CN109044524B - 一种电刀功率源动态输出与控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电刀功率源动态输出与控制系统，它由主控系统、功率控制与反馈系统、电极识别与前置控制系统、靶向组织动态识别与反馈系统四个分系统组成。本发明通过四个分系统和三个工作电路的分工合作，协调配合，最终实现了各种电刀的兼容，减少了资源浪费，同时还提高了电刀功率输出的精准度与稳定性，克服了固定功率输出模式的缺点，降低了靶向组织的热损伤风险和术者的手术难度，提高了手术成功率，缩短了手术时间，具有极大的临床推广应用价值。

Description

一种电刀功率源动态输出与控制系统

技术领域

本发明涉及一种电刀功率源动态输出与控制系统，属于医疗器械技术领域。

背景技术

电刀系统工作目标是切割、凝血准确、快速，组织热损伤小。工作效果与电刀输出频率、波形、功率，与靶向组织的构成、大小、介质性质、血液浓度、阻抗大小，与电刀刀头的大小、形状、作用面积、作用方式以及术者的操作速度、方法、技巧等有关，即工作效果与功率源、靶向组织、电刀头以及术者密切相关。先进的电刀系统应该在四者之间产生更加密切联系，动态协同作用才能发挥最佳的手术效果。

随着高性能的芯片与计算机技术应用，电刀的使用范围越来越广，除常规切割、凝血外，在组织汽化、消融，生理盐水介质的电切、电凝，大血管封闭等都有较快发展。目前，电刀系统以独立功能模式的电刀居多，多功能集成的能量平台正在快速发展，但输出模式不多，主要受到功率输出方法与控制的局限性影响。

现有电刀功率源功率输出一般采用在同一输出模式下固定功率输出，功率不随负载变化而变化，也不随靶向组织形态、性质变化而变化。当负载变化时，为不影响工作效果，采用快速功率补偿技术使其稳定，该模式功率值是由手术医生根据经验设定的，选择的功率往往比实际需达到预期手术效果的功率要大，该功率也称极限功率，该技术方案最大的优点是极限功率输出可以保证手术效果，但缺点是恒定的极限电流容易使部分低阻抗组织产生过渡热损伤。

同一靶向组织构成差异较大，由一种或多种组织组成，无绝对的单一组织，由血管、肌层、网膜、脂肪等组成，其阻抗差异较大(国际公认的人体无感阻抗为10Ω--2000Ω，其中10Ω-50Ω是人体血液的阻抗，100Ω--500Ω是人体的肌肉组抗，500Ω--900Ω是人体的脂肪、肌肉、和网膜等组抗，1000Ω是典型的前列腺组抗，1000Ω--2000Ω基本上是带有毛细血管的脂肪阻抗)，作用于不同靶向区域的功率需求也有较大差异；其次，切割与凝血过程组织形态变化也较大，如切割时的渗血、凝血时的创面结痂等，此时阻抗发生较大变化，功率要求也有所不同；再次，电刀刀头的不同，对能量的需求也发生明显变化。因此，必须依照靶向组织的结构、形态与环境的动态变化、电刀刀头的变化信息对功率输出进行相应的动态调整。

现有的阻抗测定与反馈技术，一般采用测定阻抗的大幅变化时进行功率的开关处理，如电凝效果完成时阻抗快速上升而切断功率源，但一般情况下功率源并未因阻抗变化对切割与凝血过程靶向组织功率要求作动态调整，依然采用恒定极限功率输出的方式，过大的电流密度可能引起切口及周围组织的灼伤。

现有电极识别与反馈技术，是功率源根据手术电极反馈信息进行前置输出控制的主要方法之一。电极插入高频功率源后，主机系统只能被动识别有预先设置标志(如电容、电阻、电压、芯片之中的一种)的电极，主机可以根据该型号电极的反馈信息，优化工作参数和限制参数(额定功率、额定电压、频率、波形等)的手动设置或自动配置。现阶段主机系统识别技术单一，无法主动识别不同制造商的不同识别方法的电极，同一主机厂商只能识别自己生产的电极，也不能识别新电极；不同厂商的电极出于商业目的相互之间无法识别与使用。根据国标GB9706.4-2009相关规定，高频主机与手术电极分别进行单独的要求和试验，而不区分制造商，不支持不同制造商手术电极相互通用。因此不同厂商电极共用互通困难的问题，造成资源浪费。

