今天想来聊聊超声刀。超声刀/超声器械（Ultrasonically activated devices，USADs），即超声手术器械，常在20-70kHz的频率范围以共振方式运行，可提供精确的组织切割和有效的止血性能，并伴较低的周围组织机械和热损伤。对于硬组织，超声器械通常在较低的频率下（20-35kHz）工作，1950年代初用于牙科切割的超声器械即诞生，但直到50余年后才出现作用于骨的器械，最初仅在口腔颌面外科使用，现在则更广泛地应用于神经外科、脊柱外科和骨科。对于血管等的软组织切割，则使用更大的超声波振幅和更高的频率（＞50kHz），现多用于腹腔镜术中（机器人亦可），也即今天主要所写的超声刀。

常用的超声刀有以下四种：Ethicon的Harmonic Scalpel（ACE）、Covidien的无线Cordless Sonicision（SNC）、Conmed的SonoSurg（SS）和Olympus的Thunderbeat（TB），前三个现归属哪里笔者就不赘述了。超声刀的原理是以超声产生振动来代替电流，组织颗粒的频繁振动会产生压力和摩擦，从而产生热量并导致蛋白质变性（并不是超声就没有热，也因此需要与组织接触），因此超声刀可凝固并切割直径在7mm以内的血管（不同厂家对应血管直径范围不同，譬如SNC就只有5mm），部分产品可重复灭菌多次使用，其余的就需要off-label了。

图1 常用不同刀口的示意图，注意最左边的Ligasure是个双极电刀

图2 典型超声刀的结构。虽然超声刀的设计自问世以来已有许多创新和进步，包括特定的刀口设计，不同的振动模式，但如图中，朗芝万式换能器及谐振喇叭的设计多年保持不变，这也限制了器械的小型化

图3 换能器金属材料的特性

图4 TB的设计更特殊一些，如图中刀口设计，双极射频能量如图中红色箭头横向传递，超声波能量则集中从蓝色箭头的方向传递，所以TB是双能量输出、随时切换

在2019年的一篇综述中，欧洲研究者们总结了常用超声刀的相关文献，并比较了其功效。研究者们认为，作为手术器械，需考虑以下五个因素：组织固定（爆破压Bursting pressure）、止血（安全的凝血Safe coagulation）、切割（精确组织切割Precise tissue section）、分离（精确组织分离Precise tissue separation）和组织控制（热传导Thermal spread）。其中，TB的灵活性得分更高，具有更高的适应能力与分离速度；而ACE与电刀相比，其热传导存在显著差异。此外，与电刀相比，USAD使用过程中产生烟雾较少，且颗粒数量和类型不同，主要由组织、血液和血液降解产物组成。产生烟雾的多少，也与其术中使用模式和刀头设计有关，在凝固模式下，ACE产生的烟雾是SNC的5倍，而SS产生的量最低，如下图3。

图5 腹腔镜下，不同超声刀的手术烟雾情况比较

图6 不同超声刀间的性能比较

超声刀已证实具有较低的平均爆破压和最小的热传导，但周围组织的热损伤，仍与输出功率和应用时间有关（故推荐5秒使用后暂停5秒）。研究证实，与单极或双极电刀相比，ACE造成的热损伤较小，如下图5。

图7 不同功率设置下不同刀产生的热损伤

通过红外热成像仪测量刀头的温度证实，SNC使用较热的刀头改善了切割，而SS通过较慢的加热过程具有更精确的凝固效果。各超声刀产生的热辐射相似，最高凝固温度也类似，但最高切割温度存在显著差异，达到60℃的冷却时间也存在显著的差异（ACE 35.7秒，SNC 38.7秒，SS 27.4秒，p＜0.001）。

图8 不同超声刀的热辐射和最高切割温度的比较

但是，相比其他能量器械，采用振动方式的超声刀无法加用涂层，也不能采取可转弯的刀头设计，只能在刀头上做弧形处理，也即此类产品的通病；另，速度偏慢，在机器人手术中不如单极钳和双极剪。

自然，对于超声刀，大家略审美疲劳了，目前更新一代的是微波刀，或称微波凝固手术器械（Microwave coagulation surgical instruments，MWCX），使用微波介电加热，来切除及凝固更大的血管和脆弱的实质组织，譬如肝和脾等。在去年的日本动物试验报道中，虽未与其他能量设备进行对比，但微波器械已证实可安全、有效地实现了16头猎犬的部分肝切除术（Partial hepatectomy，PH）。

图9 （A）和（C），Acrosurg剪刀（AS）（Nikkiso Co.,），微波的中心电极集成在15mm固定下刀片内，厚度2.5mm，15mm上刀片可旋转，厚度1.4mm；（B）和（D）Acrosurg镍（AT）（Nikkiso Co.,），可见其双极镍式头端内，每个锯齿爪包括一个中心电极和两个平行的外电极。所有微波器械都连接到ASG-01发生器，产生2,450MHz的微波

那么，今天就浅浅地写到这，特别感谢一位妇科老师和工程师朋友们的帮助。

引用文献：

1.  Daniel Seehofer, Martina Mogl, Sabine Boas-Knoop, et al. Safety and efficacy of new integrated bipolar and ultrasonic scissors compared to conventional laparoscopic 5-mm sealing and cutting instruments. Surg Endosc (2012) 26: 2541-2549.

2.  Xuan Li, Thomas Stritch, Kevin Manley, et al. Limits and opportunities for miniaturizing ultrasonic surgical devices based on a langevin transducer. IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS, FERROELECTRICS, AND FREQUENCY CONTROL, VOL. 68, NO. 7, JULY 2021. 

3.  Khiem Tran Dang, Shigeyuki Naka, Atsushi Yamada, et al. Feasibility of microwave-based scissors and tweezers in partial hepatectomy: an initial assessment on canine model. Front. Surg. 17 June 2021.

4.  Rajesh Devassy, Sadaf Hanif, Hugo C. Verhoeven, et al. Lapatoscopic ultrasonic dissectors: technology update by a review of literature. Medical Devices: Evidence and Research 2019: 12: 1-7.