CN112168328A - 输出为方波的等离子体手术系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及等离子体手术系统领域，公开了一种输出为方波的等离子体手术系统，包括：直流控制电路，用于提供直流电源；所述开关电路，设置于所述直流控制电路和全桥逆变及升压电路之间，用于控制两者的通断；以及所述全桥逆变及升压电路，用于生成所述等离子体手术系统的输出能量；所述全桥逆变及升压电路包括第二方波生成子电路和逆变升压子电路，所述第二方波生成子电路生成的第二方波信号用于驱动所述逆变升压子电路，所述逆变升压子电路用于生成所述输出能量。本发明能够提供较好的输出波形，提升能量输出的效率和手术效果。

Description

输出为方波的等离子体手术系统
技术领域
本发明涉及等离子体手术系统领域，具体地涉及一种输出为方波的等离子体手术系统。
背景技术
低温等离子体手术系统是新一代的电外科手术系统，可用于外科手术的软组织解剖、切除、止血和干燥，可以与内窥镜系统配合进行腔内手术或与影像系统配合开展介入治疗等，它消除了射频对医患的损伤和危害，并提高了手术的效率，同时还拥有适用于不同科室的不同外径、不同弯度和不同长度的各类电极。
使用等离子体手术系统进行手术时，等离子体手术系统的能量需要控制在一定范围内，现有等离子体手术系统输出的瞬间能量激发弱，不易激发等离子体，等离子体不易持续产生，会出现粘刀、手术刀切割不锋利、切割效率低等问题。而现有的输出波型为正弦波，无法满足能量输出的需求。
发明内容
为克服或至少部分克服上述技术问题，本发明提供了一种输出为方波的等离子体手术系统，以解决现有技术中正弦波或方波上升沿时间长等问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种输出为方波的等离子体手术系统，该手术系统包括：
直流控制电路，用于提供直流电源；所述直流控制电路包括第一方波生成子电路和逆变降压子电路，所述第一方波生成子电路生成的第一方波信号用于驱动所述逆变降压子电路，所述逆变降压子电路用于生成直流电源；
所述开关电路，设置于所述直流控制电路和全桥逆变及升压电路之间，用于控制两者的通断；所述开关电路包括开关控制子电路和开关执行子电路，所述开关控制子电路用于生成开关通断控制信号输出至所述开关执行子电路，所述开关执行子电路用于执行所述开关通断控制信号；以及
所述全桥逆变及升压电路，用于生成所述等离子体手术系统的输出能量；所述全桥逆变及升压电路包括第二方波生成子电路和逆变升压子电路，所述第二方波生成子电路生成的第二方波信号用于驱动所述逆变升压子电路，所述逆变升压子电路用于生成所述输出能量。
优选的，所述第一方波生成子电路和所述第二方波生成子电路均包括PWM控制器芯片。
优选的，所述第一方波信号和所述第二方波信号均为100KHz～370KHz。
优选的，所述开关通断控制信号为0-10Hz的方波信号。
优选的，所述开关控制子电路包括单片机，所述单片机被配置为用于根据输入的电压信号和预设逻辑确定开关执行子电路的开关通断控制信号，使所述等离子体手术系统的输出功率不超过预设峰值功率且满足预设功率曲线。
优选的，所述输入的电压信号包括来自于所述全桥逆变及升压电路的输出能量的采样信号。
优选的，所述开关执行子电路包括VMOS型开关模块或继电器型开关模块。
优选的，所述VMOS型开关模块包括PMOS型开关模块或NMOS型开关模块。
优选的，所述逆变降压子电路包括：全桥逆变部分，用于将输入的信号进行逆变；以及降压变压部分，用于将逆变后的信号进行降压；
所述逆变升压子电路包括：全桥逆变部分，用于将输入的信号进行逆变；以及升压变压部分，用于将逆变后的信号进行升压。
优选的，所述全桥逆变及升压电路输出的能量经过阻抗匹配后输出至所述等离子体手术系统的外部。
通过上述技术方案，能够提供较好的输出波形，降低上升延迟，提升能量输出的效率和手术效果。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为根据一示例性实施例示出的一种输出为方波的等离子体手术系统的结构框图；
图2为根据一示例性实施例示出的PWM控制器芯片的连接示意图；
图3为根据一示例性实施例示出的逆变升压子电路的电路示意图；
图4为根据一示例性实施例示出的继电器型开关模块结构示意图；
图5为根据一示例性实施例示出的VMOS型开关模块结构示意图；
