低成本超声乳化仪原型测试

一种实验性低成本超声乳化仪——原型测试

引言

白内障治疗被广泛认为是最耗时的眼科手术，也是卫生保健系统的一项主要开支[1]。然而，就恢复生活质量而言，白内障手术是所有公共卫生干预措施中最具成本效益的手术之一[2]。超声乳化术已成为工业化国家首选且常规的手术技术。另一方面，发展中国家的卫生保健系统面临着患者数量不断增加的挑战，其治疗需要大量合适的手术设备和经过培训的医务人员[3]。

超声乳化术需要较高的资本投入，用于购买超声乳化仪（1.3万至10.5万美元）[4]。此外，超声乳化术的耗材成本（即超声乳化针头、抽吸/灌注管路、灌注液、抽吸盒、袋子等）也不容忽视，每次手术可能高达30–100美元，此外还需支付设备维护和维修的经常性费用[3]。超声乳化术的另一个缺点是对手术经验的要求较高，因为超声乳化技术学习曲线显示，只有在完成80至100例手术后才会呈现指数级增长[5]。因此，广泛的实际操作经验主要依赖于价格合理的设备是否可用于培训和临床实践。

关于超声乳化设备的设计与开发方面的文献相当匮乏。然而，一些研究人员已深入研究了与超声乳化仪相关的课题，如频率、负压设置和结构[6–8]。尽管知名制造商在其每一代产品中持续改进超声乳化仪的功能，但在设备的可负担性、易用性、人机工程学和有效性方面，仍存在技术和结构改进的空间。白内障治疗领域最新的革命性进展——飞秒激光辅助白内障手术（FLACS），能够以更高的精确度、圆整度和可重复性替代白内障手术的前三个步骤（即角膜切口、前囊撕囊和白内障碎核）[9–11]。后续步骤，如使用降低超声功率移除晶状体碎片、清洗晶状体囊袋以及植入人工晶状体，仍需在手术室中完成。显然，“飞秒激光将被纳入外科手术手段之中，但超声乳化术仍将持续存在并融入该手术流程”[12]。可以预见，这些新方法很可能需要对超声乳化仪参数进行相应的调整。

需要强调的是，在手术过程中，必须用超声乳化头捕捉白内障颗粒，并使其黏附在刀头直至完全乳化并吸除（即所谓的跟随性）。平稳吸附颗粒并保持其位于刀头可显著提高手术安全性。同时，为最小化创伤，必须将引入眼睛的超声能量维持在较低水平。这可以通过改进的计算机控制和更有效的微脉冲实现，而采用先进的功率调制则可消除切口灼伤风险。

外科医生最欣赏和重视的设备特性之一是跟随性。一款成功的设备应结合超声波和流体动力学进展，以实现更好的跟随性、更低的能量输出以及手术过程中更稳定的前房。蠕动泵适用于超声乳化术，因为外科医生可以使用更高的负压设置，同时最小化涌浪风险。另一方面，文丘里泵可实现非常高效的灌注和抽吸。具有双泵功能的系统旨在兼具两者优势，但这种先进设计会增加设备成本。

本文介绍了一种超声乳化设备，旨在解决上述技术难题。我们证明了该设备能够满足现代白内障手术的要求，同时具有简化结构，且成本仅为现有commercially available产品的几分之一。本文的主要贡献在于设计并实现了一款原型设备，并通过在适当的动物眼球模型上进行的一系列实验室实验对其进行了测试。

设备设计

本文所示原型的结构单元为定制。该设备还包括若干readily available部件，即：压力传感器141PC15G（霍尼韦尔，莫里斯敦，新泽西州）、两个直流电机TGE556A（马瑞利，米兰，意大利）、两个电磁阀339105（安加科学公司，雪松诺尔斯）、一个微控制器和一个振荡器，以及基本的电子和机械元件。该设备的结构如图1所示。

购买用于制造该原型的所有材料和组件的成本约为1500美元。这包括在开发和测试过程中所使用的材料和组件。其生产、组装、软件和电子电路开发共花费了约360个工作小时。各个具体单元的技术细节在以下段落中给出。

