外科组织电焊接吻合用自适应高频双极性恒流脉冲源

摘要

本发明属于外科医学技术领域，具体为一种适用于电外科组织焊接吻合手术的自适应型高频双极性恒流脉冲源系统。本发明系统包括：直流供电模块、恒流脉冲发生模块、过压保护模块、反馈模块、中央控制模块以及输出模块。本发明系统能够在对生物组织造成尽可能小的伤害的前提下，有效地对生物组织进行焊接、吻合等，并且对于不同的生物组织有着自适应性的控制模式，同时在焊接过程中能够判断焊接是否完成，自动决定是否终止焊接过程，从而实现智能化的自动焊接。

说明书

技术领域

本发明属于外科医学技术领域，具体涉及一种适用于电外科组织焊接吻合手术的自适应型高频双极性恒流脉冲源。

背景技术

组织缝合是外科手术中极其重要的一环。传统的缝合技术一般采用丝线、皮钉等进行人工缝合，然而这些传统方式一般具有创口明显、恢复慢、易感染等缺点，并且操作复杂，对于医生的手术水平具有较高的要求。这些缺点的存在可能引起一些并发症，具有一定的风险。

高频电场生物组织焊接技术主要通过高频电场作用于生物组织，使得组织细胞发生电穿孔，从而析出蛋白质，同时对组织施加机械压力，利用蛋白质分子的重新凝结实现生物组织焊接。高频电场生物组织焊接技术具有许多优点，例如微创、止血效果好、操作简单、焊接时间短、愈合后无需拆线等，在外科医学技术领域应用前景极其广阔。

生物组织焊接设备的输出模式一般包含恒功率模式、恒压模式和恒流模式。恒功率模式能够匀速汽化组织，从而使得干净地切开组织；大功率恒压模式能够使得组织爆炸性地汽化或碳化。恒流模式能够使得组织热凝固的同时而不汽化。由此可见，恒流模式是最适合生物组织焊接的输出模式。

然而，现有的高频电场生物组织焊接设备模式较为单一，智能化程度较低，难以对不同的组织进行自适应的模式变化与参数调整，限制了设备的应用范围，并且焊接程度的判断对于医生的临床经验具有一定依赖。此外，现有的生物组织焊接设备工作于恒功率模或恒压模式，没有采用恒流模式这一更适于生物组织焊接的输出模式。

为了克服现有技术存在的上述缺陷，本领域亟需一种应用范围广、操作简单、可靠性强的智能化恒流焊接设备，用以实现安全高效的生物组织焊接，并且可通过改变控制模式和参数用于电外科手术的电凝、电刀等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用范围广、可靠性高、操作简单的用于电外科组织焊接吻合手术的自适应型高频双极性恒流脉冲源。

本发明提供的自适应型高频双极性恒流脉冲源，包含直流供电模块、恒流脉冲发生模块、中央控制模块、过压保护模块、反馈模块以及输出模块；参见图1；其中：

所述直流供电模块，为自适应高频双极性恒流脉冲源工作提供电源；

所述恒流脉冲发生模块，分别与直流供电模块、中央控制模块、过压保护模块、反馈模块以及输出模块连接；所述恒流脉冲发生模块包括：五个开关管201、202、203、204、205，一个续流二极管211，一个储能电感221，一个脉冲输出端口231，一个直流输入端口241；其中，脉冲输出端口231接输出模块中负载焊接装置，直流输入端口241接直流供电模块；并且，储能电感221、直流输入端口241、五个开关管201~205共同构成储能电感221充电回路；储能电感221、续流二极管211、第二~第五个开关管202~205组成的全桥结构、输出端口231共同构成储能电感221的放电回路；恒流脉冲发生模块输出恒流脉冲，其参数包括输出峰值电流大小、脉冲频率、脉宽、占空比、输出总能量以及输出时间；

所述中央控制模块，分别与直流供电模块、恒流脉冲发生模块、反馈模块连接；提供的驱动信号通过控制恒流脉冲发生模块中的五个开关管201、202、203、204、205的开通与关断，控制储能电感221的充放电，同时通过改变驱动信号来调整恒流脉冲发生模块输出恒流脉冲的幅值、脉宽、重复频率参数；

所述反馈模块，分别与中央控制模块、恒流脉冲发生模块、输出模块中的负载焊接装置连接；采样负载的电压及电流信号作为反馈信号，反馈信号经一个A/D转换后，模拟信号被转换为数字信号，并传输至中央控制模块；中央控制模块根据反馈信号进行处理，实现对输出脉冲的精确、智能化控制；

所述输出模块，将恒流脉冲发生模块产生的高频脉冲通过负载焊接装置施加到生物组织上，并对生物组织施加合适的压力，用于固定生物组织，优化焊接效果；

所述过压保护模块，用对系统的过电压保护，其一端与恒流脉冲发生模块连接，另一端与输出模块中的焊接装置连接。

本发明系统，用于电外科组织焊接吻合手术，具体操作流程如下（参见图5所示）：

（1）首先，系统输出一系列适当的预处理脉冲，一方面能够适当升高待处理生物组织的温度，使得组织焊接更容易进行；另一方面则是通过反馈电路测量生物组织的阻抗等电特性，从而判断生物组织的类型；

（2）然后，根据生物组织的类型选取预设的焊接模式，并输出最佳参数的双极性脉冲；

（3）在焊接过程中，通过反馈模块实时监测生物组织的阻抗，并且计算系统的累计输出能量，经中央控制模块处理后实时调节输出脉冲的各种电参数，以达到最佳的焊接效果，同时避免对组织造成过度损伤；