图6为根据一示例性实施例示出的全桥逆变及升压电路的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
图1为根据一示例性实施例示出的一种输出为方波的等离子体手术系统的结构框图，该系统适用于等离子体手术，如图1所示。该等离子体手术系统包括：直流控制电路，用于提供直流电源；所述直流控制电路包括第一方波生成子电路和逆变降压子电路，所述第一方波生成子电路生成的第一方波信号用于驱动所述逆变降压子电路，所述逆变降压子电路用于生成直流电源；采用以上直流电源不仅能够提供集成化高的稳定电源，还能够提升电能的转化效率。
所述开关电路，设置于所述直流控制电路和全桥逆变及升压电路之间，用于控制两者的通断；所述开关电路包括开关控制子电路和开关执行子电路，所述开关控制子电路用于生成开关通断控制信号输出至所述开关执行子电路，所述开关执行子电路用于执行所述开关通断控制信号；全桥逆变及升压电路可以采用直流控制电路进行供电，由于等离子体手术系统的输出能量需要蓄能和调控，因此需要开关电路进行开关控制。通过对全桥逆变及升压电路的供电控制和参数控制，能够使等离子体手术系统的输出能量不超过预设峰值功率且满足预设功率曲线。
所述全桥逆变及升压电路，用于生成所述等离子体手术系统的输出能量；所述全桥逆变及升压电路包括第二方波生成子电路和逆变升压子电路，所述第二方波生成子电路生成的第二方波信号用于驱动所述逆变升压子电路，所述逆变升压子电路用于生成所述输出能量。全桥逆变及升压电路包括相互连接的全桥逆变电路和升压变压器，所述全桥逆变电路用于将前述的直流控制电路的输入能量逆变为交流电压，升压变压器用于将交流电压升压为手术所需的工作电压。
通过以上实施方式，能够避免采用正弦波上升时间长而造成的爆发不足的问题。而且其他产生方波的方式属于直接产生，容易导致输出功率不足或者在满足功率需求时的波形畸变等问题。
在一实施方式中，所述第一方波生成子电路和所述第二方波生成子电路均包括PWM控制器芯片。该PWM控制器芯片可以是UC3879芯片，通过电阻电容的充放电，能够生成4路特定频率的方波给全桥逆变及升压电路驱动其工作，并经过输出电路进行输出。UC3879芯片属于较为成熟的PWM输出芯片，具有外围电路结构简单和输出稳定的优点。图2为根据一示例性实施例示出的PWM控制器芯片的连接示意图，具体连接如图2所示，图中U2为该UC3879芯片，其4路输出引脚OUTA、OUTB、OUTC、OUTD分别输出PWM-A、PWM-B、PWM-C、PWM-D共4路信号，分别驱动全桥逆变电路的4组开关管。其中OA、OB、OC、OD的相位关系参考其工作手册。图3为根据一示例性实施例示出的逆变升压子电路的电路示意图，如图3所示。其中图中的PWM-A、PWM-B、PWM-C、PWM-D分别与UC3879芯片的4路输出引脚OUTA、OUTB、OUTC、OUTD相连。本发明中提供的逆变降压子电路的电路示意图采用相同的电路原理和相近的电路图，仅在降压部分与图中的升压部分不同，此处不再赘述。
在一实施方式中，所述第一方波信号和所述第二方波信号均为100KHz～370KHz，优选100KHz。100KHz的PWM方波信号能够保证输出功率，也能较为方便地对其进行调节，能够在满足输出功率的前提下进行准确调节。
在一实施方式中，所述开关控制子电路包括单片机，所述单片机被配置为用于根据输入的电压信号和预设逻辑确定开关执行子电路的开关通断控制信号，使所述手术系统的输出功率不超过预设峰值功率且满足预设功率曲线。PWM方波信号(开关通断控制信号)的工作周期，即占空比可以通过单片机进行确定。具体实施本实施例时，直流控制电路的输出电压有不同档位，如10个档位，每个档位对应不同的电压，例如最高档10档对应65V，其余各档位依次递减，等离子体能量输出模块的输出端即为等离子体能量控制系统的输出端(等离子体能量控制系统包括控制面板，控制面板中设置有可以连接手术刀头和脚踏开关的外部接口，等离子体能量控制系统的输出端通过控制面板的外部接口为手术刀头提供等离子体输出能量)，等离子体能量输出模块的输出端通过控制面板的外部接口可以连接不同型号的手术刀头，与等离子体能量控制系统输出端连接的手术刀头型号不同，手术刀头要求的能量也不同。相应地，等离子体能量控制系统输出的功率需要满足的峰值功率和功率曲线不一样。