電燒的原理與應用

[TinyNotes]

簡介

電燒是手術中常用，其將電磁波 (Radiofrequency)的能量轉變為細胞內離子的震動能量，瞬間提高細胞内溫度，進而達到手術所需要的各種效果。雖然電燒刀廣泛應用於臨床，然而其使用的規範與教學卻偏少，也因此成為醫療行為中潛在的危害。ECRI所發表的Top 10 Health Technology Hazards for 2018報告中，電燒設備所造成的病人灼傷也被列於其中。

歷史

電燒技術大約在19世紀晚期快速進展，並在20世紀初開始發揚光大。Dr. Bovie研發了第一臺同時具有cut和coagulation功能的電燒設備，並在1926年，被Harvey Cushing醫師(近代神經外科之父)實際於手術中應用。到1970年代，封閉迴路式的電燒設備開始出現，讓電燒的使用更為安全。

電燒的基礎-電學

• 電燒為頻率500kHz左右的交流無線電波(radiofrequency)的射頻電磁波
  (若頻率太高，容易散射，增加周圍組織的暴露風險)

• 基本的電學公式
  →R=V/I (電阻=電壓/電流)
  →P=I x V (功率=電流 x 電壓)
  →Q=P x t (能量=功率 x 時間)

電燒的基礎-細胞的電效應

(1) 電燒的頻率

• 若頻率偏低(20-30kHz)：肌肉及神經會去極化，造成收縮、疼痛

• 若頻率達100kHz，頻率超過離子通道的反應，因此神經肌肉無反應
  此時細胞內的離子會因為交流電而來回震盪，震盪的摩擦力會轉變成熱能，導致溫度升高

(2) 溫度對於細胞的影響

• 細胞在60-95度時，會出現兩個不同的效應

  • 蛋白變性(white coagulation)：溫度改變蛋白質間的鍵結，形成均質、膠狀的結構(類似將蛋煮熟)
  • 脫水(dessication)：細胞膜受損，導致水分流失

• 溫度超過100度時，水會沸騰，導致細胞破裂

• 溫度超過200度後，會產生碳化(carbonization)作用，產生黑色碳粒，這樣的過程稱為black coagulation

電燒的基礎-電極與迴路

(1) 電燒利用電能驅動，因此需要形成一個迴路，才能夠傳遞能量

• 設備需要有兩個電極，才能夠完成迴路

• Monopolar
  兩個電極分別為電刀筆頭的『輸出電極』和迴路板的『分散電極』，請注意迴路中電極的電流密度。

• Bipolar
  兩個電極皆在『電燒器械上』
  只有器械兩端中間的組織包含在電流迴路之中

(2) 分散電極

• 在monopolar中，會貼一個分散電極，以完成迴路，通常貼在大腿或背上
• 通常面積較大 (因此單位面積承受的能量較低)，若沒有貼好，將導致單位面積的能量過高，造成電灼傷
• 雙極式分散電極，電燒機能以低頻低電流去偵測兩側貼片的電阻，若有電阻差就會停止啟動 (代表貼不好)，以保障病人的安全

(3) 組織的電阻(impedance)

• 含水、離子較高的組織，通常Impedance較低
• 脫水、低離子含量的組織 (ex.疤痕、脂肪)，通常impedance較高

電燒的基礎-電流輸出

• 電燒機將插座的交流電，從『低頻(60Hz)』轉成『高頻(300kHz)』
• 現代的電燒機目前都會有兩種輸出模式：Cut和Coagulation
  →Cut：連續性、相對低的電壓
  →Coagulation：不連續、相對高的電壓
  →Blend：兩者的混合，可視為有中斷的cut (不連續、低電壓)

電燒的主要功能

(1) Cutting 切割

• 電燒筆的切割，主要利用linear vaporization達成
• 利用持續、低電壓的電流輸出，快速將細胞加溫至100度
• 通常會選擇尖端或刀狀的monopolar設備 (達到較高的能量密度)
  電燒機設備會選擇『cut mode』
• 靠近欲切割的組織，但不會直接碰觸之(near contact)

(2) White Coagulation

• 主要用來封閉血管，達到止血的目的
• 讓細胞內的溫度達到60-95度，使細胞的蛋白變性
• 電燒機的cut mode和coagulation mode都可以達到此目的
• 通常會選擇面積較大的電極，並且直接碰觸組織

(3) Fulguration

• 快速將細胞溫度提升超過200度，達到表淺coagulation的目的
  通常會將組織碳化，可看到碳粒的存在
• 使用coagulation mode (不連續、高電壓)，電流容易往周邊擴散
• 不會直接碰觸欲電燒的範圍(near contact)
• 可以達到快速、大面積的表面止血

電燒相關的傷害

(1) 分散電極的使用

• 病人於手術當中，勿碰觸可導電物質，這會導致電流從該處離開，造成灼傷。但現代的電燒設備能感知電流變化並自動關閉，減少相關傷害
• 分散電極要均勻的黏貼在病人身上，若接觸面積變小，將導致能量密度增加。 避免貼在有骨頭凸出、多毛、金屬植入物等的地方
• 不應該隨意裁剪，可能會導致邊緣的尖端放電，導致灼傷

(2) 電流的分流(diversion)

• 絕緣失敗
  器械的絕緣不良通常不易發現，可能造成患者與醫師的傷害

• Direct coupling
  →利用導電的器械，將電流導到原本迴路之外的地方
  →常見的例子：將電燒筆放在鑷子上，去燒鑷子碰觸的組織
  →若主刀醫師的手套有小破洞，可能會造成主刀的手灼傷

• Indirect coupling (Capacitive Coupling)
  →電流被蓄積在電容中(ex.器械的絕緣層)
  →可能會造成主刀醫師或病人的灼傷

(3) 活動電極本身造成的傷害

• 不小心啟動：沒有用的時候，要放在袋子，不要放在病人身上
• 直接的熱傷害：熱能效應延伸，影響到周邊的組織

(4) 電燒與煙

• 可能會影響手術的可見度
• 電燒產生的煙霧含有許多小分子，可能會對人體造成傷害
  但目前尚未有研究證實煙霧暴露與癌症的關聯性

(5) 著火與爆炸

• 啟動時，避免同時使用其他可燃性的物質
• 除了病人的燒灼傷外，甚至可能造成OR的火警，要小心！

參考資料
The SAGES Manual on the Fundamental Use of Surgical Energy (FUSE)