发明内容

本发明的目的是针对现有的电刀功率源电极识别方法单一，固定、静态的功率输出与控制容易造成靶向组织热损伤，无法达到最佳手术效果等问题，提供一种电刀功率源动态输出与控制系统。

上述目的是通过以下技术方案实现的：

一种电刀功率源动态输出与控制系统，由主控系统、功率控制与反馈系统、电极识别与前置控制系统、靶向组织动态识别与反馈系统四个分系统组成，

主控系统分别与所述另外三个系统电连接，用于存储、运算电极识别信号和靶向组织识别信号，以及指令输出与控制；

功率控制与反馈系统分别与外接电源、手术电极、主控系统电连接，用于根据主控系统的指令向手术电极提供输出，并将输出结果反馈到主控系统；

电极识别与前置控制系统分别与主控系统和手术电极电连接，用于识别手术电极，读取电极参数，并将数据输出到主控系统；

靶向组织动态识别与反馈系统分别与手术电极和主控系统电连接，用于采集靶向组织的阻抗和图像，并将数据输出到主控系统。

所述主控系统由控制模块、无线通讯模块、声光显示模块、输入模块、存储器构成。

所述存储器分为a、b、c、d、e、f、g、h多个存储区域，其中，存储区域a用于存储采集的电极工作参数；存储区域b用于存储可识别手术电极的工作参数以及该参数对应的电极工作模式、功率等信息；存储区域c用于存储采集的靶向组织阻抗数据；存储区域d用于存储靶向组织阻抗与输出功率参数对照数据；存储区域e用于存储阻抗识别判断信息；存储区域f用于存储采集的靶向组织图像数据；存储区域g用于存储各种病理状态下的靶向组织图像模型；存储区域h用于存储图像识别判断信息。

所述功率控制与反馈系统包括PFC模块、信号发生及滤波模块、功率放大模块、输出控制模块、反馈采集模块，所述信号发生及滤波模块与功率放大模块和主控系统连接；所述功率放大模块与PFC模块和输出控制模块连接；所述输出控制模块与反馈采集模块和手术电极连接；所述反馈采集模块与输出控制模块和主控系统连接。

所述电极识别与前置控制系统包括通用电极识别模块，所述通用电极识别模块包括电容识别电路、阻抗识别电路、电压识别电路、芯片识别电路，分别用于识别和读取手术电极的电容、阻抗、电压和电极型号参数。

所述靶向组织动态识别与反馈系统包括阻抗识别模块和图像识别模块。

所述图像识别模块由输入接口、图像采集模块、图像处理模块组成，所述输入接口用于连接摄像系统，所述图像采集模块用于采集靶向组织的形态、颜色、电极刀头状况等图像信号，所述图像处理模块用于对图像数据进行降噪、增强、锐化等技术处理并输出到主控系统。

本发明的有益效果是：

首先，本发明通过主控系统、功率控制与反馈系统组成的第一工作电路，实现了电刀功率源任意频率、任意波形的输出，进而为实现不同厂家和型号的电刀兼容以及电刀的动态输出奠定了基础；其次，本发明通过主控系统、功率控制与反馈系统、电极识别与前置控制组成的第二工作电路，实现了各种电极参数的自动识别，并且能根据不同电极的参数自动调整输出，从而提高了主机系统识别手术电极的能力和功率的精准输出与控制；再次，本发明通过主控系统、功率控制与反馈系统、靶向组织动态识别与反馈系统组成的第三工作电路，实现了在手术过程中对靶向组织状态和信息的自动识别，并能根据识别信号自动调整电刀的输出，从而实现了手术过程中电刀功率源输出的动态调整与控制。

本发明通过四个分系统和三个工作电路的分工合作，协调配合，最终实现了各种电刀的兼容，减少了资源浪费，同时还提高了电刀功率输出的精准度与稳定性，克服了固定功率输出模式的缺点，降低了靶向组织的热损伤风险和术者的手术难度，提高了手术成功率，缩短了手术时间，具有极大的临床推广应用价值。