而不同型号手术刀头对应的峰值功率和功率曲线，可以由操作者根据实际需要设置，比如使用刀头A时，设置的峰值功率为300W，等离子体能量控制系统输出功率需要满足功率曲线A，峰值功率控制电路实时获取到取样电流后进行放大处理生成电压信号并发送给单片机(实质测得的是刀头两极之间的实时阻抗)，单片机根据接收到的电压信号就可以计算出满足峰值功率300W和功率曲线A时开关执行子电路对应的工作周期(即此处不同的电压信号对应不同的预设峰值功率和预设的功率曲线)，从而生成开关控制信号控制开关执行子电路断开或闭合。对于同一型号的刀头，如预设200欧为峰值功率点，那么，当测得阻抗小于200欧时，单片机控制开关执行子电路的工作周期为500ms左右(其中，断开时间110ms左右)，当测得阻抗为50欧时，为了适应预设的功率曲线，单片机控制开关执行子电路的工作周期为140ms左右(其中，断开时间110ms左右)，使等离子体能量控制系统的输出功率始终控制在所需范围内。
相比于现有技术，本技术方案，工作周期由断开时间和工作时间组成，且在预设峰值功率不变时(即不改变档位时)，断开时间保持不变)当测得的阻抗低于等离子体的激发阻抗值时(等离子体需要一定的激发阻抗以及相应的激发电压才能激发，而工作时，电压一般都能满足激发电压的要求)，工作周期变短(即工作时间变短，即只调节其工作时间的长短)，开关执行子电路断开，并通过直流控制电路对开关电路进行充电储能。
本技术方案可以根据预设的峰值功率和预设的功率曲线来调节开关执行子电路的工作周期，由于阻抗低于等离子体的激发阻抗值时，开关电路断开蓄能，在一定范围内，工作周期短，爆发能量很强(即瞬时功率变大)，能有效避免瞬间能量激发弱，不容易产生等离子体等问题。使用本实施例的手术系统在手术过程中，当手术刀头上附着有组织，即出现粘刀现象时，刀头阻抗发生变化，如果不解决粘刀问题，会严重影响手术效果，而本实施例由于开关电路断开蓄能，瞬间激发能量时间短，利用瞬间能量产生的等离子体可以将附在刀头的组织打掉，快速解决粘刀问题。另外由于本实施例可以持续输出等离子体能量，因此具有切割快，效率高的优势。
在一实施方式中，所述输入的电压信号包括来自与所述全桥逆变及升压电路的输出能量的采样信号。采用并联式短路检测电路对全桥逆变及升压电路升压后的电压进行并联式电压取样并处理，生成检测信号，然后将所述检测信号发送给所述开关电路中的单片机，所述单片机根据所述短路检测信号控制所述开关电路中的开关执行子电路断开或闭合。正常工作时，第一驱动控制电路和第二驱动控制电路都是打开的，仅在非正常工作时关断(如刀头被判断短路，或者脚踏开关关闭)。通过以上采样信号的反馈，能够实现手术系统输出能量的准确控制。
在一实施方式中，所述开关执行子电路包括VMOS型开关模块或继电器型开关模块。以下分别对VMOS型开关模块或继电器型开关模块进行说明。
图4为根据一示例性实施例示出的继电器型开关模块结构示意图，如图4所示，本实施例提供的开关电路可以采用继电器型开关模块，具体为：继电器型开关模块包括继电器K、三极管Q20和二极管D20，所述三极管Q20的发射极接地且与所述二极管D20的正极连接，所述二极管D20的负极与所述三极管Q20的集电极连接，所述三极管Q20的基极通过电阻R30与单片机连接，所述三极管Q20的集电极还与所述继电器K的线圈的一端连接，所述继电器K的线圈的另一端可以连接12V外接电源，其中所述继电器K开关触点的两端分别作为继电器型开关模块的输入端和输出端串联在系统线路中。
图5为根据一示例性实施例示出的VMOS型开关模块结构示意图，如图5所示，所述VMOS型开关模块包括PMOS型开关模块或NMOS型开关模块。开关单元中的第一MOS管Q1也可以采用NMOS管或继电器来实现开关功能。采用VMOS管可以使本实施例的可靠性更高，具有开关迅速，不易损坏，使用寿命长等特点。所述本开关模块包括第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第一稳压管Z1、第一三极管S1、第一二极管D1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电容C5和第一外接电源U1，其中：因此，单片机通过给开关执行子电路的开关控制输入端发送一定时长的高电平和一定时长的低电平来控制开关执行子电路的工作周期。另外，作为不同于上述开关执行子电路电路结构的另一种实施例，开关单元中的第一MOS管Q1也可以采用NMOS管或继电器来实现开关功能。采用VMOS管可以使本实施例的可靠性更高，具有开关迅速，不易损坏，使用寿命长等特点。本实施例中，第三外接电源U3可以为12V。
