CN114431948A - 一种等离子体手术刀及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种等离子体手术刀及其操作方法。其中等离子体手术刀包括：刀头，包括刀刃部分、接口部分以及设置在刀刃部分底端处的绝缘层；中空主体，限定内部空腔，中空主体包括刀头插座以及围绕刀头插座布置的多个出气孔，中空主体内设置有用于从工作气体生成CAP的第一电极和第二电极，出气孔用于将CAP导向至刀刃部分的表面；控制单元，控制单元用于与第一电极和第二电极电联接并控制第一电极和第二电极的电压或接地；以及输气装置，输气装置连通至中空主体的内部空腔，控制单元控制输气装置向内部空腔中供应工作气体。

Description

一种等离子体手术刀及其操作方法

技术领域

本公开涉及医疗器械，尤其涉及等离子体手术刀。

背景技术

随着科学技术的发展和学科交叉的深入应用，越来越多的高科技手术刀被广泛的应用到临床手术当中。如射频消融手术刀，双极性环状手术刀以及等离子体刀等。

等离子体，是除气态、液态以及固态以外的物质的第四种形态。气态物质通过获取能量而电离从而转化为第四种形态等离子体。等离子体是由带电粒子(包括离子、电子、离子团)和中性粒子组成的系统，是最活跃，物种最丰富的物质状态，整个宇宙中99％的可见物质都是由等离子体组成的。根据等离子体的气体温度，可将等离子体分为高温等离子体和低温等离子体。高温等离子体中的气体几乎处于完全电离状态，重粒子和电子温度都很高。低温等离子体的气体只有部分电离或未电离状态，接近于室温，所以这类等离子体又叫冷等离子体，因在大气压下即可产生，也叫大气压冷等离子体(ColdAtmospheric Plasma,CAP)。CAP是一种新兴的癌症物理治疗手段，研究证明CAP可以在有效地杀灭癌细胞的同时不影响其他同源正常细胞，基于这种选择性杀灭癌细胞的特质，CAP手术装置逐渐走入大众视野并进入临床应用。

目前的等离子体手术装置大多采用射频等离子体来实现对肿瘤组织的切除，如专利文献US20140276741A1公开了一种用于切割软组织的等离子体刀片，是一种用于切除神经或软组织同时减少和防止周围组织产生电弧或过热的切割装置。切割装置包括腔体、远端和近端的探针，远端具有尖端和定位在其尖端附近的切割表面。切割表面具有配置为接收和传导脉冲等离子体介导的射频放电的切割边缘。切割装置还包括覆盖探针的套筒，套筒包含至少一个孔，该孔被配置为暴露切割表面。在探针和套筒之间，一些切割装置包括金属插件，该金属插件可以覆盖探针，仅露出切割面。其中探针包括内部通道或内腔，其构造成接合真空以抽吸切除的神经和/或软组织。

专利文献CN205268278U公开了一种由刀杆组件，电极本体和手柄组成的低温等离子体手术刀。该手术刀为一带电极的针状物，刀杆组件为一中空管，该中空管的前端设置电极基座，基座上设置有电极和引流口。中空管后端设置电源线和负压吸引管组件，电源线和负压吸引管组件穿过手柄和中空管，手柄由绝缘材料组成，在中空管与手柄连接处有一固定件，用于固定手柄和刀杆组件。中空管末端与电极连接处呈90度弯曲。

专利文献CN106580467A公开了一种具有一体化立体电极的低温等离子体手术刀。包括内置有通孔的刀头手柄、与所述刀头手柄通孔前端连接的钢管以及与所述钢管连接的陶瓷头；所述陶瓷头的侧边部位设置有至少一个穿孔，所述穿孔中插入有用于对组织进行切割、消融、和凝固的一体化立体电极，所述陶瓷头中间部位设置有用于对切割后的组织进行吸收处理的吸收腔。