附图说明

图1本发明各系统的结构框图。

图2本发明主控系统的结构框图。

图3本发明功率控制与反馈系统的结构框图。

图4本发明阻抗识别模块的结构框图。

图5本发明图像识别模块的结构框图。

图6靶向组织动态识别与反馈系统。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。

图1所示，本发明通过主控系统、功率控制与反馈系统、电极识别与前置控制系统、靶向组织动态识别与反馈系统四个分系统来实现功能。

主控系统分别与所述另外三个系统电连接，用于存储、运算电极识别信号和靶向组织识别信号，以及指令输出与控制。

功率控制与反馈系统分别与外接电源、手术电极、主控系统电连接，用于根据主控系统的指令向手术电极提供任意功率和波形的输出，并将输出结果反馈到主控系统。

电极识别与前置控制系统分别与主控系统和外接手术电极电连接，用于识别手术电极，读取电极参数，并将结果输出到主控系统。

靶向组织动态识别与反馈系统分别与手术电极、手术摄像系统、主控系统电连接；用于采集手术部位组织的阻抗和图像，并将结果输出到主控系统。

如图1所示，主控系统、功率控制与反馈系统构成了第一功率输出控制与反馈工作电路；主控系统、功率控制与反馈系统、电极识别与前置控制系统构成了第二功率输出控制与反馈工作电路；主控系统、功率控制与反馈系统、靶向组织动态识别与反馈系统构成第三功率输出控制与反馈工作电路。本系统功能由所述三个工作电路分工合作，协调配合、共同完成。

本实施例分三个工作电路来详细描述系统的工作过程。

电刀系统第一功率输出控制与反馈工作电路：

如图2所示，主控系统由控制模块、无线通讯模块、声光显示模块、输入模块、存储器构成。控制模块是系统的计算与控制中心，负责各分系统的信息存储、运算、指令输出与控制等功能；由于系统信息存储量较大，有必要单独设置存储器作为系统信息存储中心，存储器可分为a、b、c、d、e、f、g、h多个存储器区域；无线通讯模块负责系统与外界无线联络；声光显示模块采用显示屏、数码管或LED灯等方式进行显示；输入模块通过触摸屏、按键、脚踏开关等方式实现人机交互的输入功能。

如图3所示，功率控制与反馈系统由PFC模块、信号发生及滤波模块、功率放大模块、输出控制模块、反馈采集模块、外接电源接口、手术电极接口构成。所述外接电源接口与PFC模块连接；所述信号发生及滤波模块与功率放大模块和主控系统中的控制模块连接；所述功率放大模块与PFC模块和输出控制模块连接；所述输出控制模块与反馈采集模块、外接手术电极接口连接；所述反馈采集模块与输出控制模块和主控系统中的控制模块连接，所述外接手术电极接口与手术电极连接、外接电源接口与电源连接。

图3所示，功率控制与反馈系统接收主控系统中的控制模块发出的功率参数指令(电极输出模式、输出频率、波形、额定功率等)。电源输入至PFC模块，进行功率因素校正，既可以减少使用设备对供电线路的谐波危害，干扰其它电气设备，又可以减少其它电气设备对本系统的干扰，还为逆变模块提供了稳定可变电压的直流电源。

为实现较大功率任意波形输出，输出控制模块中采用LPC54000系列双核处理器231，该处理器基于高性能的

-M4内核，带有可选的

-M0+协处理器。能够以节电模式运行，侦听传入数据，并在侦听到传入数据时，唤醒任一内核，收集或处理信息。在主动模式下，可以利用高功效的Cortex-M0+内核执行数据收集、聚合，以及系统任务管理，同时通过Cortex-M4内核更加快速地执行传感器融合等处理器密集型算法，从而优化功效和吞吐率，最终降低功耗。

输出控制模块可以输出频率范围100K-1000KHz的任意波形，不仅可以适配市面上现有的高频电刀的刀头，还可以根据需要进行远程升级切换不同的频率及波形，为多波形功率模式的产生以及功率控制提供方便。信号发生与滤波模块将任意波形数据转换为模拟电压，再输出至功率放大模块。

功率放大模块根据功率需求可采用功率放大电路，将输出波形进行放大，达到可供手术电极使用。

反馈采集模块通过电流、电压采样电路，采样输出模块的电流、电压等信息，传送至主控系统的控制模块，供控制模块中的处理器监测运行状态，发出功率调整指令，使功率按要求达到完整输出。