灌注单元

该设备的灌注系统依靠储存在瓶中的溶液重力下落原理。瓶的位置高于眼睛（30–120厘米/22–88毫米汞柱），可通过脚踏开关进行可调节的控制。灌注流由脚踏控制电磁阀启动。灌注液在流经手柄前部时还用于冷却换能器。采用带蜗轮蜗杆的直流电机来调节瓶的高度。

抽吸单元

抽吸单元由手柄、真空室、蠕动泵、管路、压力传感器和电磁阀组成。抽吸物质通过超声乳化头、变幅杆、塑料管、真空室，然后进入泵。该蠕动泵由四个轮子和不锈钢制成的半圆形支架构成（图2）。

灌注单元中使用的同类型电机以60转/分钟的恒定流速驱动泵，达到50毫升/分钟的流量。

一个圆柱形钢室连接到抽吸管路和控制单元。该腔室可高压灭菌，而用于抽吸和灌注的管路为一次性使用。抽吸控制设计用于平衡脚踏板设定的真空度水平与系统内真空度水平之间的差异。该装置通过打开通向腔室的进气口来保持所需的恒定真空度水平。最大真空度水平的限值可手动调节，调节梯度分别为：50、100、150、250和400毫米汞柱。在手术过程中，数字显示器和声音提示指示当前的负压水平。

阻塞后涌浪会导致抽吸管路中出现快速真空下降，从而触发涌流控制单元，该单元通过打开另一个通往真空室的进气口来停止抽吸。该单元的反馈速率根据检测到的真空下降速率和灌注压力[13]而变化。如果负压设置较高，涌流控制的响应速度会更快。

超声波手柄

该原型手柄由超声换能器、带有可更换超声乳化头的银焊钢制放大器、抽吸管以及位于外壳前部的灌注腔组成（图3）。

探头的设计允许执行多种超声乳化技术（同轴、微同轴、双手操作和无套管超声乳化）[14,15]。

为了优化手柄，本模型通过理论计算和实验评估改进了现有文献中提出的磁致伸缩技术[16,17]。层压镍堆叠现设计为在40千赫兹下工作。线圈具有抗温度变化能力，从而可对手柄进行多次高压灭菌。变幅杆内的内部抽吸通道经过特殊设计，可防止白内障颗粒造成堵塞。磁致伸缩换能器由微控制器控制，以确保在各种操作条件下实现稳定性能。超声波由具有闭合磁路的镍基磁致伸缩换能器产生，层压镍堆叠被包裹在偏置/驱动发生线圈中。此类执行器在运行期间会产生大量热量，因此需要水冷。流经放大器前部的灌注液和抽吸液已被证实是有效的冷却剂，能够补偿换能器中增加的散热。在手柄的入口和出口处测量了灌注液的温度。使用基于个人计算机的四通道热电偶输入C系列通用串行总线数据采集系统NI 9211（美国国家仪器公司，德克萨斯州奥斯汀）、两个接地J型探头以及两个柔性J型贴片式表面热电偶，在四个测量点（即手柄外壳的前部和后部、灌注瓶以及手柄出口）同时进行了三次连续的台式温度测量。在手柄以最大功率运行10分钟后，灌注液温度在入口处达到稳定的20°C，在出口处达到25°C（恒定流速8毫升/分钟）。同时，外壳前部温度为21°C，后部温度为30°C。

超声波发生器和功率调制单元

设计了一种超声频率发生器，用于调制超声正弦波信号。该发生器基于可编程微控制器 PIC18f452 i/p（微芯科技公司，亚利桑那州钱德勒市）和可编程波形发生器AD9833（模拟器件公司，马萨诸塞州诺伍德）。执行器的最大功率通过线圈中的连续信号获得，该线圈由稳定的交流电624伏特0.4安培，40.5±0.5千赫兹和直流电0.1伏特1安培提供偏置。功率衰减通过每秒中断交流电信号3000次实现。信号幅度保持不变，而释放的超声功率则通过调节信号的占空比进行控制。这些中断产生的输出功率可在可用功率的30%至70%范围内变化。与一些先前的白内障超声乳化设计不同，该原型的功率调制是通过控制信号‐暂停比来实现的，而不是通过调整信号幅度。这种调制方式减少了超声乳化头产生的热量，并更有效地利用了一种虽较陈旧但可加工的镍基换能器。

