CN113616330B - 一种用于肿瘤组织切割的激光介入手术系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于肿瘤组织切割的激光介入手术系统，包括激光系统、冷却系统、通气系统、切割系统、导管、手柄系统、观察系统；切割系统包括转头和主体，转头中设置有驱动结构，能够在操作人员的控制下带动主体旋转，从而使得两个折叠臂上的激光头绕肿瘤组织的根部转动一周，完成对肿瘤组织的切割。本发明使得肿瘤切割操作更加简单，降低了学习难度，并保证了整个手术系统的可靠性和安全性。

Description

一种用于肿瘤组织切割的激光介入手术系统

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，特别涉及肿瘤切除器械领域。

背景技术

目前对于肿瘤的切除可以使用激光介入系统，这样可以使得切口小，切除干净。然而，目前的激光切除系统由于激光功率较大，均需要进行激光头的冷却，以避免烫伤组织。一般的冷却使用生理盐水等流体冷却剂，即在激光操作过程中，通过导管向激光头周边泵入生理盐水，再经过导管将升温后的生理盐水抽吸出体外。

然而，由于水对光具有吸收作用，特别是对于一些波长（例如20um）的激光具有强烈的吸收作用，且会造成光反射效应，从而导致要切割的组织周边大量的水分减弱了激光的实际切割功率，由于不同手术，及不同手术阶段水分含量的波动，这使得操作者无法准确估计应当使用的激光功率。若功率较大，则会大量散热，且会对组织造成损伤。如果功率较小，则无法完成肿瘤切除操作。因此，如何能够自动准确的设置激光功率，使得实际切割功率满足肿瘤切除要求，是目前亟待解决的问题之一。

此外，对于某些凸出的肿瘤组织而言，常规方法沿着组织外表面切割会导致组织深层可能残余肿瘤细胞。而如果深入组织内部进行切割，这不同于组织表面的平面切割，操作者需要较高的操作技巧，激光深入过深会对正常组织造成损害，过浅则会产生肿瘤残留，激光切入的角度很难把握。因此，如何一次性快速准确切割组织表面及内部肿瘤，减少操作者的学习曲线，是目前亟待解决的问题之一。

此外现有技术中还存在创口大，导管粗，切割系统功能单一，系统可靠性差的问题。

发明内容

为解决上述问题，及下属实施例中提到的诸多问题，本发明提出了如下方案：

一种用于肿瘤组织切割的激光介入手术系统，包括激光系统、冷却系统、通气系统、切割系统、导管、手柄系统、观察系统；激光系统用于产生切割用激光，并将激光传入切割系统；冷却系统用于向切割系统输送冷却液，实现对切割系统及周边组织的冷却；通气系统用于使得定量气体通过通气管进入切割系统中，并向组织周边通气，减少组织表面水分；切割系统用于使用激光切割肿瘤组织；导管用于连接各个系统；手柄系统用于医生操作；观察系统用于展示身体内部影像。

其中切割系统包括主体，主体的壳体顶部为半球形，在半球形边缘具有两个折叠臂进出孔；折叠臂内部容纳有通气管、冷却管、回收管、导线；折叠臂为三段结构，在折叠臂部分伸出壳体后，第一段仍留在壳体内，第二段向外倾斜，远离中心轴，第三段向内倾斜，靠近中心轴，且第三段末端设置有卡爪，第一、二、三段依次转轴连接；折叠臂第二段、第三段内侧部分以及第三段顶部设置有通气孔，与通气管连接，用于向组织通气，吹扫组织上附着的水分；折叠臂第三段外侧部分交替设置有出水口、入水口，出水口与冷却管连接，入水口与回收管连接；冷却液通过出水口喷向周围正常组织，并由入水口回收流入；卡爪同样上设置有入水口；在折叠臂第三段的顶端内部设置有激光头，激光头与第三段顶端壳体活动连接，激光头通过弹性钢丝活动固定于折叠臂中，并且钢丝分别与第三段固定柱的外侧边缘，第二段与第三段之间转轴的固定柱的内侧边缘，以及第二段固定柱的外侧边缘接触，如此，当折叠臂略微伸直时，在钢丝的带动下激光头的光轴与中心轴夹角略微减小，当折叠臂略微弯曲时，在钢丝的带动下激光头的光轴与中心轴夹角略微增大；切割系统壳体内正中心还包括通气管，通气管通过设置在壳体半球形顶部喇叭形的通气孔向外部通气；喇叭形通气孔中心设置有相机，用于实时采集操作画面。切割系统还包括转头，转头中设置有驱动结构，能够在操作人员的控制下带动主体旋转，从而使得两个折叠臂上的激光头绕肿瘤组织的根部转动一周，完成对肿瘤组织的切割。

