CN107536640A - 一种用高频电流焊接生物组织的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用高频电流焊接生物组织的装置及方法，该装置包括高频信号发生器系统、功率放大系统、控制系统和光电探测系统，其中高频发生器系统，用于生成可调制的高频信号；功率放大系统将所述高频信号与整流滤波得到的直流电通过场效应管放大生成焊接所需电流；控制系统用于实时调节焊接功率以适应待焊组织阻抗，并在一个焊接循环过程中按照设定功率曲线施加焊接电流；光电探测系统用于采集焊接过程中生物组织焊接区域的光信号并转化为温度信号，并反馈给控制系统以调节焊接功率。本发明根据生物体组织的阻抗差异，选择合适频率和功率的电流并施加于生物组织切口实现全层深度的缝合焊接，有效减小不可逆的热损伤组织范围。

Description

一种用高频电流焊接生物组织的装置及方法

技术领域

本发明属于电外科医学技术领域，特别是一种用高频电流焊接生物组织的装置及方法。

背景技术

最近几十年，科研人员在研发高效缝合材料及缝合器械方面取得了显著成果，相继开发了可降解及含抗菌剂的缝合线、可简化拆线和缩短缝合时间的机械式吻合器、组织粘合剂等。同时缝合器械已开始向微创化、自动化方向发展，但是这类器械存在一定的缺点，如价格昂贵，容易在体内残留金属钉等；组织粘合剂则在粘结强度、生物相容性、可降解性等方面还有待进一步提高。

随着电子技术的发展，其在医疗领域的应用也不断拓展。高频电流生物组织焊接作为一种微创手术具有手术时间短、伤口愈合快、炎症反应小、疤痕不明显等优点，是一种很具潜力的组织缝合替代技术，其一些临床应用已经得到人们的认可。利用电流作用于生物组织产生热效应原理的生物组织吻合焊接技术具有大量临床需求，但目前高频电流生物组织焊接技术主要处于试验研究阶段。在连续输出与恒定功率电流生物组织焊接装置中，输出的大多是固定功率的电流，难以满足不同大小切口或创面的治愈要求。同时，生物组织的阻抗特性因类别和频率不同，而差异较大，如血管组织的阻抗值较高在1.3kΩ左右，而肌肉组织的阻抗值在400Ω左右，且它们的阻抗值均随频率增加而逐渐减小，故连续输出高频电流在实现生物组织的吻合焊接具有明显的局限性，易导致切口在深度方向上的不连续性吻合。目前也有脉冲高频电流生物组织焊接技术，但其能量控制不够精确，且难以根据不同待焊组织特性自动判断是否焊接成功。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用高频电流焊接生物组织的装置及方法，根据生物体不同组织或同一组织不同部位的阻抗特性差异，匹配不同变化规律的焊接周期并使之施加至生物组织，实现生物组织切口或创面全层深度的吻合焊接目的；本发明通过选择不同输出模式的高频电流施加至切口或创面组织，有效减小不可逆的热损伤组织面积。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种用高频电流焊接生物组织的装置，包括高频信号发生器系统、功率放大系统、控制系统和光电探测系统，其中：

高频发生器系统，用于生成可调制的高频信号；

功率放大系统，将所述高频信号与整流滤波得到的直流电通过场效应管放大生成焊接所需电流；

控制系统，用于实时调节焊接功率以适应待焊组织阻抗，并在一个焊接循环过程中按照设定功率曲线施加焊接电流；

光电探测系统，用于采集焊接过程中生物组织焊接区域的光信号并转化为温度信号，并反馈给控制系统以调节焊接功率。

进一步地，所述高频发生器系统采用高频信号发生器，高频信号发生器的输出端接入功率放大系统，高频信号发生器的控制端与控制系统连接；

高频发生器系统以微型芯片自带的PWM输出通道作为高频信号源，选定双边沿输出模式通过控制PWM匹配寄存器PWMMR1～PWMMR4得到两路有脉宽差的方波输出，通过控制PWMMR2和PWMMR4的值控制死区时间的长短，根据焊接的需要做出调整。