开发了一种特殊的调谐电路，用于补偿由于镍基换能器温度变化导致的超声乳化探头共振频率不稳定的问题。使用超声波发生器在指定范围内发射测试频率谱，同时持续监测通过换能器的电流。对应于电流峰值的频率被记录下来。该测试自动重复三次，并将平均频率值设为参考值。下一步是精细调谐程序，其基本过程与前一步相同，但频率范围要窄得多，接近指定的参考频率值。

自动调谐控制是一种旨在提高操作舒适性与安全性的功能。共振频率的控制由微控制器(PIC18f452)完成。功率放大器采用AB类工作模式，并配有适当的电源和滤波装置。由于微控制器是可调节和可编程单元的低成本解决方案，因此被用作设备过程控制硬件。

该设备配备有表示所施加的超声功率水平的视听指示。数字显示器显示“有效超声乳化时间”（EPT），即设备暴露于最大超声功率的计算时间(秒)。扬声器发出的可变音调频率(500–1000赫兹)表示当前的超声能量水平。

上述自动调谐程序在每次手术前执行，以调整手柄的共振频率。随后，在手术期间每8秒进行一次自动精细调谐。该操作可补偿由于换能器散热引起的共振频率变化。如果处于失谐状态，设备将停止产生超声波，并通过设备前面板上的视觉指示提醒外科医生。

原型测试

在实验前，设备规格已在实验室条件下进行了验证和测量（表1）。负压和超声控制、流体设置以及响应性均经过调整，以确保操作顺畅和安全运行。

该原型经过了多次体外和体内测试，以验证其特性和适用于白内障摘除的情况，同时观察设备控制和安全系统的运行情况。

“体外”实验

首个原型测试是在囊外白内障摘除术中获取的硬性（4级）人白内障核上进行的。取出的五个核被浸入生理盐水中，5小时后接受超声乳化。核通过劈核器和超声乳化头破碎，随后被乳化并吸除。为了测试探头和泵时，乳化和抽吸均采用了最大超声功率和真空设置。原型在整个实验过程中（在真空度水平和超声能量方面）的稳定可靠运行为进一步的体内测试提供了坚实基础。

规格	值
灌注压力	压力范围 22–88 毫米汞柱 (2.9–11.7 千帕)
吸引流速率	50 毫升/分钟
真空度水平	0–430 毫米汞柱 (0–57.3 千帕)
第一/第三秒的真空度上升	80/190 毫米汞柱 (10.7/25.3 千帕)
抽吸控制反馈速率	0.05 秒
涌流控制反馈速率（20G 超声乳化针头）	0.1 秒
超声工作频率	40.5 ± 0.5 千赫
最大超声功率	9 W
最大超声乳化针头振幅（20G 超声乳化针头）	18 流明

“体内”动物实验

对15只健康的实验室绒毛兔（8‐14月龄，体重3500‐4500克）进行了随机实验研究。兔子接受全身、筋膜下和局部麻醉的联合麻醉。通过滴入0.5%托吡卡胺和10 %去氧肾上腺素眼药水使瞳孔散大。所有手术均由同一位经验丰富的外科医生使用同轴超声乳化技术进行。手术在右眼进行，而左眼则作为对照不予手术。

手术步骤通过以下步骤进行：使用两个开睑器固定三只兔眼睑（图4）。在11点钟位置用手术刀做一2.6 mm宽的周边角膜切口。向前房注入2%羟丙基甲基纤维素溶液。使用弯曲的27G针头进行环形撕囊。通过注射器和27G钝头针，使用哈特曼氏液进行水分离以分离皮质与囊膜。在2点钟位置做一个1 mm宽的辅助切口。将操作器和超声乳化手柄的超声乳化头经切口插入眼腔。

