泌尿外科“新式武器”--导声纤维技术构想
“工欲善其事必先利其器”，若要将事情做好，就需有好的工具。就像打仗需要武器一样，医生也需要借助于许多医疗器械设备与疾病作斗争。得益于现代科技的快速发展，越来越多的先进医疗器械设备应用于医学领域，为疾病的诊断、治疗及康复等带来了一系列革命性的变化，也充分体现了“科技引领发展”的社会科学规律。
现代泌尿外科领域的快速发展同样体现了现代科技的力量。如各种腔镜及其高清监视系统、手术辅助系统、能量平台系统等等，让泌尿微创手术逐渐发展成熟，逐步取代了绝大部分的传统开放手术。其中最令人瞩目的当属“手术机器人”系统，它让我们的“眼睛”看得更细微，“手”变得更灵巧，术野变得更清晰，让那些开放手术中十分困难的复杂手术变得相对容易，将许多过去不可能完成的任务变成了可能，让微创手术的范围不断扩大，手术的质量大大提高。
一、声能利用背景资料
现代医学的发展离不开各种先进的医疗仪器设备，在诸多先进医疗设备中，B超是最常用的诊断设备之一，而电刀、超声刀、激光等能量平台是常用的治疗设备，它们都是临床诊疗精良的“武器装备”。
（一）B超概述
B超以无创性、实时性、便捷性、经济性使其应用范围较CT、MR更广泛，可连续动态观察目标区域脏器组织，可通过多谱勒效应观察脏器组织血供情况、区分动静脉血管及血流情况等。其高频探头可观察浅表脏器组织的细微结构，各种腔内探头还可避开干扰“抵近侦察”。三维B超可通过计算机构图立体成像。
但现有B超存在分辨率不高、存在“容积效应”切面厚度伪影、图像清晰度欠佳等缺陷。究其原因主要是超声探头受体积限制，可安放的阵元数量有限（一般为数十至数百个），超声信号源采集量受限，这就相当于摄影时的“像素”不够，不管图像后期处理如何好，图像的质量还是不理想。解决办法是缩小阵元体积，增加探头阵元数量，但阵元结构相对复杂，微型化处理存在一定的极限。
此外，现有超声诊断还不能做到象CT、MR那样，自动获取和上传病灶部位连续而清晰的切面图像资料，为临床医生诊疗决策提供客观依据。
（二）常用能量平台简述
1.高频电刀
历史悠久，是外科最常用的手术器械之一。它是利用高频电流的热力学作用切割及凝固组织，在开放手术、腔镜手术均可使用，优点是性能稳定、作用可靠、使用成本低，缺点是止血效果欠佳、烟雾大、创面焦痂。因为大多数电刀需要电流回路，使用中存在一定的安全隐患。双极电凝、等离子电刀、射频电刀等自带电流回路，但使用均有特定范围。因需要承载的高频电流较强，再加上绝缘层厚度，所有电刀的高频电导线相对较粗，很难做到象激光光纤那样纤细，所以很难在细小的内窥镜手术通道中使用。
2.激光
医用激光是外科微创手术的“利器”之一，其输出能量大，工作效率高，无电流作用之虞，更重要的是它可以经激光光纤传导，通过细小的内镜通道将激光能量输送至内镜可以达到的部位，发挥其治疗作用。按照波长的不同，激光分为多种类型，泌尿科常用的有钬激光、铥激光、绿激光等，不同波长的激光各有特点，主要用途也不同，如钬激光常用于碎石，铥激光、绿激光常用于前列腺手术。这些激光能量平台存在一个共同缺点就是波长固定不可调、购置及使用成本高，此外由于激光光纤质地较硬、微米光纤所能承载的能量有限，所以在用于输尿管软镜碎石时存在弯曲角度受限、碎石效率低下等缺点。在用于输尿管镜手术时，激光的高能量产生的热量对输尿管的热损伤也是个严重问题。
3.高能超声
临床应用的高能超声有超声刀、腔内超声碎石设备、高能超声聚焦刀、以及以非线性传播为特征的聚焦声能设备——体外冲击波治疗设备。与激光能量不同的是，超声不仅输出能量大小可以调节，其输出频率也是可以调节的。与激光的波长一样，超声的频率也是其重要的物理学特征之一，这种特征在临床上有着不同的应用，如低频超声穿透力强而反射与聚焦能力弱，常用于深部组织器官的超声诊断与超声刀、超声碎石等“接触式”超声治疗设备，而高频超声的穿透力弱，反射与聚焦能力强，常用于浅表组织器官的超声诊断与高能聚焦超声的体外治疗设备。
在现有“接触式”超声治疗设备中，超声刀以其优越的组织切割与止血功能受到越来越多的外科医生的喜爱，已成为腔镜手术必备的工具之一。超声刀是通过手柄导声杆（刀头），将手柄后端超声发生器中产生的超声能量传人腔内手术视野，发挥组织切割及凝固止血功能。