中心通气孔与肿瘤组织顶部相对，折叠臂第二段、第三段通气孔分别与肿瘤组织上侧部和下侧部相对，第三段顶部通气孔与正常组织相对，构成了一个完成的气流排出通道。

切割系统包括转头和主体，转头中心设置有导管，与主体部分的导管连接，主体部分的中心通气管、折叠臂内的导管最终都汇聚在主体部分的导管中。转头中设置有驱动结构，能够在操作人员的控制下带动主体旋转，从而使得两个折叠臂上的激光头绕肿瘤组织的根部转动一周，完成对肿瘤组织的切割。

一种对介入手术系统进行检查的自检系统，包括底座、半圆形激光检查装置、模拟装置。

底座用于承载半圆形激光检查装置，半圆形激光检查装置为透明材料构成，表面两端设置有温度传感器，用于检查整个系统工作温度是否符合要求；半圆形激光检查装置中心竖向设置有检查板，检查板两侧具有面阵光探测器；模拟装置可拆卸的位于半圆形激光检查装置上，且其材质为硅胶材质，其结构为4至5层层结构构成，每层粗细不同，整体形成中间粗两头细的结构；最下面一层的两端设置有气流传感器，用于检查通气量。再上面一层两端设置有压力传感器，用于检查夹持力度；模拟装置顶层表面设置有十字标记，用于检查相机工作状况。

一种使用自检系统进行激光介入手术系统自检的方法，包括依次启动各个部件，根据各采集数据进行判断。

发明点及技术效果

1、通过转头和两个臂（以及激光头的位置）的配合设计，使得肿瘤切割操作更加简单，降低了学习难度。

2、钢丝、激光头以及可动折叠臂的配合设置，使得对于不同形状、大小、深度的肿瘤切割能够自适应实现。特别是可以容易实现不同深度的切割，避免了肿瘤组织切割不完整的问题。

3、通过折叠臂的设计，使得整个切割系统能够实现夹持，且回收后尺寸较小，以较小的创口和导管即可送入。同时兼顾了手术的创伤大小和切割系统的功能完备性。

4、通过通气系统的具体设计，使得切割功率更加准确，避免了由于组织表面水分带来的切割事故

5、设计了自检系统及流程，保证了整个手术系统的可靠性和安全性。

本发明的发明点包括但不限于以上，具体以实施例记载的技术内容为准。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1是本发明所述的切割系统示意图。

图2是本发明所述的折叠臂结构示意图。

图3是本发明所述的肿瘤组织切割深度示意图。

图4是本发明所述的自检装置示意图。

1-折叠臂；2-转头；3-主体；4-肿瘤组织；5-正常组织

1-1折叠臂第一段；1-2折叠臂第二段；1-3折叠臂第三段；1-4卡爪；1-出水口；1-6入水口；1-7通气口；1-8钢丝；1-9固定柱；1-10激光头；1-11转轴；3-2通气管