使用带有灌注的20G零角度超声乳化头对晶状体核和皮质进行乳化并吸除套管。超声乳化碎核和乳化完全依靠超声能量完成。在所有手术过程中，负压维持在150–250毫米汞柱（20–33千帕）范围内，仅偶尔达到预设的400毫米汞柱（53千帕）上限。

角膜切口通过注入哈特曼氏液至角膜内闭合。手术结束时，将庆大霉素（0.1 ml）和地塞米松（0.1 ml）溶液注射于上方结膜穹隆处。

手术后的兔眼通过滴注0.5%阿托品和地塞米松‐新霉素滴眼液进行治疗，持续20天。

手术后第一周和第三周，使用裂隙灯检查眼睛，以检测是否存在炎症和角膜水肿。为了进行组织病理学分析，动物被注射致死剂量的戊巴比妥实施安乐死。眼球被取出并用苏木精‐伊红染色[18]并对角膜的切口区域进行组织学分析。

在整个研究过程中，工作安全和伦理问题均按照最佳实验室实践以及塞尔维亚共和国动物福利法[19]予以处理。

实验结果

在对硬核人晶状体核进行的体外实验中，平均超声乳化时间为123秒，而平均EPT为98秒。

兔眼的晶状体摘除手术每例持续时间少于10分钟。处理的晶状体核硬度为中等（2级和3级）[20,21]。超声乳化术（超声乳化时间）的平均持续时间为63秒，而EPT为21秒，如表2所示。

所有接受治疗的兔子均成功存活，手术过程中无疼痛或痛苦迹象，术后期间行为和习惯未发生任何改变。所有手术过程中均未发生眼腔塌陷，也未出现其他并发症。

术后前两周可见散在的结膜充血和轻度眼睑下垂。所有手术兔子的角膜水肿局限于切口区域。术后21天在切口区域观察到斑块。

每次手术后瞳孔区立即出现纤维素性渗出。该渗出在随后的21天内逐渐被吸收（图5）。

术后3周观察用苏木精‐伊红染色的角膜切片（图6）。在主角膜切口和辅助角膜切口处发现中度炎症：切口线附近偶见纤维细胞和基质淋巴细胞；还检测到上皮变薄和水肿。主切口和辅助切口处的角膜炎症强度没有明显差异。

核硬度（0–4级）	超声乳化时间 (s)	EPT (s)
1	2	62
2	2	49
3	2	54
4	2	60
5	2	47
6	2	53
7	2.5	78
8	3	85
9	3	86
10	2.5	69
11	2	56
12	2	59
13	2.5	78
14	2	60
15	2	51
平均值	2.23	63.13

讨论与观察

一些作者建议，术中效率可以通过手术时间、超声乳化时间和平衡盐溶液的用量来判断所使用的溶液[22]。另一方面，一些研究人员“警告不要使用EPT和平均功率来得出关于不同超声乳化仪相对效率的结论”[23]。为了更好地评估，似乎应将EPT和应用功率的信息与有关被处理组织特性/状况的其他数据（例如晶状体核硬度、手术创伤严重程度以及术后恢复时间）结合起来。当面对新型FLACS技术带来的挑战时，同一组参数可能也适用于该原型临床性能的评估。一些研究人员报告称，在较软（1级）白内障中，飞秒激光（FL）碎裂可实现无需额外超声乳化能量的抽吸，而“在3、4和5级白内障中，则需要超声乳化能量”[24]。然而，即使是低功率超声乳化设备（如本研究分析的9瓦原型）在FL处理后也能完成该任务。FLACS设备的设计目的是对晶状体进行预处理，分割晶状体核并软化较硬的白内障，[25]从而减少眼内操作量[26]。在猪眼研究中，飞秒激光晶状体碎裂可使超声波功率降低43%，超声乳化时间减少51%[27]。现有文献数据显示，如果晶状体事先经过FLACS预处理，该原型记录的63.13秒超声乳化时间可能会显著缩短。然而，飞秒激光系统本身不具备抽吸功能。该原型简单高效的流体系统完美匹配了新技术所建议的操作流程：[28]多个此类设备可与一台飞秒激光设备协同工作，从而提高工作效率并降低高昂的飞秒激光运行成本[29]。

