医用水刀的应用与实现

・８２・　Ｇｅｎｅｒａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ　ｌ综　述　医用水刀的应用与实现　郑伟．张西正　［摘要】　研究了医用水刀的结构、工作原理及其在医学领域的应用，明确了其控制系统所需实现恒压供水以及水压的　无级调速功能，应用变频调速恒压供水技术可实现这一功能．增加了一些其他功能部件．开发出了应用于医学上的水　刀设备．指出医用水刀的选择性和保护性切割等优点使其在外科手术领域具有广阔的前景，在不久的将来会在国内　逐步得到推广应用　【关键词】控制系统；恒压供水；医用水刀　［中国图书资料分类号］ＴＰ３９１．４１　【文献标识码］Ａ［文章编号］　１００３—８８６８（２０１１）０２—００８２—０３　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｍｅｄｉｃａｌ　Ｗａｔｅｒ－ｊｅｔ　ＺＨＥＮＧ　Ｗｅｉ　．ＺＨＡＮＧ　Ｘｉ—ｚｈｅｎｇ　（１．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｍｅｄｉｃａｌ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｍｉｌｉｔａｒｙ　Ｍｅｄｉｃａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３００１６１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｏｕｔｈｅｒｎ　Ｍｅｄｉｃａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５　１０５　１　５，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｍｅｄｉｃａｌ　ｗａｔｅｒ－ｊｅｔ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｍｅｄｉｃａｌ　ｆｉｅｌｄ　ａｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ．　Ｔｈｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｗｈｉｃｈ　ｉｔｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｈｏｕｌｄ　ｒｅａｌｉｚｅ，ｔｈａｔ　ｉｓ，ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｗａｔｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｔｈｅ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｌｉｍｉｔｌｅｓｓ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｄｅｆｉｎｅｄ．Ｔｈｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｐｒｅｓｓｎｒｅ　ｗａｔｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｔｅｃｈｎｏｈ）ｇｙ　ｉｓ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｔｈｉｓ　ｆｌｍｃｔｉｏｎ．Ｓｏｍｅ　ｏｔｈｅｒ　ｐａｒｔｓ　ａｒｅ　ａｄｄｅｄ　ｔｏ　ｄｅｖｅｌｏｐ　ｔｈｅ　ｗａｔｅｒ－ｊｅｔ　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ａｐｐｌｉｅｄ　ａｓ　ｔｈｅ　ｍｅｄｉｃａｌ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ｍｅｄｉｃａｌ　ｗａｔｅｒ－ｊｅｔ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ｂｒｏａｄ　ｐｒｏｓｐｅｃｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｕｒｇｉｃａｌ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｄｏｍａｉｎ　ｂｅｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｍｅｒｉｔｓ　ＳＵＣｈ　ａｓ　ｓｅｌｅｅｔｉ￣，ｅ　ａｎｄ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ　ｃｕｔｔｉｎｇ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｉ￣ｔｕｒｅ，ｗａｔｅｒ－ｊｅｔ　ｗｉｌｌ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｗｉｄｅｌｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｕｎｔ１Ｔ　ｇｒａｄｕａｌｌｙ．［Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｍｅｄｉｃａｌ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｊｏｕｒｎａｌ，２０１１，３２（２）：８２—８４】　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ；ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｗａｔｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ；ｍｅｄｉｃａｌ　ｗａｔｅｒ－ｊｅｔ　１　引言　同步转速，实现对电动机的变频无级凋速。而水泵的流　与转　水刀是一种利用高压水射流进行切割材料的设备，它利　速成正比：Ｑ　ｎ，因此调节变频器的输入频率就可以改变水　泵的流量。存水泵的流量发生变化时，供水的　力会发生变　用超高压技术把普通自来水加压到２５０～４００　ＭＰａ．然后通过　内径约为０．１５～Ｏ．２５　ｍｍ的宝石喷嘴形成速度为８００～　化，压力传感器检测到当前出水管道的　力，　将压力转化为　１　０００　ｍ／ｓ的高速射流，从而切割材料。水刀切割设备应用于　临床称为医用水刀。１９９０年，德国的Ｒａｕ将专业设计的医用　水刀应用于临床，从此水刀在外科手术的临床应用越来越广　泛。最初，医用水刀技术主要用于￣Ｔ－ｌｌｇＣｂ科，如今，它已成为一　电信号，经Ａ／Ｄ转换模块将模拟电信号转变成数字量后传送　给可编程控制器进行数据处理。可编程控制器绎运箅后与设　定的压力值进行比较，得ｆｎ偏差值，通过在可编程控制器内部　做ＰＩＤ运算得出一调节参量，并将该参量送入Ｄ／Ａ转换模　块，经数模转换后将得到的模拟量输　至变频器，用以凋节电　种在实质性器官手术中重要的手术工具．逐步发展到了颌而　外科、整形外科、泌尿外科、骨科、耳鼻喉科、眼科、创伤外科等　外科领域【】ｌ。在医用水刀领域。德囝ＥＲＢＥ公司的研制成果处　于世界领先地位，其产品螺旋水刀已经发展到了第二代。　我们利用变频调速恒压供水技术设计了一种新型的应用　动机的转速及控制电动机的软启动．从而达到控制　水管道　压力的目的。当实际管道压力小于没定的压力值时，变频器输　ｍ频率提高，电动机转速加快，　水管道压　增高：反之，变频　器频率降低，电动机转速减小，管道压力降低，如此上Ｆ调整　多次，直至偏差值为零，这样就可以保证Ｈ１水管道压　Ｊ恒定、　系统框同如图１所示　水刀清创设备，该设备可以同时完成清创术和水刀切割手术。　存低压水射流时进行创面清洗，高压水射流时进行组织切除，　具有组织选择性好、对周围组织损伤小、手术时间短等优点。　２变频调速恒压供水技术　变频调速技术的基本原理是根据电动机转速与Ｔ作电源　输入频率成正比的关系：ｎ＝６０ｆ（１～ｓ）／『Ｊ，式中，ｎ　Ｓ、Ｐ分别表　示转速、输入频率、电动机转差率、电动机磁极对数；电动机选　定之后，Ｓ、Ｐ则为定值，电动机转速ｎ和交流电频率厂成正比，　使用变频器来改变交流电频率，即可以平滑地改变电动机的　基金项目：军事医学科学院创新基金重大项目（２００８ＺＤ００９）　作者简介：郑伟（１９８６一），男，河南商丘人，硕＿｝＿＝，主要从事医疗电子仪器　方而的研究工作。　作者单位：３００１６１　天津　军事医学科学院卫生装备研究所（郑伟、张　Ｎｔ）：５１０５１５广州ｔ南方医科大学生物医学工程学院（郑伟）　图１　变频调速恒压供水系统框图　・医疗卫生装备・２０１　１年２月第３２卷第２期　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｍｅｄｉｃａｌ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｊｏｕｒｎａｌ・Ｖｏ１．