腔内超声碎石设备则是专门针对PCNL研制的一种接触式超声能量碎石治疗平台，以专门的超声碎石探杆，将体外产生的超声能量经皮肾通道鞘导入肾盂内，直接作用于肾结石使其粉碎。
无论超声刀还是腔内超声碎石器械，它们利用的都是声能，均需通过“导声杆”将超声能量导入人体内，导声杆制作材料可能不同，但都是超声能量的传导介质。目前所有导声杆均为不可弯曲的硬质材料制成，超声波在传导介质中均为直线传播。超声碎石的导声杆比超声刀的更细，但直径也达10Fr（3.3mm），需经较大的通道方可置入体内。
这种相对较粗的、不可弯曲的“导声杆”限制了超声刀与超声碎石器械在腔镜手术中的使用范围，使得超声能量在现代微创手术中的应用严重受限。
综上所述，在现有临床常用的电、光、声诊疗设备中，各自都存在缺陷。声学设备应用广泛，但声能临床应用似乎还存在更大的空间。B超诊断能否象CT、MR那样提供更多更好的图片信息？超声是否可以象激光那样经纤维介质传导？超声能量在临床诊疗，尤其是在现代微创治疗领域中能否发挥更多更好的作用？
二、“声纤”技术构想
（一）概念与定义
1.声纤
能够传导超声信号及能量的纤维型介质称为“导声纤维”。与能够传导光信号及能量的“导光纤维”简称为“光纤”一样，我们可以将“导声纤维”简称为“声纤”。
声纤与光纤一样纤细柔韧，直径为数微米至数十微米，外加保护隔离层后直径约0.1mm左右。光纤制造材料同时需要均一性与透光性良好，而声纤制造材料仅需均一性良好即可，以保证其透声性能，减少声能衰减。因无透光性要求，声纤制造材料选择余地更大，较相同直径的光纤更柔韧。声纤一端连接于超声阵元单位，另一端连接于被作用物体，如人体皮肤、组织器官、结石等，传输超声信号及能量。
2.声缆
与光纤可组成“光缆”一样，多根声纤也可组成“声缆”。声缆可用于发送与接收多组超声信号，也可同时输送更大的声能。
3.声纤探头
与光缆不同的是，声缆的前端可排列组合成特定的形状，如矩形、扇形，可用于传输、发射、接收超声信号，这种用声纤排列组合而成的超声探头称为“声纤探头”。微型化的声纤探头可经内镜孔道乃至穿刺针孔进入，这种探头称为“腔内声纤探头”。
4.高能声纤
用能够承载高能量声能材料制成的声纤称为“高能声纤”。
5.声纤刀
用高能声纤制成的，以声能为能量平台，具有组织切割、止血、碎石等功能的超声刀称为“声纤刀”。
6.高能聚焦声纤刀
声纤刀的前端可制成凹球面形，可将高能超声再次聚焦于焦点，焦点处可获得更大的声能，这种带有聚焦功能的声纤刀称为“高能聚焦声纤刀”。
（二）声纤临床应用前景概述
声纤技术在医疗领域应用广泛，具体可分为诊断领域与治疗领域两个方面。
1.诊断领域应用列举
（1）声纤探头B超
诊断用超声信号能量较低，通常为mw级，用微米级声纤集成声缆制作的B超声纤探头，可以在6cm*2cm面积范围内排列数千根乃至数万根声纤，每根声纤分别连接一个位于主机内的超声信号发射与接收单元（阵元）上，传输每个阵元的超声信号。通过计算机控制的电子扫描系统按时空顺序依次向每个阵元单位发送、采集声电信号，经计算机计算处理，最终获得超声图像。这种声纤探头的信息通量极大，可连接的阵元数量较现有B超探头内阵元数量提高至少数百倍以上，将大大提高B超的分辨率与清晰度，可在2cm切面厚度内同时采集数百幅序贯切面图像，每个切面的厚度仅数微米，超声横向分辨率会大大提高。用如此高通量信息构建的三维图像更接近真实情况。这种由声纤探头传输采集信号的“高清B超”将大大提高B超的临床诊断应用价值。当然这种极高通量的信息处理需要有与之相匹配的计算机系统及高像素的显示器。
声纤探头B超可通过计算机软件自动获取、存储病灶区域连续而清晰的超声切面图像，这些图像资料医院信息网络，供临床医生查阅参考。
（2）声纤探头腔内B超
用声纤制成的“腔内声纤探头”可以更细小而图像更清晰，可提高腔内超声诊断水平。这种探头细小，可经内镜通道置入体腔，采用高频超声探测，可获取病灶的内部及周围细微组织结构的超声图像，帮助医生制定合理的诊疗计划。
