高频电刀发展及临床应用的综述
宋涛，田金，许锋
北京大学第三医院 医学工程处，北京100191
[摘 要]本文介绍了电外科设备高频电刀在各历史时期的演变与发展，并对高频电刀的生物物理学基础、类型进行总结，最后分析了目前高频电刀国内外发展现状、质量控制、存在的问题及未来发展趋势。
[关键词]电外科；高频电刀；自适应调节
1 高频电刀发展历史
灼烧法被视为高频电刀治疗的基本原理，其应用到疾病治疗最早可追溯到史前时代，那时人们利用加热的石头止血。20世纪20年代初，外科医生们使用灼烧和通电流的方法对患者进行治疗，现在灼烧法已成为最普遍的应用技术之一。植物生理学家William T.Bovie被视为高频电刀之父。
18世纪初，电流逐步开始应用于医学领域中，Goldwyn围绕着现代高频电刀技术的发展阐述了三个时代[1-2]。第一个时代始于静电的发现与使用，这个时代的时间表并不清晰；第二个时代，始于1786年Luigi Galvani偶然发现“电镀”，这一发现和随后的实验促使了“电生理学”的诞生[3-4]；第三个时代可追溯到1831年，其标志为英国的Faraday和美国的Henry分别证明了在导线中移动的磁场可以产生电流[5]。
19世纪，医疗逐步实现了电子化。1897年，Franz Nagelschmidt研究发现，关节和循环系统疾病受益于电流在治疗过程中的应用[6-7]。他撰写了一篇关于“电热疗法”的文章来阐述6年前d'Arsonval发现的热效应。1900年，巴黎内科医生Joseph Rivered在工作中获得创新性发现[8]，当他用类似于Nagelschmidt的发电机产生的电流来治疗一个失眠症病人的时候，电极间的火花电弧使病人的皮肤凝固，最终他使用这种电弧电流治疗了一个手部癌性溃疡的病人，这是首例被记录的使用高频电流的外科手术案例。在随后的十几年里，人们普遍地使用电流来治疗皮肤损伤、口腔和膀胱血管瘤、痔疮的凝结等疾病[9]。
William L.Clark被人们称作“美国电刀鼻祖”[10]。1910年，Clark在完全不知道欧洲在此领域成就的前提下，设计并制作了一台新设备。这台设备能够产生高达3 A的电流，通过增加电流和减小电压来产生热量更大、时间更短的电火花，从而可以穿透更深层的人体组织。1914年，他用“干燥方法”描述由于脱水而使组织损坏、碳化而带来的影响[11-12]。Clark成为第一个常规使用这种方法来去除皮肤、头部、颈部、乳房和子宫颈恶性增生的美国人，自此开创了美国高频电刀技术，推动了该类技术的快速发展。
20世纪80～90年代，研究集中在确定电刀产生多余神经肌肉刺激的根本机理上。根据d'Arsonval的研究，电流频率在10 kHz以上不可能产生肌肉神经刺激[13-14]。但许多研究者认为，鉴于19世纪末期的生物物理学研究水平较低，d'Arsonval的研究结论可能并不完全正确[15-16]。事实上，随后的研究表明，如果电流够大，在更高的频率条件下神经肌肉刺激也会发生。有人发现高频输入信号整流引起低频分量的产生，这些低频分量能产生刺激；另一种理论认为肌肉神经刺激可能是一种热效应。至此为止，虽然电刀已经在临床上应用了将近一个世纪，但是关于其基本原理仍存在很多争议。
2 高频电刀生物物理学基础
电流在传导时，流经人体组织并对组织加热。根据欧姆定律，电流可以通过在给定时间内电子的流量来测量，电压是相对电路中电阻的电动势[17]。在电刀中，电压由电压源提供，电流沿着电刀电极尖端传输到人体组织。所以人体组织的电阻是固有的，固有的电阻越大，电流留过人体所需的电压也越大。此外，随着越来越多的表面组织烧灼，电导率会下降，组织的电阻增加，为了让电流穿透到组织以下就需要采用更大的电压。电子与电场的调节定律与流体运动定律相似，电子在电场作用下移动，总是寻找最小的路径，就像水在地球万有引力中的运动一样。电压源提供的电动势能够驱动电路中的电流，就像水泵可以泵水一样。
高频电刀需要一个闭合的回路使电流流动。在一个不完整的回路中，电流将会流向地面[18]。1970年以前，电刀能量的流动与大地相关。在这种情况下，病人本身就是潜在接触地面的路径，电流会选择最小电阻的路径。这可能导致电流流经与人体接触的负极垫或静脉电极。当接触面的电流密度足够大时，患者有灼伤的风险，这种潜在的危险可以通过引入与地面隔离的发生器而消除。发生器可以提供一个低电阻的电流通路，从而限制了电极与病人回路电极间电流的流动。隔离发生器电路示意图，见图1[19-20]。
图1 隔离发生器电路示意图
3 高频电刀分类
电刀从能量传递的角度可以分为单极和多极两类。Bovie电刀便是单极电刀，其通过有效电极尖端传递电流，此电流通过一个贴在病人身上的导电电极片穿过病人并返回发生器设备。双极设备有一个类似手术钳的双极镊子，在手术部位进行操作时有效电极和返回电极分别起作用。双极设备的能量传递仅限于镊子间的人体组织而不会穿过整个人体。因此，计划外电流的能量传递可以较少地扩散到患者其他部位[21]。