进一步地，所述功率放大系统包括顺次连接的功率驱动及隔离模块、功率放大电路、检测模块、波形调制模块及负载，AC220V电源通过整流滤波模块接入功率放大电路，检测模块的输出端接入控制系统，负载的输出端接入光电探测系统；

所述AC220V电源提供的电流通过整流滤波模块后输入功率放大电路，功率驱动及隔离模块对高频发生器系统输入的高频信号进行驱动隔离得到驱动信号，该驱动信号控制功率放大电路的场效应管通断，使功率放大电路输出焊接电流，该焊接电流通过波形调制模块后加载至负载两侧，负载即待焊接的生物组织。

进一步地，所述控制系统包括电压检测单元、电流检测单元、第一模数转换模块、第二模数转换模块、主控单元、参数调节模块和显示模块，电压检测单元、电流检测单元分别通过第一模数转换模块、第二模数转换模块输入主控单元，光电探测系统的输出端通过参数调节模块输入至主控单元，主控单元的输出端分别接入显示模块和高频发生器系统；

所述电压检测单元、电流检测单元分别检测功率放大系统产生的焊接电压、焊接电流，焊接电压、焊接电流分别通过模数转换输入主控单元；光电探测系统采集焊接过程中生物组织焊接区域的光信号并转化为温度信号，该温度信号通过参数调节模块输入至主控单元以调节焊接电压、焊接电流，进而对高频发生器系统的高频信号进行调整；显示模块对检测到的焊接电压、焊接电流进行显示。

进一步地，所述光电探测系统包括顺次连接的光电探测器和第三模数转换模块，所述光电探测器采集焊接过程中生物组织焊接区域的光信号并转化为温度信号，第三模数转换模块将该温度信号转换为数字信号并反馈给控制系统以调节焊接功率。

一种用高频电流焊接生物组织的方法，包括以下步骤：

步骤1、根据待焊接生物组织的物理特性和生理特性，高频发生器系统选择频率匹配的高频信号，并选择电源的输出模式，输出模式包括连续输出模式和脉冲输出模式；

步骤2、根据待焊接生物组织的切口或创面大小、深度和面积，以及该待焊接生物组织的比热容、密度，估算该组织达到60～70℃所需的总热输入量，对焊接周期进行预设，输出使组织变性凝结的焊接电流；

步骤3、根据待焊接生物组织的切口或创面大小，通过控制系统调制功率放大系统，设定焊接电流和焊接电压；

步骤4、根据待焊接生物组织的切口或创面延展方向，选择尺寸形状匹配的钳夹，确定焊接路径；

步骤5、放置待焊接生物组织样本于工作平台，利用钳夹夹持住焊缝两侧使切口紧密贴合，利用钳夹上的旋钮调节夹持力的大小；

步骤6、功率放大系统将高频信号与整流滤波得到的直流电通过场效应管放大生成焊接所需电流，焊接电流开始对待焊接生物组织的切口或创面进行焊接；

步骤7、焊接过程中，光电探测系统采集焊接过程中生物组织焊接区域的光信号并转化为温度信号，并反馈给控制系统以调节焊接功率。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)将可调高频电流通过组织切口或创面组织时，满足生物组织不同阻抗特性的差异要求，可使不同频率的电流与组织内部相互作用产生热效应，以实现切口全深度方向的连续吻合，相对同类激光焊接具有更好的焊透性；(2)可选择不同输出模式的高频电流，脉冲断续输出相比连续输出模式具有减少不可逆热损伤生物组织面积的治疗效果；(3)钳夹在尺寸及形状上可覆盖大多数手术切口，基本满足不同形状与空间的切口或创面组织的焊接目的，并且夹持端电极具有防粘连的效果，避免焊接完成取出电极时撕裂切口，造成二次损伤；(4)使用光电探测器采集焊接区域的光学信号，反馈给控制系统调整占空比改变电流功率，使生物组织焊接的温度处于最佳范围，保证基本焊接温度的同时减少焊接区域高温停留时间，最终实现吻合连续性高和不可逆热损伤面积小的焊接效果。

