerámicos, se puede lograr un control fino de las propiedades del material. En la actualidad, la mayoría de los fabricantes eligen comprar cerámicas piezoeléctricas de fabricantes aguas arriba en el hogar y en el extranjero, pero algunos fabricantes también tienen la capacidad de desarrollar su propia investigación.
3.3 Transformador de amplitud
En el sistema de vibración ultrasónica, el transformador de amplitud juega un papel vital. Dado que la amplitud de vibración generada por la superficie radiante del transductor ultrasónico es pequeña, generalmente a una frecuencia operativa de 20 kHz, su amplitud es solo unos pocos micras, que está lejos de ser suficiente para satisfacer las necesidades reales. Por lo tanto, se introduce el transformador de amplitud, que puede amplificar efectivamente la velocidad de desplazamiento y movimiento de las partículas de vibración mecánica, concentrar la energía ultrasónica en un área pequeña y, por lo tanto, lograr el efecto de recolección de energía. Además, el transformador de amplitud también actúa como un transformador de impedancia mecánica, que coincide con la impedancia entre el transductor y la carga para garantizar que la energía ultrasónica se pueda transmitir eficientemente desde el transductor al extremo de la carga.
3.4 Cabeza ultrasónica del bisturí
La cabeza del bisturí ultrasónica, un componente clave, consiste en componentes de precisión como un mango, una varilla de guía de ondas (es decir, un vástago) y una manga. Entre ellos, el vástago es el núcleo de la cabeza del bisturí, y su selección de material y nivel de proceso están directamente relacionados con el riesgo de rotura del bisturí. En la actualidad, las aleaciones de titanio son favorecidas por su baja impedancia acústica, la alta resistencia a la tracción y el peso ligero, y la aleación TC4 (TI-6Al-4V) es la mejor entre ellos. La aleación de titanio TC4 no solo tiene las ventajas de las aleaciones de titanio y excelente plasticidad y resistencia térmica, sino que también puede funcionar durante mucho tiempo a 400 grados, y tiene una excelente resistencia a la corrosión del agua de mar. Además, su proceso de producción es simple, y se puede fortalecer mediante la soldadura, la formación de calor y el frío, el enfrentamiento y el tratamiento con envejecimiento, lo que hace que el vástago sea fuerte y duradero. Sin embargo, el alto costo de los materiales de aleación de titanio importados sigue siendo un desafío, y los fabricantes buscan activamente alternativas nacionales para reducir los costos de producción.
4.1 Indicadores clave de rendimiento
En aplicaciones clínicas, los indicadores de rendimiento de los escalpeles ultrasónicos han recibido una atención generalizada. Estos indicadores cubren aspectos como el efecto de cierre vascular, la eficiencia del cierre de corte, el rango de daño térmico, la capacidad de corte fino y la separación, la fuerza de sujeción y la anti-adhesión. Entre ellos, la eficiencia de corte y el efecto de cierre vascular se consideran los indicadores más centrales, que afectan directamente el efecto quirúrgico y la seguridad. Al mismo tiempo, los estándares de la industria y las pautas relevantes también proporcionan métodos de evaluación claros y estándares para estos indicadores de rendimiento.
4.2 Problemas clínicos comunes
En aplicaciones clínicas, encontramos que los productos de bisturí ultrasónicos en el mercado generalmente tienen los siguientes problemas: primero, el efecto de coagulación a menudo no es ideal; En segundo lugar, el tejido blando en la incisión se daña fácilmente por el calor, lo que resulta en no cerrar normalmente, cortar falla o rotura de la cuchilla; Además, existe el riesgo de que se deje la materia extraña en el cuerpo, como el desprendimiento de la almohadilla de los tejidos o los componentes internos del desprendimiento del producto. Estos problemas ocurren por una variedad de razones, generalmente relacionadas con el trabajo coordinado de múltiples componentes del sistema ultrasónico de bisturí. Además de la operación clínica inadecuada, los defectos técnicos o de proceso de cualquier componente pueden afectar el rendimiento general del bisturí ultrasónico.
En aplicaciones clínicas, a menudo enfrentamos los siguientes riesgos traídos por los productos de bisturí ultrasónico: primero, debido al mal efecto de coagulación, puede ocurrir hemorragia postoperatoria; En segundo lugar, el tejido blando en la incisión puede no ser capaz de cerrar normalmente debido al daño térmico, lo que puede conducir a graves consecuencias como la falla de corte o la rotura de la cuchilla; Además, existe el riesgo potencial de que se deje la materia extraña en el cuerpo, como el desapego de la almohadilla de los tejidos o
En aplicaciones clínicas, a menudo enfrentamos los siguientes riesgos traídos por los productos de bisturí ultrasónico: primero, debido al mal efecto de coagulación, puede ocurrir hemorragia postoperatoria; En segundo lugar, el tejido blando en la incisión puede no estar cerrado normalmente debido al daño térmico, lo que puede conducir a graves consecuencias como la falla de corte o el bisturí roto; Además, existe el riesgo potencial de que se deje la materia extraña en el cuerpo, como las almohadillas de los tejidos que se caen o los componentes internos del producto se caen. La existencia de estos riesgos no solo afecta el efecto de aplicación clínica de los escalpelos ultrasónicos, sino que también puede amenazar la seguridad de los pacientes.
Por lo tanto, en las operaciones clínicas, debemos estar particularmente atentos a estos riesgos y tomar las medidas preventivas correspondientes para garantizar la seguridad de los pacientes y el progreso suave de la operación.