3-1导管；3-2通气管；3-3相机

6-1底座；6-2半圆形激光检查装置；6-3检查板；6-4模拟装置；6-5温度传感器；6-6气流传感器；6-7压力传感器。

具体实施方式

手术系统整体结构

整个系统包括激光系统、冷却系统、通气系统、切割系统、导管、手柄系统、观察系统。

其中激光系统包括：光源，用于产生切割用激光，还包括控制器，能够根据不同手术系统进行激光波长和功率的调整，以及光纤，用于与切割系统连接，将激光传入切割系统。

冷却系统包括：冷却液存储器，用于存储并冷却生理盐水等冷却液；输出泵，用于将冷却液泵入冷却管，从而到达切割系统中，实现对切割系统及周边组织的冷却；吸入泵，与回收管连接，用于将组织内或切割系统内残余的冷却液吸出体外，输入冷却存储器中再次冷却；冷却管和回收管分别与切割系统连接，用于冷却液的进出；以及部分位于切割系统内的冷却管、回收管、冷却液进出口。

通气系统包括：高压气瓶，用于存储气体；电磁阀，用于开闭气瓶，从而调节气体量，使得定量气体通过通气管进入切割系统中；以及部分位于切割系统的通气管和通气口。

切割系统包括：转头，用于带动折叠臂转动，从而使得切割激光绕待切割肿瘤组织一周；可折叠臂、可伸直回收至导管中，便于向组织内输送，且在到达位置后可折叠展开，并在手柄的操作下夹持待切割肿瘤，可折叠臂内部容纳有冷却管、回收管、光纤、通气管、相机，且可折叠臂表面具有出水口、入水口、通气口、激光口、观察口。

导管用于连接各个系统，使得冷却管、回收管、光纤、通气管、导线、导丝等容纳其中。导管可以有多个开口，用于与各个系统分别连接。

手柄系统包括操作手柄和导丝，操作手柄用于医生操作，导丝用于根据手柄动作，带动可折叠臂伸入伸出及折叠展开，同时手柄可电控制转头转动，实现180°转动切割。

观察系统，包括显示器，通过导线与相机连接，用于展示身体内部影像。

切割系统结构

切割结构包括壳体，壳体顶部为半球形，在半球形边缘具有两个折叠臂进出孔。折叠臂为空心结构，内部容纳有通气管、冷却管、回收管、导线等。折叠臂为三段结构，在折叠臂部分伸出壳体后，第一段仍留在壳体内，第二段向外倾斜，远离中心轴，第三段向内倾斜，靠近中心轴，且第三段末端设置有卡爪，第一、二、三段依次转轴连接。如此，折叠臂打开后呈现夹钳状态。操作者通过手柄和导丝控制折叠臂打开的幅度，从而适应于不同大小形状的肿瘤组织。在操作时，两个相对的折叠臂的第二段和第三段形成的容纳空间用于容纳待切割的肿瘤组织，卡爪用于夹持肿瘤组织与正常组织交接的部位。

折叠臂第二段、第三段内侧部分以及第三段顶部设置有通气孔，与通气管连接，用于向组织通气，吹扫组织上附着的水分。折叠臂第三段外侧部分交替设置有出水口、入水口，出水口与冷却管连接，入水口与回收管连接。冷却液通过出水口喷向周围正常组织，并由入水口回收流入。卡爪同样上设置有入水口。