附图说明

图1为本发明用高频电流焊接生物组织的装置的结构示意图。

图2为本发明所述装置中功率放大系统的部分电路图。

图3为本发明用高频电流焊接生物组织的方法流程图。

图4为本发明实施例2中的焊接过程计算机预设升温曲线图。

具体实施方式

容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明用可调制高频电流焊接生物组织的方法及装置的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。

结合图1，本发明用高频电流焊接生物组织的装置，主要包括高频信号发生器系统、功率放大系统、控制系统和光电探测系统，其中：

(1)高频发生器系统，用于生成可调制的高频信号。

所述高频发生器系统采用高频信号发生器，高频信号发生器的输出端接入功率放大系统，高频信号发生器的控制端与控制系统连接。高频发生器系统以高性能微型芯片自带的PWM输出通道作为高频信号源，选定双边沿输出模式通过控制PWM匹配寄存器PWMMR1～PWMMR4得到两路有脉宽差的方波输出，通过控制PWMMR2和PWMMR4的值控制死区时间的长短，根据焊接的需要做出调整。可调整电流的脉宽，实现占空比0～100％内连续可调，满足不同大小切口的焊接目的，相比固定脉宽的焊接电流，实现更精确的焊接。

(2)功率放大系统，将所述高频信号与整流滤波得到的直流电通过场效应管放大生成焊接所需电流。

所述功率放大系统包括顺次连接的功率驱动及隔离模块、功率放大电路、检测模块、波形调制模块及负载，AC220V电源通过整流滤波模块接入功率放大电路，检测模块的输出端接入控制系统，负载的输出端接入光电探测系统。所述AC220V电源提供的电流通过整流滤波模块后输入功率放大电路，功率驱动及隔离模块对高频发生器系统输入的高频信号进行驱动隔离得到驱动信号，该驱动信号控制功率放大电路的场效应管通断，使功率放大电路输出焊接电流，该焊接电流通过波形调制模块后加载至负载两侧，负载即待焊接的生物组织。

功率放大系统的部分电路图如图2所示，从高性能芯片输出的两道高频信号分别通过10和12端口通过驱动芯片IR2110，然后分别从7和1号口输出功率放大器驱动信号，信号通过电阻，分别流入Q1和Q2的栅极，其中Q1和Q2为N沟道增强型MOSFET。使用半桥式逆变电路后，相比用全桥结构，结构更简单、开关管承受压力小，适用于中小功率的电路。

(3)控制系统，用于实时调节焊接功率以适应待焊组织阻抗，并在一个焊接循环过程中按照设定功率曲线施加焊接电流。

所述控制系统包括电压检测单元、电流检测单元、第一模数转换模块、第二模数转换模块、主控单元、参数调节模块和显示模块，电压检测单元、电流检测单元分别通过第一模数转换模块、第二模数转换模块输入主控单元，光电探测系统的输出端通过参数调节模块输入至主控单元，主控单元的输出端分别接入显示模块和高频发生器系统。所述电压检测单元、电流检测单元分别检测功率放大系统产生的焊接电压、焊接电流，焊接电压、焊接电流分别通过模数转换输入主控单元；光电探测系统采集焊接过程中生物组织焊接区域的光信号并转化为温度信号，该温度信号通过参数调节模块输入至主控单元以调节焊接电压、焊接电流，进而对高频发生器系统的高频信号进行调整；显示模块对检测到的焊接电压、焊接电流进行显示。

控制系统将上述通过负载的电压电流信号收集，通过模数转换，转换成芯片可以识别的数字信号，并在芯片内进行除法运算求实时阻抗值，并引入PID控制算法，及时快速做出反应，对输出电流和电压进行调整，改变高频发生器系统的占空比，达到功率协同控制的效果。