上述系统功率输出控制与反馈第一工作电路，该电路为功率源提供输出频率在50-1000KHz的多种波形，其功率放大在0-500W任意调整，具有自动反馈控制能力，使输出功率在要求的范围内稳定运行，是系统功率发生与稳定的功能电路。

电刀系统功率输出控制与反馈第二工作电路：

电极识别与前置控制系统由通用电极识别模块、连接线和外接手术电极接口构成，通用电极识别模块通过连接线与主控系统中的控制模块连接，外接手术电极接口与手术电极连接。通用电极识别模块包括电容识别电路、阻抗识别电路、电压识别电路、芯片识别电路，用于识别手术电极的电容、阻抗、电压和读取电极参数。

其中，电容识别电路采用电容式传感器电路方法进行测定，电阻识别电路为电阻电桥电路进行测定，电压识别电路采用的识别器件为稳压二极管，芯片识别电路由主控系统中的控制模块直接读取电极芯片从而识别电极的相关型号。

通过下列步骤进行电极识别与前置功率控制：

第一步，读取电极识别参数。当系统接通电源、接入手术电极时，主控系统中的控制模块对通用电极识别模块发出指令，电容识别电路，电阻识别电路，电压识别电路，芯片识别电路分别进行电极参数识别与测定；识别信号导入主控系统中的控制模块并保存至存储器中的电极识别参数采集存储区域a待用。

第二步，可识别电极。主控系统中的存储器包含了可识别电极参数存储区域b，该区域预先存储了可识别手术电极的参数以及该参数对应的电极工作模式、功率参数等信息。控制模块将存储区域a的信息与存储区域b的数据进行比对，判断是否为可识别电极，若为可识别电极，直接进入控制模块、输入模块和显示模块进行功率设置与显示；若为新电极，记录识别电极特征值，进入新电极功率参数录入程序。

第三步，新电极识别参数设置。根据电极包装提示，由输入模块输入手术电极包装提示信息：电极工作模式、额定功率、额定电压等相关参数，通过手动模式，遵循从小到大逐步增加的原则，逐步调整功率，调试输出效果。达到满意输出效果时，将确定工作模式与功率参数，通过控制模块存入可识别电极参数存储器b即为可识别电极，下次出现该电极时即可自动识别并自动发出前置工作参数设置指令。

第四步，发出控制指令。控制模块根据可识别电极参数信息，向功率控制与反馈系统发出工作指令。

通过上述步骤，通用电极识别模块可以识别大部分已上市销售的电极，从而实现了不同厂家、不同型号电极的兼容；主控系统中的控制模块根据电极识别信息，发出功率设置指令；功率控制与反馈系统产生并输出电极所需准确的工作模式、功率波形、频率、额定输出功率、额定输出电压等工作参数，使手术电极获得具有反馈控制的精准工作能量输出。上述电路构成电刀系统功率输出控制与反馈第二工作电路，该电路不仅可大大扩充主机系统识别与使用手术电极的能力，而且可做到功率的精准输出与控制。

电刀系统功率输出控制与反馈第三工作电路：

靶向组织动态识别与反馈系统由阻抗识别模块、图像识别模块及输入输出连接线构成。该系统采集靶向组织的阻抗与图像实时信息，并将信息输出到主控系统进行分析、比较得出结论并通过主控系统发出动态功率控制指令。

图4所示，阻抗识别模块用于采集靶向组织内部阻抗数据。手术电极在实施手术时，手术电极接触靶向组织、与靶向组织构成回路。电压采样变压器采集手术电极线上电压信号，传送至电压采样电路，电压信号经过滤波电路，进入主控系统中的控制模块与存储器；电流采样变压器采集手术电极上电流信号，传送至电流采样电路，电流信号经过滤波电路，进入主控系统中的控制模块与存储器。控制模块经过分析转成阻抗信号，存入存储器的存储区域——阻抗信号存储区域c中；在存储器中，还预先设置有阻抗与功率参数对照数据，存放在存储器的存储区域——阻抗与功率参数对照存储区域d中。