在折叠臂第三段的顶端内部设置有激光头，激光头与第三段顶端壳体活动连接，激光头通过弹性钢丝分别与第三段上的固定柱、第二段上的固定柱、第三段与第二段的转轴上的固定柱接触，使得钢丝位于多个固定住之间。并且钢丝分别与第三段固定柱的外侧边缘，转轴固定柱的内侧边缘，以及第二段固定柱的外侧边缘接触，如此，当折叠臂略微伸直时，在钢丝的带动下激光头的光轴与中心轴夹角略微减小，激光头发射的激光光束相对于组织表面的入射角减小，两个激光光束交汇的深度更深一些；当折叠臂略微弯曲时，在钢丝的带动下激光头的光轴与中心轴夹角略微增大，激光头发射的激光光束相对于组织表面的入射角增大，两个激光光束交汇的深度更浅一些，从而实现了激光切割深度随折叠臂弯曲程度自适应的调整。因此，操作员只需要改变折叠臂的弯曲程度即可自动调整激光切割深度。特别是，凸出型肿瘤组织，其通常位于正常组织内部的深度也较深，而扁平型肿瘤组织，其通常位于正常组织内部的深度较浅。由此，该器械能够自适应的针对这两种肿瘤组织自动调整切割的深度，从而保证肿瘤组织切割的准确全面。因此，这也是本发明的发明点之一。

切割系统壳体内正中心还包括通气管，通气管通过设置在壳体半球形顶部喇叭形的通气孔向外部通气。喇叭形通气孔中心设置有相机，用于实时采集操作画面。中心通气管与折叠臂中的通气管连通，均用于向组织通气，从而排除组织表面水分，防止水分反射及吸收对于激光切割的功率影响，特别避免实际切割功率的不可预知性。特别是，中心通气孔与肿瘤组织顶部相对，折叠臂第二段、第三段通气孔分别与肿瘤组织上侧部和下侧部相对，第三段顶部通气孔与正常组织相对，构成了一个完成的气流排出通道，使得肿瘤组织周边水分能够被快速、全面带走。也就是说，通过这种优化的气流排布设置，特别是和出水口、入水口位置的配合设置，保证了在对正常组织降温的基础上，避免切割部位存水，从而优化了切割功率。优选的，对于通气量应当随冷却液流量自适应变化，从而避免冷却液过多而通气不够的情况出现。经过大量实验，获得以下描述通气量的公式：

P=a*ln(b*Q+c)

其中，P为通气量，a、b、c为经验系数，Q为冷却液流量。P、Q的单位为L/min。优选的1<a<5.7，1<b<2.3，0.87<c<1.2特别优选的a=3.1，b=1.9，c=1.1。根据优选参数，可以保证足够的冷却，同时使得水分残留较少，避免功率损耗带来的功率无法事先预知的问题。上述通气量为系统整体总通气量，冷却液流量也为系统整体总冷却液流量。

切割系统第三段外侧设置有出水口，可以向正常组织喷射冷却液，同时每个出水口周边设置有入水口，保证冷却液在接触正常组织后即被回收，防止冷却液扩散。同时，卡爪上设置有入水口，通过泵的抽吸作用，可以将卡爪周边剩余的冷却液回收。如此可以发现，通过气路与水路的配合，冷却液的流动路径只能是从出水口出来，经过正常组织，再从入水口吸入。从而可以避免水分对于激光切割功率的影响。因此，水路和气路的排布也是本发明的发明点之一。

以上折叠臂结构以一个折叠臂为例进行的介绍，另一个折叠臂是对称设置的，内外结构与其相同，不再赘述。

以上介绍了切割系统的主体构成。切割系统包括转头和主体，下面将介绍转头。转头中心设置有导管，与主体部分的导管连接，主体部分的中心通气管、折叠臂内的导管最终都汇聚在主体部分的导管中。转头中设置有驱动结构，能够在操作人员的控制下带动主体旋转，从而使得两个折叠臂上的激光头绕肿瘤组织的根部转动一周，完成对肿瘤组织的切割。如此，可以避免操作人员反复移动激光头手动进行切割操作，只需要夹持肿瘤组织到位后，按下按钮，即可快速完成旋转切割，简单快捷且切割能够自适应深度，避免了对于操作人员技能较高的要求，降低了学习曲线。理论情况下转头转动180°即可完成切割，但为了切割更加充分，避免误差带来的切割未完成，通常将转头设定为转动185°。