(4)光电探测系统，用于采集焊接过程中生物组织焊接区域的光信号并转化为温度信号，并反馈给控制系统以调节焊接功率。

所述光电探测系统包括顺次连接的光电探测器和第三模数转换模块，所述光电探测器采集焊接过程中生物组织焊接区域的光信号并转化为温度信号，第三模数转换模块将该温度信号转换为数字信号并反馈给控制系统以调节焊接功率。若焊接区域温度未达到预设值，则通过主控芯片增大高频发生器系统的脉冲信号占空比，若超出预设值，则通过主控芯片减小高频发生器系统的脉冲信号占空比。

生物组织到达一定温度时，胶原或蛋白等结构开始变性和凝固，使两断端组织黏合连接，本发明使用光电探测器采集焊接区域的光学信号，转换成电压信号，反馈给控制系统，调整占空比改变电流功率，使生物组织焊接的温度处于最佳范围，保证基本焊接温度的同时减少焊接区域高温停留时间，最终实现吻合连续性高和不可逆热损伤面积小的焊接效果。

结合图3，结合上述装置，本发明用高频电流焊接生物组织的方法为：

步骤1、根据待焊接生物组织的物理特性和生理特性，高频发生器系统选择频率匹配的高频信号，并选择电源的输出模式，输出模式包括连续输出模式和脉冲输出模式。

生物组织不同部位的物理特性差异较大，例如，血管组织的阻抗值较高在1.3kΩ左右，而肌肉组织的阻抗值在400Ω左右，且它们的阻抗值均随频率增加而逐渐减小，选择合适的频率及输出模式作用于组织，分别产生合适的热效应使组织变性和凝结，则可实现皮肤切口全层深度的吻合焊接目的。高频信号发生器参数主要是频率，其次是脉宽和重复频率等。连续输出模式保证电流在组织内提供连续热输入量，使组织温度提高10～20℃，减弱组织酶活性，固定细胞组织；断续脉冲模式通过调节脉宽和重复频率可进一步精确控制电流在组织内的热作用，使组织温度升高至60～70℃，蛋白质和胶原蛋白发生变性和凝结，在脉冲间隔合理控制下，组织可得到短时间冷却，而不是持续升温导致组织膜穿透或汽化分解，因此脉冲模式和连续输出的焊接模式具有减少不可逆热损伤生物组织面积的治疗效果。

步骤2、根据组织的切口或创面组织的大小、深度和面积等外观表现，在已知组织的比热容、密度等物理特性下，粗略估算组织达到60～70℃所需的总热输入量，对焊接周期进行预设，输出使组织变性凝结的焊接电流，并预估焊接升温曲线。功率对热输入发挥着最重要的影响，功率高，组织温升快；功率低，则反之。脉宽长短主要影响本脉冲电流对组织的热作用效果，峰值功率和电流密度一定时，不同脉宽使组织升温至最高温度所需时间不同。重复频率为单位时间内输出电流的脉冲次数，影响脉冲的间隔时间，若脉冲间隔较短，相邻电流脉冲对组织的热效应具有叠加贡献和相关性；若脉冲的间隔足够长，在脉冲间隔期间，考察点的温度将下降至初始温度，那么下一个电流脉冲引起的温度变化与上一个电流脉冲的作用几乎相同。在其他参数一定情况下，焊接周期愈短，生物组织的吸收的热能量愈少；焊接周期愈长，则组织高温停留时间长，产生的不可逆热损伤面积可能愈大。