控制模块将存储器c采集的动态实时信息与存储器d相关信息进行比对，通过分析模型做出动态分析与判断。阻抗识别判断信息为停止输出、启动输出与输出功率微调信息，功率输出微调信息包括输出增大幅度、减小幅度，并将信息传入存储器15的存储区域——阻抗识别判断信息存储区域e中待用。

图5所示，为图像识别模块，用于采集并处理靶向组织图像特征信息。由摄像系统(包括内窥镜摄像头与开放手术靶向跟踪摄像头)、DVI输入接口、图像采集模块、图像处理模块以及与控制模块的连接线构成。

当摄像系统采集到靶向组织形态、颜色、电极刀头状况等外部特征信号后输入至图像采集模块，随后转入图像处理模块对图像数据进行降噪、增强、锐化等技术处理，形成特征图像数据处理信息；处理信息输入至中控系统中的存储区域——图像采集信号存储区域f。

根据手术过程组织的及时图像特征，存储器中还预先设置如组织包膜、凝血结痂、出血量增加、薄层组织、非软组织的组织图像信息，存放在存储器的存储区域——图像模型存储区域g中；

手术过程中，控制模块将存储区域f的实时信息与存储区域g的相关信息进行比对，通过分析模型做出动态图像识别判断。图像识别判断信息为停止输出、启动输出、调整输出(包括增大与减小)，并将信息传入存储器的存储区域——图像识别判断信息存储区域h中待用。

图6所示，识别电极进入工作状态时，通过阻抗识别模块与图像识别模块实时采集、处理靶向组织的内部特性(阻抗)与外部特征(图像)信息，实时存储于存储器的特定区域存储区域e与存储区域h；控制模块将存储区域e与存储区域h以及电极识别存储区域b相关信息进行处理，并依据三个层次进行判定：停止输出、启动输出、调整输出(包括参数及增减大小)，其判定规则及优先顺序是停止输出优先于启动输出优先于调整输出；其调整输出范围规则是在手术电极额定工作范围以内。

靶向组织动态识别与反馈系统与主控系统、功率控制与反馈系统相结合，通过阻抗识别、图像识别的信息综合处理，形成一个动态、优化、可控的功率输出模型，该动态输出模型作为电刀系统功率输出控制与反馈第三工作电路，该电路是对电刀系统第一、第二工作电路的有效补充。第一功率输出控制与反馈工作电路有效的解决多态功率发生与内部控制问题，第二功率输出控制与反馈工作电路有效解决了电极识别与功率需求反馈与准确前置控制问题，第三功率输出控制与反馈工作电路则有效的解决动态反馈、动态功率补偿与精准控制问题。三者有机结合，形成整体，为手术电刀的安全、有效、精准输出提供一个有效的解决方案。

Claims (2)

1.一种电刀功率源动态输出与控制系统，其特征在于由主控系统、功率控制与反馈系统、电极识别与前置控制系统、靶向组织动态识别与反馈系统四个分系统组成，

主控系统分别与所述另外三个系统电连接，用于存储、运算电极识别信号和靶向组织识别信号，以及指令输出与控制；

功率控制与反馈系统分别与外接电源、手术电极、主控系统电连接，用于根据主控系统的指令向手术电极提供输出，并将输出结果反馈到主控系统；

电极识别与前置控制系统分别与主控系统和手术电极电连接，用于识别手术电极，读取电极参数，并将数据输出到主控系统，主控系统中的控制模块根据电极识别信息，发出功率设置指令；