因此，针对本研究的具体目的（即设备性能和适用性），以下参数被观察指标：处理后核的硬度、超声乳化阶段持续时间（超声乳化时间）以及EPT（表1）。

在体外实验期间，该原型提供了足够的能量来乳化硬核白内障碎片。然而，在体内实验中，手动劈核被超声碎核[30]所替代。总体思路是完全使用超声波完成整个手术过程，随后观察因增加超声能量暴露而导致的眼部损伤。实验观察到，控制和安全单元提供了足够的可控性，并且在广泛的超声功率和流体设置范围内均能成功完成所有超声乳化术操作。

该原型的电子安全系统相当简单，几乎消除了涌流。涌流控制单元使外科医生能够及时做出反应，尽管该单元的灵敏度随灌注压力和负压水平的变化而波动。在较高的负压设置下（即超过250毫米汞柱/33千帕），涌流控制单元频繁响应，从而减缓了医生的操作速度。然而，这种情况具有优势，因为超声乳化头频繁堵塞会减少眼腔内的流动，从而降低对眼睛造成损伤的可能性。绒毛兔的眼睛适合用于测试该设备，因为绒毛兔的眼腔比人眼更浅。因此，在相同的灌注和抽吸设置下，兔眼前房排空的速度比人眼更快。由于仪器穿过薄兔角膜上的开口时存在泄漏，当暂停灌注时，兔眼眼腔往往会自行排空。

为了补偿抽吸和泄漏的影响，将灌注液瓶抬高至距眼睛100厘米处以提高灌注压力。在所有手术过程中，涌流控制单元成功防止了前房塌陷。这一事实表明，该单元可能提供人类白内障摘除所需的可靠性水平。

先进的超声乳化设备已减少了眼部损伤的程度。使用调制超声而非连续超声似乎降低了角膜伤口温度。然而，尚无研究确定这些进步对临床结果[31]的影响。

原型手柄根据实验所需的功率水平，由调制或连续的超声功率驱动。灌注和抽吸液体实现了对手柄的有效冷却。探头因微中断而产生特殊声音。外科医生的印象是，尽管手柄采用坚固设计，但操作起来仍然轻松简便。

需要注意的是，采用所有乳化模式时，晶状体碎片均未从超声乳化头反弹。此外，变幅杆内部的弯角抽吸管路中也未出现堵塞[32]。即使是极为黏稠的兔晶状体皮质，也能被顺利乳化并吸除。

每次手术结束时，均在瞳孔区观察到正在形成的纤维蛋白膜。这种快速免疫反应证实了所选动物模型[33]具有较高的脆弱性。在主切口和辅助切口区域的角膜炎症反应强度上未观察到明显差异。这表明超声乳化手术器械通过主切口时并未造成过度的手术创伤。目前尚不清楚这是由于使用了调制超声、较低的能量应用还是特定的流体动力学所致，该问题将作为研究课题留待进一步探讨。

结论

尽管其结构相对简单且成本较低，该原型在测试过程中表现准确，其新型功率调制模式实现了高效且安全的操作。该原型超声乳化仪配备了一个可靠的电子单元用于涌流控制，以及一个用于减少超声乳化头热量散发的单元，并使用简单的一次性灌注套装用于灌注和抽吸管路。低功率镍基超声磁致伸缩换能器提供了足够的超声能量，以实现顺畅的超声乳化术。在中等硬度的兔晶状体核上高效完成了超声乳化术，手术创伤极小。术后前段炎症的临床和组织病理学征象为中度。

实验结果表明，该原型装置可能成为进一步开发经济实惠且可靠的晶状体碎裂装置的基础，用于教学和培训。随后，该设备可在经济资源有限的手术中心用于白内障摘除。