然而，本发明人认识到目前的等离子体手术刀中，射频手术刀的工作原理是通过在有效电极尖端产生的高频高压电流与机体接触时对组织进行加热，实现对机体组织的分离和凝固，从而起到剥离和止血的目的。高频剥离电刀凝血模式的峰值电压较切除模式大，高频电流通过高阻抗的组织时，会在组织中产生热量，导致组织气化或凝固，产生良好的止血效果，但同时也会造成更加明显的热损伤。而组织细胞的变性坏死是一个逐渐发展的过程，普通高频电刀会出现术区肿胀、术后疼痛等反应。CAP手术刀不存在明显的热效应，但是现有的CAP手术刀只能通过狭小的抽引通道来排除废弃组织，受刀头尺寸的限制，在手术过程中时常会发生刀头堵塞的问题，严重影响了手术的连贯性，增加了手术时长和医生的负担。

发明内容

为至少部分地克服现有技术中存在的上述问题，本公开提供了一种等离子体手术刀，其包括：刀头，包括刀刃部分、接口部分以及设置在刀刃部分底端处的绝缘层；中空主体，限定内部空腔，中空主体包括刀头插座以及围绕刀头插座布置的多个出气孔，中空主体内设置有用于从工作气体生成冷等离子体的第一电极和第二电极，出气孔用于将冷等离子体导向至刀刃部分的表面；控制单元，控制单元用于与第一电极和第二电极电联接并控制第一电极和第二电极的电压或接地；以及输气装置，输气装置连通至中空主体的内部空腔，控制单元控制输气装置向内部空腔中供应工作气体。

在一些实施例中，刀刃部分经由接口部分与控制单元电连接，控制单元控制刀刃部分的电压或接地。

在一些实施例中，输气装置被配置成向中空主体的内部空腔供应多种工作气体。

在一些实施例中，多种工作气体包括空气、氩气或氦气中的任一种。

在一些实施例中，第一电极和第二电极实施为布置成基本上朝向刀头的环形电极，第一电极布置成相比第二电极更靠近刀头。

根据本公开的另一方面，提供了一种操作上述等离子体手术刀的方法，其中刀刃部分经由接口部分与控制单元电连接，控制单元控制刀刃部分的电压或接地，并且第一电极布置成相比第二电极更靠近刀头，该方法包括：控制刀刃部分、第一电极和第二电极的电压或接地；向中空主体的内部空腔供应工作气体，工作气体通过出气孔被导向至刀刃部分的表面。

在一些实施例中，该方法还包括从刀头插座移除刀头；其中，控制刀刃部分、第一电极和第二电极的电压或接地的步骤包括控制第一电极接地，控制第二电极的电压为第一电压；向中空主体的内部空腔供应工作气体的步骤包括向中空主体的内部空腔供应空气。

在一些实施例中，控制刀刃部分、第一电极和第二电极的电压或接地的步骤包括控制第一电极和第二电极的电压为第二电压；向中空主体的内部空腔供应工作气体的步骤包括向中空主体的内部空腔供应氩气。

在一些实施例中，控制刀刃部分、第一电极和第二电极的电压或接地的步骤包括控制第一电极和第二电极接地，控制刀刃部分的电压为第三电压；向中空主体的内部空腔供应工作气体的步骤包括向中空主体的内部空腔供应氩气。

在一些实施例中，控制刀刃部分、第一电极和第二电极的电压或接地的步骤包括控制第一电极接地，控制第二电极的电压为第四电压；向中空主体的内部空腔供应工作气体的步骤包括向中空主体的内部空腔供应氦气。

所公开的等离子体手术刀很大程度上保留了外科手术刀的原有形状以配合手术操作人员的使用习惯；同时实现了产生冷等离子体的功能，所产生的冷等离子体吹扫刀刃表面，可以实现切除组织、清洁刀刃表面等功能。

附图说明

图1示出了根据本公开的等离子体手术刀的立体图；

图2示出了根据本公开的等离子体手术刀的刀头的立体图；

图3示出了根据本公开的等离子体手术刀的中空主体的立体图；

图4示出了根据本公开的等离子体手术刀的手柄的立体图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明公开的等离子体手术刀作进一步详细说明。根据以下详细说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用于方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