步骤3、根据待焊接生物组织的切口或创面大小，通过控制系统调制功率放大系统，设定焊接电流和焊接电压。

步骤4、根据待焊接生物组织的切口或创面延展方向，选择尺寸形状匹配的钳夹，确定焊接路径。

步骤5、放置待焊接生物组织样本于工作平台，利用钳夹夹持住焊缝两侧使切口紧密贴合，利用钳夹上的旋钮调节夹持力的大小。

步骤6、功率放大系统将高频信号与整流滤波得到的直流电通过场效应管放大生成焊接所需电流，焊接电流开始对待焊接生物组织的切口或创面进行焊接。

步骤7、焊接过程中，光电探测系统采集焊接过程中生物组织焊接区域的光信号并转化为温度信号，并反馈给控制系统以调节焊接功率：判断是否达到预设值，若未达到，控制高频发生器系统增大焊接电流的脉宽；超出预设值一定范围，则减小脉宽。

步骤8、焊接过程完毕，关闭系统电源，移开目标组织。

上述步骤7中，以温度调控为主，阻抗调控为辅，当未到设定温度，阻抗值已达设定标准，停止焊接；当已超过设定温度，阻抗还未达到预设标准时，降低功率，改变升温曲线，使组织温度保持在合理范围内。

下面结合实验，对本发明做进一步的描述。

实施例1

以活体大白鼠的视网膜为例。

设计焊接电流的基本参数，高频信号发生器系统中，匹配频率为66kHz的高频信号，输出为连续输出。电压设置为20V，功率设置为2W。预设焊接周期为2s。

对活体大白鼠麻醉后，常规消毒，通过巩膜切开术，插入特制电极，另一电极连接于睑牵开器，然后开启电源，通过视网膜的电流被激活。白鼠于专用的笼架内固定，并放置在工作台上。运行控制系统的计算机控制软件，编辑焊接周期为自动。

在焊接过程中，光电探测器采集焊接区域光信号，在控制系统下转换成温度信号，并显示在控制系统的显示屏，人工观察显示屏，若达到60～70℃，则调整插入电极位置，使焊接焊接电流通过视网膜的下一点，最终照射4个点，每个点间隔90°。

焊接完毕后，关闭系统所有电源，移走实验样本。

实施例2

以普通家犬的肝脏为例。

对普通的活体家犬麻醉后剖腹，暴露肝脏，用手术刀在其表面沿直线切取1条长30mm，深5mm的切口，切口焊接面上，在中间缝合一针以牵引切口避免张开过大而影响焊接。

设计焊接电流的基本参数，高频信号发生器系统中，匹配频率为120kHz的高频信号。电压设置为36V，输出功率则为4W。调节控制系统，使焊接周期为15s。

匹配合适尺寸的焊钳，家犬连同肝脏组织放置于工作台上并固定，将焊钳夹持肝脏组织并保持切口紧密贴合，打开焊接电源，使电流通过切口。运行控制系统的计算机控制软件，根据切口大小及夹持组织量，编辑焊接电流的升温曲线及占空比，如图4所示。

在焊接过程中，光电探测器采集焊接区域光信号，在控制系统下转换成温度信号，并判断是否达到60～70℃，若未达到，进行补偿计算，控制高频信号发生器增大脉宽；若超出60～70℃，则减小脉宽，整个过程保持目标区域温度在60～70℃范围内。

焊接完毕后，关闭系统所有电源，移走实验样本。

综上，高频发生器系统输出可调频率高频信号，功率放大系统可使低能量高频信号通过放大器放大成高能量的焊接电流，然后通过控制系统与手术焊钳将电流施加到生物组织的切口或创面，光电探测器采集切口或创面组织焊接区域的温度信号反馈于控制系统，在线调节焊接功率与周期，最终达到热损伤小、吻合连续性高和恢复性快的优质焊接效果。

Claims (6)

1.一种用高频电流焊接生物组织的装置，其特征在于，包括高频信号发生器系统、功率放大系统、控制系统和光电探测系统，其中：

高频发生器系统，用于生成可调制的高频信号；

功率放大系统，将所述高频信号与整流滤波得到的直流电通过场效应管放大生成焊接所需电流；

控制系统，用于实时调节焊接功率以适应待焊组织阻抗，并在一个焊接循环过程中按照设定功率曲线施加焊接电流；

光电探测系统，用于采集焊接过程中生物组织焊接区域的光信号并转化为温度信号，并反馈给控制系统以调节焊接功率。

2.根据权利要求1所述的用高频电流焊接生物组织的装置，其特征在于，所述高频发生器系统采用高频信号发生器，高频信号发生器的输出端接入功率放大系统，高频信号发生器的控制端与控制系统连接；