手术系统自检结构及方法

为了保证手术系统正常工作，需要定期对手术系统进行检测。自检系统包括底座、半圆形激光检查装置、模拟装置。

底座用于承载半圆形激光检查装置，半圆形激光检查装置为透明材料构成，表面两端设置有温度传感器，用于检查整个系统工作温度是否符合要求，是否能保证正常组织不被高温损伤。装置中心竖向设置有检查板，检查板两侧具有面阵光探测器，通过这种设置，可以准确检测任意深度的激光束，从而模拟所有手术工况。这与一般的水平方向设置一个光探测的方案完全不同，也是发明点所在。

模拟装置可拆卸的位于半圆形激光检查装置上，且其材质为硅胶材质，其结构为4至5层层结构构成，每层粗细不同，整体形成中间粗两头细的结构。最下面一层的两端设置有气流传感器，用于检查通气量。由于最下层是激光起作用的最邻近位置，因此该处的通气量尤为重要，因此将气流传感器设置于此；再上面一层两端设置有压力传感器，用于检查夹持力度。由于中间层在手术中是最不容易被夹持到的部位，因此压力传感器设置在中间层，能够更好地判断是否夹持牢固。模拟装置顶层表面设置有十字标记，用于检查相机工作状况。模拟装置的上述结构和传感器配置，是为了该手术系统而独特设置的，现有技术中没有相同或相似的结构，甚至现有技术中都没有对手术系统的检查装置，由此也可以看出这是本发明的贡献之一。

自检流程：

（1）操作者操作手术系统，使得切割系统夹持第一模拟装置，压力传感器检测压力值N1符合要求后，开启切割系统；

（2）激光头发射光，工作10s后温度传感器实时采集系统温度T1，再开启冷却系统，温度传感器实时采集系统温度T’1，入射光穿过透明半圆形激光检查装置，入射至检查板的面阵光探测器上，若接收到的激光光强小于67%入射光强，此时冷却液大量覆盖检查装置表面造成激光的反射和吸收，且 (T1-T’1)/T1<0.92，则判断冷却系统工作正常；上述光强阈值是经过大量实验验证能够较为准确判断激光头是否正常，又可以减少误报率的数值，也是优选的。

（3）开启通气系统后，气流传感器检测气体流量P1，若气体流量与冷却液流量基本满足上述关系式，则判断通气系统符合要求；

（4）激光头发射光，穿过透明半圆形激光检查装置，入射至检查板的面阵光探测器上，记录此时光强I1、光斑面积M1以及光斑位置（X1，Y1）。操作手柄，使得切割系统主体旋转180度，记录此时光强I’1、光斑面积M’1以及光斑位置（X’1，Y’1）

（5）判断|I1-I0|/I0<0.03+R，其中I0为输入光强，R为由于透明半圆形激光检查的反射和吸收导致的光强损失比，具体数值可以提前进行实验标定，即测定激光穿过该透明介质的损耗比。若上式成立，且M1、M’1均小于额定值，则判断激光头工作正常；

（6）判断△X=|X1-X’1|及△Y=|Y1-Y’1|是否符合小于阈值的要求，若符合则判断转头工作正常。其中阈值可以设定，优选为1.3mm。

以上各种阈值，可以根据检测需要进行设定，也可以经过试验进行测定，选择适合的阈值。

以上传感器仅以一侧作为说明，另一侧也是同样操作，且两侧均符合要求，才认为整个系统工作正常。

以上自检治具和自检方法是专用于该系统的，其结构专为该手术系统而设计，与其他检测系统或其他手术系统无法通用，并且能够快速准确进行系统自检，提高了整个手术系统的稳定性和可靠性，因此也是发明点之一。

可以理解，除了上述内容，还包括一些常规结构和常规方法，由于这些内容都是公知的，不再赘述。但这并不意味着本发明不存在这些结构和方法。

本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (4)