2.治疗领域应用列举
（1）高能声纤刀
可实现内镜下的碎石、组织切割、凝固止血等功能，尤其适合在水环境中工作。
激光能量传导具有“喜气怕水”特点，遇水则迅速吸收产热并有爆破效应，因此激光光纤前端工作时会不断烧毁损耗。而超声能量传导具有“喜水怕气”特性，遇水则继续向前传导，在穿过不同介质界面时能量才逐渐被吸收，因此高能聚焦声纤前端一般不会被损毁，且局部热效应远较激光光纤前端小。
（2）高能聚焦声纤刀
可用于腔内高效碎石、高效组织切割、汽化等手术，需根据需要与多种不同输出功率与频率的超声能量组合使用。
（三）声纤泌尿外科应用前景概述
泌尿系统富含水分，正是“喜水怕气”的超声良好应用环境，故声纤技术在泌尿系统“大有用武之地”。声纤技术在泌尿外科的应用也包括诊断与治疗两个方面。
诊断方面除了前述“高清B超”能为泌尿系统疾病的诊断提供更好的帮助外，“腔内声纤探头”可经内镜置入，可获得更为清晰的腔内B超影像，为术中诊断提供更好的帮助。微型“腔内声纤探头”可制成各种穿刺针内芯，用于引导如PCN穿刺、前列腺活检穿刺等操作，可清晰地显示进针前方器官组织的超声影像，让操作医生增加一双“慧眼”，看得更清楚，实现真正的“B超引导下穿刺”，穿刺点、穿刺方向的选择不受外置式B超影响，有利于选择沿目标肾盏中轴线的最佳穿刺路径，穿刺精准度高，穿刺难度与风险大大降低，可试行真正的“一步穿刺法”——微型腔内声纤超声引导下，通道鞘一次性置入法，提高手术质量与速度。
在治疗方面，“高能聚焦声纤刀”可经内镜细小孔道置入，运用不同的超声输出功率与频率组合，实现内镜下超声组织切割与凝固止血，以及腔内高效碎石等功能。所有频率的超声在水介质中传播性能均良好，能量损耗小，但在穿过介质密度不同的界面时则不然，超声频率越高穿透力越差，作用于界面的能量也就越大，反之亦然。
利用这一物理特性，“声纤刀”在切割组织时可根据需要选择高频、超高频、特高频超声，以更好地控制切割深度，在凝固组织时则采用低频超声，穿透力强，凝固止血效果好。在超声碎石时亦可针对不同的结石选择最佳的超声频率，如对结构松散、内部层次较多的结石选择较低的超声频率，碎石速度快；对结石内部结构相对均匀、超声穿透性好、声能吸收少的结石，可采用脉冲式发射的高频聚焦超声碎石，碎石速度虽慢，但结石粉末化程度好，尤其适合于各种腔镜下“难碎性”结石的粉碎。声纤刀还可内置于类似异物钳的机械装置中，钳端内发射声能，采用“先夹后碎”的方法，用以粉碎较小的结石，避免小结石的跳动逃逸。
上述“异物钳式声纤刀”还可改进为“声纤超声刀”，“导声杆”可设计为柔性可曲式，亦可设计为刚性不可曲式，但均可经内镜孔道置入术野。其超声能量侧向发射，采用“先夹后切”、“先夹后凝”方式，用于膀胱肿瘤黏膜下切除、前列腺切除等手术，以增加手术的安全性能。
因声纤材料的选择余地大，可选择弯曲性能比光纤更好的材料制作声纤，对于输尿管软镜的碎石操作更为有利。与激光不同的是，超声具有更好的介质穿透性，超声产生的热量不易聚集，超声能量用于腔内碎石不仅效率更高，且局部热量聚集更少，可减少治疗过程中的热损伤负作用。
此外，高能声纤还可用于压电式体外冲击波设备冲击波能量的传输。其优点在于：压电晶体阵列可置于主机压电晶体箱内，利用高能声纤组成的声缆将冲击波能量传输至治疗头内，其压电晶体数量可大大增加，可输出的冲击波能量也相应增加，以满足不同的治疗需要。位于压电晶体箱内的压电晶体易于设计安装，也易于维修。位于治疗头内的高能声纤输出端按球面排列组合，形态易控制，还可与相应机械调节装置结合，设计为焦点可调式冲击波源。治疗头声纤安装的间隙内还可安装多组B超声纤探头阵列，实现多切面实时高清B超动态跟踪监测。
综上所述，声纤技术在泌尿科应用前景广阔，在其他诸如临床超声诊断、介入超声诊断及治疗等领域也有着广泛的应用前景。如果“声纤技术构想”得以实现，必将给临床医学带来诸多革命性的变化。声纤技术还可推广应用于工农业、信息通信业、海洋及军事科技等领域，将对社会生产生活方式带来一定的积极影响。
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