（4）中央控制模块根据反馈信号判断焊接过程是否完成，若已完成，则自动停止焊接。

本发明的优点：

1、本发明采用双极性脉冲恒流源作为高频电场的发生装置，输出的脉冲电流幅值基本不会受到负载特性的影响，因此对于不同阻抗的生物组织均能够施加恒定的脉冲电流，从而实现焊接系统的自适应；

2、本发明工作于恒流模式下，能够使得生物组织热凝固的同时而不汽化，是更适用于生物组织焊接的工作模式；

3、本发明的中央控制模块通过反馈模块监测负载的阻抗特性，以此判断组织类型并选取对应的控制模式，从而使得输出脉冲的幅值、脉宽、重复频率等参数达到最佳，并且能够根据负载阻抗的变化以及系统输出能量的计算综合判断焊接过程是否已经完成，从而实现焊接系统的智能化；

4、本发明的恒流脉冲模块仅利用了电感作为储能元件而不需要使用储能电容，因此能够避免储能电容失效的问题，提高了电源的寿命及可靠性；

5、本发明中的过压保护通过使用基于TVS的有源钳位技术来实现，能够在极短时间内对过压信号做出响应，并且过压保护响应时，负载上的输出并未中断，本焊接系统仍然能够在安全的钳位电压下继续可靠工作；此外，过压保护动作时只需要为开关管提供一个导通触发信号，能量损耗极少；

6、本发明结构简单，操作容易，智能安全。

附图说明

图1为本发明的结构框图。

图2为本发明中恒流脉冲发生模块的电路结构图示。

图3为本发明正常工作的输出电流波形。

图4为本发明在过压保护情况下的输出电流波形。

图5为本发明工作流程图示。

具体实施方式

下面结合具体附图和实例对本发明作进一步说明。

图2为恒流脉冲发生模块的电路示意图。包括五个开关管201、202、203、204、205，一个续流二极管211，一个储能电感221，一个脉冲输出端口231，一个直流输入端口241。其中，储能电感221、直流输入端口241、五个开关管201~205共同构成储能电感221充电回路；储能电感221、续流二极管211、采样电阻231、四个开关管202~205组成的全桥结构、输出端口231共同构成储能电感221的放电回路。具体地，首先系统输入驱动信号控制五个开关管201~205全部导通，输入直流源通过充电回路为储能电感221充电，在输入直流源恒定的情况下，充电时间决定输出脉冲的幅值。充电完成后，开关管201关断，进入放电阶段。放电阶段中，首先开关管202、205导通，开关管203、204关断，输出正极性脉冲，接着开关管202~205全部导通，进入短暂死区，然后开关管203、204导通，开关管202、205关断，输出负极性脉冲。如此循环往复以输出双极性脉冲，直到脉冲个数达到预设值，放电阶段结束，重新进入充电阶段。当焊接结束后，开关管201关断，开关管202~205导通，持续数秒，将电感中剩余能量泄放，以保证系统的安全性。

图3为恒流脉冲发生模块正常工作时的输出电流波形图。图中展示了电感的放电阶段中，脉冲发生模块在负载上产生的双极性脉冲簇，增加储能电感的大小可以有效降低输出波形的顶降。

图4系统的过压保护模块动作时的输出电流波形图。在组织焊接过程中，生物组织的阻抗会随着焊接的进行而发生变化。对于本系统中的恒流源来说，当负载阻抗过大时，负载两端会产生一个过大的电压信号，此电压会施加在与负载并联且未导通的开关管两端（例如图2中，输出正极性脉冲时，此电压会施加在开关管203和204上；输出负极性脉冲时，此电压会施加在开关管202和205上）。若此电压大于开关管的漏源极击穿电压，则可能会导致开关管损坏。

在此过压保护模块的保护下，当有过压信号产生时，未导通的开关管栅极得到触发信号从而导通分流，减小流入负载的电流，进而减小负载两端电压。系统达到稳态后，负载两端电压会被钳位至安全电压，从而实现对开关管的过压保护。例如图4中，输出电流设定为10A，即在充电阶段中电感电流被充电至10A，负载阻抗选取了能够触发过压保护的较大值。在过压保护的作用下，只有6A左右的电感电流会流入负载，其余的电流则会流入与其并联的开关管并返回电感。因此脉冲簇的前半部分中，流入负载的电流并不是像图3中的波形那样随着电感储存能量的消耗而减小，而是会保持在6A。而在脉冲簇的后半部分中，当电感能量消耗至不足以触发过压保护时，所有的电感电流都会流入负载，即系统恢复至正常工作模式。由此可见，在此过程中，负载上的输出并未中断，即本焊接系统仍然能够在安全的钳位电压下继续可靠工作。此外，过压保护动作时只需要为开关管提供一个导通触发信号，能量损耗极少。

图3为本系统的工作流程示意图。具体地，首先系统输出一系列适当的预处理脉冲，一方面能够适当升高待处理生物组织的温度，使得组织焊接更容易进行；另一方面则是通过反馈电路测量生物组织的阻抗等电特性，从而判断生物组织的类型。然后根据生物组织的类型选取预设的焊接模式，输出最佳参数的双极性脉冲。在焊接过程中，通过反馈模块实时监测生物组织的阻抗并且计算系统的累计输出能量，经中央控制模块处理后实时调节输出脉冲的各种电参数以达到最佳的焊接效果，同时避免对组织造成过度损伤。中央控制模块根据反馈信号判断焊接过程是否完成，若已完成，则自动停止焊接。