1.一种用于肿瘤组织切割的激光介入手术系统，其特征在于：包括激光系统、冷却系统、通气系统、切割系统、导管、手柄系统、观察系统；激光系统用于产生切割用激光，并将激光传入切割系统；冷却系统用于向切割系统输送冷却液，实现对切割系统及周边组织的冷却；通气系统用于使得定量气体通过通气管进入切割系统中，并向组织周边通气，减少组织表面水分；切割系统用于使用激光切割肿瘤组织；导管用于连接各个系统；手柄系统用于医生操作；观察系统用于展示身体内部影像。

其中切割系统包括主体，主体的壳体顶部为半球形，在半球形边缘具有两个折叠臂进出孔；折叠臂内部容纳有通气管、冷却管、回收管、导线；折叠臂为三段结构，在折叠臂部分伸出壳体后，第一段仍留在壳体内，第二段向外倾斜，远离中心轴，第三段向内倾斜，靠近中心轴，且第三段末端设置有卡爪，第一、二、三段依次转轴连接；折叠臂第二段、第三段内侧部分以及第三段顶部设置有通气孔，与通气管连接，用于向组织通气，吹扫组织上附着的水分；折叠臂第三段外侧部分交替设置有出水口、入水口，出水口与冷却管连接，入水口与回收管连接；冷却液通过出水口喷向周围正常组织，并由入水口回收流入；卡爪同样上设置有入水口；在折叠臂第三段的顶端内部设置有激光头，激光头与第三段顶端壳体活动连接，激光头通过弹性钢丝活动固定于折叠臂中，并且钢丝分别与第三段固定柱的外侧边缘，第二段与第三段之间转轴的固定柱的内侧边缘，以及第二段固定柱的外侧边缘接触，如此，当折叠臂略微伸直时，在钢丝的带动下激光头的光轴与中心轴夹角略微减小，当折叠臂略微弯曲时，在钢丝的带动下激光头的光轴与中心轴夹角略微增大；切割系统壳体内正中心还包括通气管，通气管通过设置在壳体半球形顶部喇叭形的通气孔向外部通气；喇叭形通气孔中心设置有相机，用于实时采集操作画面。切割系统还包括转头，转头中设置有驱动结构，能够在操作人员的控制下带动主体旋转，从而使得两个折叠臂上的激光头绕肿瘤组织的根部转动一周，完成对肿瘤组织的切割；

其中通气管的通气量满足P=a*ln(b*Q+c)，P为通气量，a、b、c为经验系数，Q为冷却液流量。

2.如权利要求1所述的介入手术系统，其特征在于：中心通气孔与肿瘤组织顶部相对，折叠臂第二段、第三段通气孔分别与肿瘤组织上侧部和下侧部相对，第三段顶部通气孔与正常组织相对，构成了一个完成的气流排出通道。

3.如权利要求1所述的介入手术系统，其特征在于：切割系统包括转头和主体，转头中心设置有导管，与主体部分的导管连接，主体部分的中心通气管、折叠臂内的导管最终都汇聚在主体部分的导管中。转头中设置有驱动结构，能够在操作人员的控制下带动主体旋转，从而使得两个折叠臂上的激光头绕肿瘤组织的根部转动一周，完成对肿瘤组织的切割。

4.一种对权利要求1-3任一介入手术系统进行检查的自检系统，其特征在于：包括底座、半圆形激光检查装置、模拟装置。

底座用于承载半圆形激光检查装置，半圆形激光检查装置为透明材料构成，表面两端设置有温度传感器，用于检查整个系统工作温度是否符合要求；半圆形激光检查装置中心竖向设置有检查板，检查板两侧具有面阵光探测器；模拟装置可拆卸的位于半圆形激光检查装置上，且其材质为硅胶材质，其结构为4至5层层结构构成，每层粗细不同，整体形成中间粗两头细的结构；最下面一层的两端设置有气流传感器，用于检查通气量。再上面一层两端设置有压力传感器，用于检查夹持力度；模拟装置顶层表面设置有十字标记，用于检查相机工作状况。

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