３２・Ｎｏ．２・Ｆｅｂｒｕａｒｙ．・２０１１　ＧｅｎｅｒａＩ　Ｒｅｖｉｅｗ　Ｉ综　述　Ｋｉｋａｗａｄａ等报告了用内窥镜结合水刀进行上颌窦手术　可以保留骨膜【“Ｊ。　３＿２．５泌尿外科领域　实现微创，使患者出血少、痛苦小、并发症少、恢复快。医用水　刀独有的特性使其在外科手术领域具有广阔的前景，相信在　不久的将来．水刀将会在固内逐步得到推Ｊ　应用。　５结束语　Ｐｅｎｃｈｅｖ等存１９９９年首次在临床上应用水刀进行肾部　分切除术来治疗肾鹿角形结石和肾错构瘤，肾实质可以被喷　这种基于变频调速恒压供水技术的医用水刀已绎丌发成　功．日前正在进一步的调试和完善中　从实际运行的效果来　射水流有效的切开，而肾实质断面的血管和集合系统则被保　留下来，手术过程中出血仅有百余毫升ｌ】２１。其后，Ｂａｓｔｉｎｇ及其　同事也使用水刀对５例肾细胞癌患者进行了肾部分切除，对　２例结石患者分别进行肾下极切除和肾实质切开取石，均取　得』，良好的效果Ｉ”１。　３．２．６颌面外科领域　看，水泵电动机启动平稳，系统动态十牛能良好，水压稳定性也　非常好，抗干扰能力强，可以满足医用水刀的丁作要求　在罔　内，Ｔ业水刀研究及应用十分广泛，而医　水刀装置的研究几　乎还是空白。但是，水刀技术已经为我罔医学界所重视，并且　也开始进入ｒ临床应用阶段　水刀特有的组织选择性和无热　Ｍａｇｒｉｔｚ等对１９只小猎犬进行的水刀双侧腮腺切除保留　面神经的外科研究结果表明，在术后进行的平均２０．３　ｄ的监　测中．都能保持面神经功能ｌ１４１。田内中山大学肿瘤防治中心使　损伤性能可减少手术创伤，体现了微创外科的发展方向，具有　广阔的应用前景。随着人们对水射流切割人体组织机理的研　究．计算机技术、机电控制技术及无线内窥镜技术的不断融合　与应用，水刀技术也必将存医学领域发挥更为重要的作用。　用螺旋水刀完成了３０例腮腺手术，效果非常好¨５Ｉ。　４医用水刀的实现　【参考文献】　［１］何玮水　Ｊ在外科手术中应用的文献分析ｌ　Ｊ１．观代诊断与治疗，　２００４，１５（４）：２４０—２４２．　现代专业水刀一般由带有脚踏开关的基座、高压导管和　操作手柄组成。基座包括高压泵、抽吸泵和一次性使用的无菌　生理盐水罐．．高压泵可产生高压，将无菌生理盐水泵出，经过　一【２］　陈右江，吴云阳．螺旋水刀在腹腔镜肝｝刀除　巾的Ｊ　用【Ｊ　Ｊ＿中同　微创外蒂｝，２００５，ｌ（５）：２７—２８．　软性高压导管到达操作手柄，然后通过手柄上细小的喷嘴　喷　。在进行手术时，医生通过控制手柄的来回运动就可以实　现对病变组织的切割。为了确保手术的安全，必须根据需要设　定水压的上限值，以免对患者造成意外的损伤。　医用水刀所需的压力一般在２０　ＭＰａ以下，所以一个水泵　【３Ｊ陈念平，陈明，缪辉来，等．不同切肝术的对比研究…．中同基层　医药杂志，２００４，ｌ１（８）：９１５—９１６．　【４Ｊ肖红梅．新型外科：Ｉ：具一水　＿ＩＩＩｌ医疗装备，２００５，１　８（８）：１５．　［５］耿小平．肝脏外科与分离技术【ＪＩｌ肝胆外科杂志，２００１．９（６）：　４１３．　工作就可以满足手术时水压的需求。为了更好地实现压力的　无级调速，最好选用变频电动机，这样能更好地结合变频器文　现压力调节。在变频调速恒压供水系统的基础上添加高压软　【６　Ｊ　Ｏｅ￣ｅｌ　Ｊ，Ｇａａｂ　Ｍ　Ｒ，Ｐｉｃｋ　Ｊ．Ｗａｔｅｒ－ｊｅｔ　ｒｅｓｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｒａｉｎ　ｎｌｅｔａｓｔａｓｅｓ—　ｉｆｒｓｔ　ｃｌｉｎｉｃａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　Ｗｉｔｈ　１０　ｐａｔｉｅｎｔｓ［Ｊ］．ｇｕｔ　Ｊ　Ｓｕｒｇ　Ｏｒ，ｃｏｌ，２００３，２９：　４０７—４１４　管、喷嘴、Ｔ作手柄及负压吸引部分就可以做成一个功能完善　的医用水刀。高压软管的设计包括材料的选择及尺寸（内外　［７］王宏，尹绍雅，姚鑫，等．水刀在神经外科应ｆｆＪ的初步体会…．　｛Ｊ　国现代神经疾病杂志，２００４，４（５）：３１６．　［８］魏革，刘慧，蔡佩霞．螺旋水　在脑肿瘤切除术的应用及配合ｌＪ１．　中国微侵袭神经外科，２００５．１０（７）：３３６．　径、壁厚等）的确定，还要考虑水的动力学因素对软管的影响。　喷嘴是医用水刀的最为重要的部件之一，它把液压泵所提供　的静压转换为水射流的动力，而且让水射流具有良好的流动　【９Ｊ　Ｗｉｌｈｅｌｍ　Ｆ，Ｈｏｌｔｋａｍｐ　Ａ，Ｄａｒｍａｎ　Ｊ，ｅｔ　．Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗａｔｅｒ　ｊｅｌ　ｉｎ　ｅａｔａｒａｃｔＳｕｒｇｅｒｙ［Ｊ］．ＯＰｈｔｈａｌｍｏｌｏｇｅ，１　９９８．９５（１　Ｏ）：】２７—１　２８．　［１０］Ｈｏｎｌ　Ｍ，Ｄｉｅｒｋ　０，Ｋｕｓｔｅｒ　Ｊ　Ｒ．Ｗａｔｅｒ　ｊｅｔ　ｄｉｓｃｏｔｍｎｙ　ｗｉｌｈ　ｒｎｉｃｒｏｉｎｖａ・　ｓｉｖｅ　ａｐｐｒｏａｃｈ—ｉｎ　ｖｉｔｒｏ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｉｎｉｔｉａｌ　ｃｌｉｎｉｃａｌ　ａｓｐｅｃｔｓ　ｏｆ　ａ　ｎｅｗ　特性和动力特性；同时，喷嘴又是水射流切割与破碎的执行元　件，　此优化喷嘴的几何形状，建立喷嘴结构与动力性能之间　的关系，对于医用水刀具有重要的意义。在设计中，喷嘴应具　有较小的压力头损失，喷出的水束受卷吸作用小，并保持射流　的稳定，以利于对组织的切割，而且应尽量做到质量轻和体积　ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ［Ｊ］．Ｚ　ｏｒｔｈｎ　Ｉｈｒｅｇｒｅｎｚｇｅｂ，２００　ｌ，ｌ　３９（１）：４５—５　Ｊ　ｆｌ１　ｌ　Ｋｉｋａｗａｄａ　ｌ　，Ｎｏｎｏｄａ　Ｔ，Ｍａｔｓｉｍｏｔｏ　Ｍ，ｅｔ　ａ１．Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｏｔ　ｉｎｌｒａｅｔａｂｌｅ　ｄｉｓｅａｓｅｄ　ｔｉｓｓｕｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｍａｘｉｌｌａ￣ｓｉｎｕｓ　ａｆｔｅｒ　ｅｎｄ‘￣ｓｅｏｐｉｅ　ｓｉｎｕｓ　ｓｕｒｇｅＵ　小，这样才能保持在手中方便灵活。一般要多设计几种尺寸和　形状不同的喷嘴，这样就可以根据手术的不同选择喷嘴的类　ｗｉｔｈ　ｈｉｇｈ—ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｗａｌｅｒ　ｊｅ【ａｎｄ　ｐｒｅｓｅｒｖａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｅｒｉｎｓｌｅｕｒｎ　Ｉ　ＩＪ＿．　ＡｒｃｈＯｔｏｌａｒｙｎｇｏｌＨｅａｄＮｅｃｋ　Ｓｕｒｇ，２０００，１２６（１）：５５—６１．　型，一个设计较好的喷嘴可以更好地满足手术需求。负压吸引　部分的作用是将手术过程中产生的废水与微小颗粒吸出手术　区域，以保持手术视野的清晰，有利于进行精确的切割　负压　吸引的实现就是在手柄上添加１个吸引头．并另外添加１个　废液桶，这样就可以满足手术要求了。　［１２］Ｐｅｎｃｈｅｖ　Ｒ　Ｄ，Ｌｏｓａｎｏｆｆ　Ｊ　Ｅ，　ｏｓｓｅｎ　Ｋ　Ｔ．Ｂｅｃｏｎｓｌｒｕｃｌｉｖｅ　ｒｅｎａｌ　ｓｕｒｇｅｒｙ　ｕｓｉｎｇ　ａｗａｔｅｒｊｅｔ…．Ｊｕｒｏｌ，１９９６，１６２（３）：７７２～７７４．　【１３　Ｊ　Ｂａｓｔｉｎｇ　Ｒ　Ｆ，Ｄｊａｋｏｖｉｅ　Ｎ，Ｗｉｄｍａｎｎ．Ｕｓｅ　ｏｆｗａｔｅｒｊｅｔ　ｒｅｓｅｅｔｉｎｎ　ｉｎ　ｏｒ—　ｇａｎ—ｓｐａｒｉｎｇ　ｋｉｄｎｅｙ　ｓｕｒｇｅｒｙ［Ｊ］．ＪＥｎｄｏｕｒｏｌ，２０００，１４（６）：５０１—５０５　［１　４］Ｍａｇｒｉｔｚ　Ｒ，Ｊｕｒｋ　Ｖ，Ｒｅｕｓｈｅ　Ｅ，ｅｔ　ａ１．Ｗａｔｅｒ－ｊｅｔ　ｄｉｓｓｅｃｔｉｏｎ＿ｎ　ｐａｒｏｔｉｄ　ｓｕｒｇｅｒｙ：ａｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｔｕｄｙ　ｉｎ　ｄｏｇｓ［Ｊ１．Ｌａｒｙｎｇｏｓｃｏｐｅ，２０１）１，ｌｌ　ｌ　（９）：１　５７９—１　５８４．　由此可见．在变频调速恒压供水系统的基础上开发出医　用水刀所要添加的部件并不多，也可以说变频调速恒压供水　系统是医用水刀的绝对核心部分，供水系统的好坏直接决定　了医用水刀的性能。另外，可以将内窥镜与医用水刀结合起　来．这样就可以以最小的创伤对复杂的伤病进行有效的治疗，　１１５］张冬坤，郭朱明．螺旋水刀在腮腺手术中的应用［ＪＩ＿中华广Ｉ腔医　学杂志，２００６，４１（４）：２０５．　（收稿：２叭０—０３—２２修同：２０１０—０４—２９）　医疗卫生装备・２０１　１年２月第３２卷第２期　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｍｅｄｉｃａｌ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｊｏｕｒｎａｌ・Ｖｏ１．３２・Ｎｏ．２－ＦｅｂｒｕａｉＴ‘２０１　１