靶向组织动态识别与反馈系统分别与手术电极和主控系统电连接，用于采集靶向组织的阻抗和图像，并将数据输出到主控系统，

所述主控系统由控制模块、无线通讯模块、声光显示模块、输入模块、存储器构成，所述存储器分为a、b、c、d、e、f、g、h多个存储区域，其中，存储区域a用于存储采集的电极工作参数；存储区域b用于存储可识别手术电极的工作参数以及该参数对应的电极工作模式、功率等信息；存储区域c用于存储采集的靶向组织阻抗数据；存储区域d用于存储靶向组织阻抗与输出功率参数对照数据；存储区域e用于存储阻抗识别判断信息；存储区域f用于存储采集的靶向组织图像数据；存储区域g用于存储各种病理状态下的靶向组织图像模型；存储区域h用于存储图像识别判断信息；其中，控制模块将存储区域c采集的动态实时信息与存储区域d相关信息进行比对，通过分析模型做出动态分析与判断，阻抗识别判断信息为停止输出、启动输出与输出功率微调信息，功率输出微调信息包括输出增大幅度、减小幅度，并将信息传入存储区域e中待用；控制模块将存储区域f的实时信息与存储区域g的相关信息进行比对，通过分析模型做出动态图像识别判断，图像识别判断信息为停止输出、启动输出、调整输出，并将信息传入存储区域h中待用；控制模块将存储区域e与存储区域h以及电极识别存储区域b相关信息进行处理，并依据三个层次进行判定：停止输出、启动输出、调整输出，其判定规则及优先顺序是停止输出优先于启动输出优先于调整输出；其调整输出范围规则是在手术电极额定工作范围以内；

所述功率控制与反馈系统包括PFC模块、信号发生及滤波模块、功率放大模块、输出控制模块、反馈采集模块，所述信号发生及滤波模块与功率放大模块和主控系统连接；所述功率放大模块与PFC模块和输出控制模块连接；所述输出控制模块与反馈采集模块和手术电极连接；所述反馈采集模块与输出控制模块和主控系统连接，其中，功率控制与反馈系统接收主控系统中的控制模块发出的功率参数指令，电源输入至PFC模块，进行功率因素校正；输出控制模块可以输出频率范围100K-1000KHz的任意波形；信号发生与滤波模块将任意波形数据转换为模拟电压，再输出至功率放大模块；功率放大模块根据功率需求可采用功率放大电路，将输出波形进行放大，达到可供手术电极使用；反馈采集模块通过电流、电压采样电路，采样输出模块的电流、电压信息，传送至主控系统的控制模块，供控制模块中的处理器监测运行状态，发出功率调整指令，使功率按要求达到完整输出；

所述电极识别与前置控制系统包括通用电极识别模块，所述通用电极识别模块包括电容识别电路、阻抗识别电路、电压识别电路、芯片识别电路，分别用于识别和读取手术电极的电容、阻抗、电压和电极型号参数，其中，通过下列步骤进行电极识别与前置功率控制：第一步，读取电极识别参数，当系统接通电源、接入手术电极时，主控系统中的控制模块对通用电极识别模块发出指令，电容识别电路，电阻识别电路，电压识别电路，芯片识别电路分别进行电极参数识别与测定；识别信号导入主控系统中的控制模块并保存至存储器中的电极识别参数采集存储区域a待用；第二步，可识别电极，主控系统中的存储器包含了可识别电极参数存储区域b，该区域预先存储了可识别手术电极的参数以及该参数对应的电极工作模式、功率参数信息，控制模块将存储区域a的信息与存储区域b的数据进行比对，判断是否为可识别电极，若为可识别电极，直接进入控制模块、输入模块和显示模块进行功率设置与显示；若为新电极，记录识别电极特征值，进入新电极功率参数录入程序；第三步，新电极识别参数设置，根据电极包装提示，由输入模块输入手术电极包装提示信息：电极工作模式、额定功率、额定电压相关参数，通过手动模式，遵循从小到大逐步增加的原则，逐步调整功率，调试输出效果，达到满意输出效果时，将确定工作模式与功率参数，通过控制模块存入存储区域b即为可识别电极，下次出现该电极时即可自动识别并自动发出前置工作参数设置指令；第四步，发出控制指令，控制模块根据可识别电极参数信息，向功率控制与反馈系统发出工作指令；

所述靶向组织动态识别与反馈系统包括阻抗识别模块和图像识别模块，通过将靶向组织的内部特性与外部特征相结合，将检测结果反馈到主控系统，通过主控系统的运算和比较，能更加准确地控制电刀能量输出。

2.如权利要求1所述的电刀功率源动态输出与控制系统，其特征在于：所述图像识别模块由输入接口、图像采集模块、图像处理模块组成，所述输入接口用于连接摄像系统，所述图像采集模块用于采集靶向组织的形态、颜色、电极刀头状况等图像信号，所述图像处理模块用于对图像数据进行降噪、增强、锐化等技术处理并输出到主控系统。

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