高频发生器系统以微型芯片自带的PWM输出通道作为高频信号源，选定双边沿输出模式通过控制PWM匹配寄存器PWMMR1～PWMMR4得到两路有脉宽差的方波输出，通过控制PWMMR2和PWMMR4的值控制死区时间的长短，根据焊接的需要做出调整。

3.根据权利要求1所述的用高频电流焊接生物组织的装置，其特征在于，所述功率放大系统包括顺次连接的功率驱动及隔离模块、功率放大电路、检测模块、波形调制模块及负载，AC220V电源通过整流滤波模块接入功率放大电路，检测模块的输出端接入控制系统，负载的输出端接入光电探测系统；

所述AC220V电源提供的电流通过整流滤波模块后输入功率放大电路，功率驱动及隔离模块对高频发生器系统输入的高频信号进行驱动隔离得到驱动信号，该驱动信号控制功率放大电路的场效应管通断，使功率放大电路输出焊接电流，该焊接电流通过波形调制模块后加载至负载两侧，负载即待焊接的生物组织。

4.根据权利要求1所述的用高频电流焊接生物组织的装置，其特征在于，所述控制系统包括电压检测单元、电流检测单元、第一模数转换模块、第二模数转换模块、主控单元、参数调节模块和显示模块，电压检测单元、电流检测单元分别通过第一模数转换模块、第二模数转换模块输入主控单元，光电探测系统的输出端通过参数调节模块输入至主控单元，主控单元的输出端分别接入显示模块和高频发生器系统；

所述电压检测单元、电流检测单元分别检测功率放大系统产生的焊接电压、焊接电流，焊接电压、焊接电流分别通过模数转换输入主控单元；光电探测系统采集焊接过程中生物组织焊接区域的光信号并转化为温度信号，该温度信号通过参数调节模块输入至主控单元以调节焊接电压、焊接电流，进而对高频发生器系统的高频信号进行调整；显示模块对检测到的焊接电压、焊接电流进行显示。

5.根据权利要求1所述的用高频电流焊接生物组织的装置，其特征在于，所述光电探测系统包括顺次连接的光电探测器和第三模数转换模块，所述光电探测器采集焊接过程中生物组织焊接区域的光信号并转化为温度信号，第三模数转换模块将该温度信号转换为数字信号并反馈给控制系统以调节焊接功率。

6.一种用高频电流焊接生物组织的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、根据待焊接生物组织的物理特性和生理特性，高频发生器系统选择频率匹配的高频信号，并选择电源的输出模式，输出模式包括连续输出模式和脉冲输出模式；

步骤2、根据待焊接生物组织的切口或创面大小、深度和面积，以及该待焊接生物组织的比热容、密度，估算该组织达到60～70℃所需的总热输入量，对焊接周期进行预设，输出使组织变性凝结的焊接电流；

步骤3、根据待焊接生物组织的切口或创面大小，通过控制系统调制功率放大系统，设定焊接电流和焊接电压；

步骤4、根据待焊接生物组织的切口或创面延展方向，选择尺寸形状匹配的钳夹，确定焊接路径；

步骤5、放置待焊接生物组织样本于工作平台，利用钳夹夹持住焊缝两侧使切口紧密贴合，利用钳夹上的旋钮调节夹持力的大小；

步骤6、功率放大系统将高频信号与整流滤波得到的直流电通过场效应管放大生成焊接所需电流，焊接电流开始对待焊接生物组织的切口或创面进行焊接；

步骤7、焊接过程中，光电探测系统采集焊接过程中生物组织焊接区域的光信号并转化为温度信号，并反馈给控制系统以调节焊接功率。