使用单极设备，电刀传递能量会增强，通过发射氩气流可以改善大面积持续性出血的手术效果。在肝移植方面的发展使得氩气流适用于大面积电凝、肝脏渗血、腹膜后以及膈肌表面等[22]。双极设备已经从应用于组织凝血发展为可融合血管结构的内膜层。随着计算机技术的发展，计算机可以连接到电外科发生器，复杂的闭环反馈控制算法使得血管结构的合并直径达到7 mm。因此，外科医生创建了一个“自体夹”来实现无缝合线、钉书针和传统夹子的止血缝合，1998年，这种“血管密封器”装置首次被介绍[23]。
4 应用现状
高频电刀可应用于各种传统的外科手术，包括：脾切除术、甲状腺切除术、肝脏切除、肺切除、痔疮切除、胃切除、肾脏切除等。在不同手术中，应用电刀进行血管封闭都具有显著的优点。Romano等人使用LigaSure血管闭合系统（Valleylab公司）对10例患者进行腹腔镜脾切除并取得良好效果，研究显示出血转化率为10%，低于其他相关研究结果，平均手术时间也明显低于其他手术[24]。在使用LigaSure血管封闭系统进行甲状腺切除时，切口的长度和手术的时间都可以显著减少。LigaSure在肝切除术中也得到了成功的应用，利用该系统进行手术，切口表面最小失血量及失血后发病率和死亡率都可以得到良好控制[25]。
5 总结与讨论
目前高频电刀的技术发展趋势为：尽量在功率不增高的前提下提高峰值电压、降低电流。更高的峰值电压可以保证更好的切割和止血效果，而且对组织的损伤更小；更低的电流和功率对患者的损伤更小，同时也保证了手术的安全性。此外，新的技术如极板监测、系统自检、漏电控制、瞬间放电等系统逐步被研制以确保设备长时间稳定运行，这代表高频电刀的技术对安全性的要求越来越高[26-27]。电外科是一个持续发展的领域。如今，高频电刀采用闭环控制回路来调节输出电压和电流，以使得有效电极在不同阻抗的人体组织移动时保持输出功率恒定。其中“自适应调节方法”的高频电刀对于正在使用的传统电外科设备是一个重要的改进。高频电刀在血管闭合和蛋白质融合方面具有十分重要的作用，未来运用更加优化的电外科能量传输方法，可能会出现成功的肺软组织和血管的缝合[22-23]。组织相互作用的持续研究表明了高频电刀潜在的应用发展空间，除了改进切割和止血技术，利用高频电刀进行组织融合和消融也将逐步获得应用。
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Review of Development and Clinical Application of High-frequency Electric Knife
SONG Tao, TIAN Jin, XU Feng
Department of Medical Engineering, Peking University Third Hospital, Beijing 100191, China
Abstract：This paper described the evolution and development of the high-frequency electric knife in each historical stage, and then summarized its biophysics basis as well as the type. Finally, the current development status of high-frequency electric knife at home and abroad, quality control, current problems and future development trend were analyzed.
Key words：electrosurgery; high-frequency electric knife; adaptive adjustment
[中图分类号]R197.39
[文献标识码]A
doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2016.08.021
[文章编号]1674-1633(2016)08-0075-03
收稿日期：2016-04-21
通讯作者：许锋，研究员，医学工程处处长。
1928年，高频电刀开始商品化并迅速成为外科医疗中应用最广、使用价值最高的设备，高频电刀发生器经历了火花放电、电子管、场效应晶体管、大功率MOS管的演变。目前，计算机技术的发展使电刀输出功率的反馈调节更加精确。自适应调节大大提高了设备的安全性和可靠性，成为高频电刀发展的重要趋势。