开关模块单元中的第一MOS管Q1也可以采用NMOS管或继电器来实现开关功能。采用VMOS管可以使本实施例的可靠性更高，具有开关迅速，不易损坏，使用寿命长等特点。
在一实施方式中，所述逆变降压子电路包括：全桥逆变部分，用于将输入的信号进行逆变；以及降压变压部分，用于将逆变后的信号进行降压；所述逆变升压子电路包括：全桥逆变部分，用于将输入的信号进行逆变；以及升压变压部分，用于将逆变后的信号进行升压。图6为根据一示例性实施例示出的全桥逆变及升压电路的示意图，图6所示，所述全桥逆变电路采用四个MOS管实现，用于将前述的直流控制电路的输入能量逆变为交流电压，升压变压器采用耦合线圈实现，用于将交流电压升压为手术所需的工作电压。其中降压变压模块仅在耦合线圈的选择不同。
在一实施方式中，所述全桥逆变及升压电路输出的能量经过阻抗匹配后输出至所述手术系统的外部。经升压变压器升压之后，其输出的能量经过阻抗匹配之后能够显著减少能量的输出损耗。
在一实施方式中，所述手术系统还包括人机互交模块，所述人机互交模块用于提供所述手术系统的人机互交操作。该人机交互模块用于接收并显示手术系统的工作状态，还用于为操作者提供人机界面接口并将操作者输入的操作指令等发送给所述手术系统内部。人机交互模块可以包括触摸屏交互模式或普通的按键显示等交互模块。
通过以上的实施方式，采用方波信号作为输出，能够避免采用正弦波信号而导致的上升时间长、启动慢和爆发不足等问题。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种输出为方波的等离子体手术系统，其特征在于，包括：
直流控制电路，用于提供直流电源；所述直流控制电路包括第一方波生成子电路和逆变降压子电路，所述第一方波生成子电路生成的第一方波信号用于驱动所述逆变降压子电路，所述逆变降压子电路用于生成直流电源；
所述开关电路，设置于所述直流控制电路和全桥逆变及升压电路之间，用于控制两者的通断；所述开关电路包括开关控制子电路和开关执行子电路，所述开关控制子电路用于生成开关通断控制信号输出至所述开关执行子电路，所述开关执行子电路用于执行所述开关通断控制信号；以及
所述全桥逆变及升压电路，用于生成所述等离子体手术系统的输出能量；所述全桥逆变及升压电路包括第二方波生成子电路和逆变升压子电路，所述第二方波生成子电路生成的第二方波信号用于驱动所述逆变升压子电路，所述逆变升压子电路用于生成所述输出能量。
2.根据权利要求1所述的输出为方波的等离子体手术系统，其特征在于，所述第一方波生成子电路和所述第二方波生成子电路均包括PWM控制器芯片。
3.根据权利要求2所述的输出为方波的等离子体手术系统，其特征在于，所述第一方波信号和所述第二方波信号均为100KHz～370KHz。
4.根据权利要求1所述的输出为方波的等离子体手术系统，其特征在于，所述开关通断控制信号为0-10Hz的方波信号。
5.根据权利要求1所述的输出为方波的等离子体手术系统，其特征在于，所述开关控制子电路包括单片机，所述单片机被配置为用于根据输入的电压信号和预设逻辑确定开关执行子电路的开关通断控制信号，使所述等离子体手术系统的输出功率不超过预设峰值功率且满足预设功率曲线。
6.根据权利要求5所述的输出为方波的等离子体手术系统，其特征在于，所述输入的电压信号包括来自于所述全桥逆变及升压电路的输出能量的采样信号。
7.根据权利要求5所述的输出为方波的等离子体手术系统，其特征在于，所述开关执行子电路包括VMOS型开关模块或继电器型开关模块。
8.根据权利要求7所述的输出为方波的等离子体手术系统，其特征在于，所述VMOS型开关模块包括PMOS型开关模块或NMOS型开关模块。
9.根据权利要求1所述的输出为方波的等离子体手术系统，其特征在于，所述逆变降压子电路包括：全桥逆变部分，用于将输入的信号进行逆变；以及降压变压部分，用于将逆变后的信号进行降压；
所述逆变升压子电路包括：全桥逆变部分，用于将输入的信号进行逆变；以及升压变压部分，用于将逆变后的信号进行升压。
10.根据权利要求1所述的输出为方波的等离子体手术系统，其特征在于，所述全桥逆变及升压电路输出的能量经过阻抗匹配后输出至所述等离子体手术系统的外部。
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