今天想來聊聊超聲刀。超聲刀/超聲器械（Ultrasonically activated devices，USADs），即超聲手術器械，常在20-70kHz的頻率范圍以共振方式運行，可提供精確的組織切割和有效的止血性能，并伴較低的周圍組織機械和熱損傷。對于硬組織，超聲器械通常在較低的頻率下（20-35kHz）工作，1950年代初用于牙科切割的超聲器械即誕生，但直到50余年后才出現作用于骨的器械，最初僅在口腔頜面外科使用，現在則更廣泛地應用于神經外科、脊柱外科和骨科。對于血管等的軟組織切割，則使用更大的超聲波振幅和更高的頻率（＞50kHz），現多用于腹腔鏡術中（機器人亦可），也即今天主要所寫的超聲刀。

常用的超聲刀有以下四種：Ethicon的Harmonic Scalpel（ACE）、Covidien的無線Cordless Sonicision（SNC）、Conmed的SonoSurg（SS）和Olympus的Thunderbeat（TB），前三個現歸屬哪里筆者就不贅述了。超聲刀的原理是以超聲產生振動來代替電流，組織顆粒的頻繁振動會產生壓力和摩擦，從而產生熱量并導致蛋白質變性（并不是超聲就沒有熱，也因此需要與組織接觸），因此超聲刀可凝固并切割直徑在7mm以內的血管（不同廠家對應血管直徑范圍不同，譬如SNC就只有5mm），部分產品可重復滅菌多次使用，其余的就需要off-label了。

圖1 常用不同刀口的示意圖，注意最左邊的Ligasure是個雙極電刀

圖2 典型超聲刀的結構。雖然超聲刀的設計自問世以來已有許多創新和進步，包括特定的刀口設計，不同的振動模式，但如圖中，朗芝萬式換能器及諧振喇叭的設計多年保持不變，這也限制了器械的小型化

圖3 換能器金屬材料的特性

圖4 TB的設計更特殊一些，如圖中刀口設計，雙極射頻能量如圖中紅色箭頭橫向傳遞，超聲波能量則集中從藍色箭頭的方向傳遞，所以TB是雙能量輸出、隨時切換

在2019年的一篇綜述中，歐洲研究者們總結了常用超聲刀的相關文獻，并比較了其功效。研究者們認為，作為手術器械，需考慮以下五個因素：組織固定（爆破壓Bursting pressure）、止血（安全的凝血Safe coagulation）、切割（精確組織切割Precise tissue section）、分離（精確組織分離Precise tissue separation）和組織控制（熱傳導Thermal spread）。其中，TB的靈活性得分更高，具有更高的適應能力與分離速度；而ACE與電刀相比，其熱傳導存在顯著差異。此外，與電刀相比，USAD使用過程中產生煙霧較少，且顆粒數量和類型不同，主要由組織、血液和血液降解產物組成。產生煙霧的多少，也與其術中使用模式和刀頭設計有關，在凝固模式下，ACE產生的煙霧是SNC的5倍，而SS產生的量最低，如下圖3。

圖5 腹腔鏡下，不同超聲刀的手術煙霧情況比較

圖6 不同超聲刀間的性能比較

超聲刀已證實具有較低的平均爆破壓和最小的熱傳導，但周圍組織的熱損傷，仍與輸出功率和應用時間有關（故推薦5秒使用后暫停5秒）。研究證實，與單極或雙極電刀相比，ACE造成的熱損傷較小，如下圖5。

圖7 不同功率設置下不同刀產生的熱損傷

通過紅外熱成像儀測量刀頭的溫度證實，SNC使用較熱的刀頭改善了切割，而SS通過較慢的加熱過程具有更精確的凝固效果。各超聲刀產生的熱輻射相似，最高凝固溫度也類似，但最高切割溫度存在顯著差異，達到60℃的冷卻時間也存在顯著的差異（ACE 35.7秒，SNC 38.7秒，SS 27.4秒，p＜0.001）。

圖8 不同超聲刀的熱輻射和最高切割溫度的比較

但是，相比其他能量器械，采用振動方式的超聲刀無法加用涂層，也不能采取可轉彎的刀頭設計，只能在刀頭上做弧形處理，也即此類產品的通病；另，速度偏慢，在機器人手術中不如單極鉗和雙極剪。

自然，對于超聲刀，大家略審美疲勞了，目前更新一代的是微波刀，或稱微波凝固手術器械（Microwave coagulation surgical instruments，MWCX），使用微波介電加熱，來切除及凝固更大的血管和脆弱的實質組織，譬如肝和脾等。在去年的日本動物試驗報道中，雖未與其他能量設備進行對比，但微波器械已證實可安全、有效地實現了16頭獵犬的部分肝切除術（Partial hepatectomy，PH）。

圖9 （A）和（C），Acrosurg剪刀（AS）（Nikkiso Co.,），微波的中心電極集成在15mm固定下刀片內，厚度2.5mm，15mm上刀片可旋轉，厚度1.4mm；（B）和（D）Acrosurg鎳（AT）（Nikkiso Co.,），可見其雙極鎳式頭端內，每個鋸齒爪包括一個中心電極和兩個平行的外電極。所有微波器械都連接到ASG-01發生器，產生2,450MHz的微波

那么，今天就淺淺地寫到這，特別感謝一位婦科老師和工程師朋友們的幫助。

引用文獻：

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.