此外，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

在本公开和所附权利要求书中的“多个”、“多种”，如无特殊说明，其所指为两个或两个以上。

介质阻挡放电(Dielectric barrier discharge,DBD)是最常见的一种用于产生冷等离子体(CAP)的放电模式，是指在两个电极之间加入一层电介质，以提高电极间的电场强度并避免电弧的产生。

如图1所示，根据本公开的手术刀可以包括刀头1、中空主体2、手柄3以及控制单元。

如图2所示，刀头1可以包括刀刃部分101、接口部分103以及设置在刀刃部分101底端处的绝缘层102。刀头1与中空主体2可拆卸地连接，当刀头1连接至中空主体2时，绝缘层102定位在刀刃部分101与中空主体2之间。刀刃部分101底端是指与其尖端相对的一端。

刀刃部分101可以实施为金属刀刃。

接口部分103可以内置有电极，该电极电连接至控制单元(未示出)，例如通过导线308电连接至控制单元。或者接口部分103本身可以用作电极，并与控制单元电连接。特别地，接口部分103可以实施为贯穿绝缘层102连接至刀刃部分101的电极材料。

绝缘层102将刀刃部分101与中空主体2间隔开，并用于防止在某些情况下，刀刃部分101的尖端与中空主体2的内置电极之间产生电弧，以增强安全性。当刀刃部分101插入到刀头插座202时，刀刃部分101通过接口部分103接入刀头插座202提供的连接并接收电压。

控制单元可以实施为外部主机，例如PC、单片机、微控制器等。

可替代地，刀头1可以实施为各种形状，例如可以具有不同的刀刃部分101的长度、倾角，或不同的接口部分103的长度，或接口部分103的不同长度、形状等。

如图3所示，中空主体2限定有内部空腔207。内部空腔207用以通过工作气体，并在其中进行工作气体的等离子化。

中空主体2包括前端面201，设置在前端面201中的刀头插座202以及围绕刀头插座202布置的多个出气孔203。前端面201可以可拆卸地安装至中空主体2。刀头插座202可以实施为前端面201中的狭槽，以用于接收刀头1，特别是刀头1的接口部分103。出气孔203用于将CAP导向至刀刃部分101的表面，其可以实施为相对于刀头插座202对称地布置，例如在出气孔203两侧彼此均匀地间隔开，以使得吹出的CAP均匀。

前端面201上还可以设置有摄像头206，用于手术过程中采集手术刀周围环境并呈现在显示器上，辅助手术过程。

中空主体2内设置有用于从工作气体生成CAP的第一电极204和第二电极205。第一电极204和第二电极205与控制单元电连接，例如通过导线308电连接至控制单元。并且控制单元可以根据工作模式控制第一电极204和第二电极205的电压或控制其接地。

第一电极204和第二电极205可以实施为布置成基本上朝向刀头1的环形电极，第一电极204布置成相比第二电极205更靠近刀头。第一电极204和第二电极205可以围绕中空主体2的内壁设置。

中空主体2可以容纳于手柄3中，使得中空主体2的内部空腔207基本上容纳于手柄3中，如图4所示。为此，手柄3靠近中空主体2的端部中可以设置有容座以容纳中空主体2。

如图4所示，根据本公开的手术刀还包括输气装置307。输气装置307连通至中空主体2的内部空腔207，控制单元控制输气装置307向内部空腔207中供应工作气体。输气装置307被配置成向中空主体2的内部空腔207供应多种工作气体，例如空气、氩气或氦气等。作为示例，输气装置307可以包括三条通路，分别接入空气、氩气和氦气三种气体源。输气装置307还可以包括气泵，其提供气体压力。输气装置307可以至少部分地设置于手柄3中，如图4所示。例如，输气装置307的三条通路可以位于手柄3内，并与外部的气源连通。

手柄3的外部可以设置有多个按钮，其中一些按钮可以对应于手术刀的特定工作模式。例如，可以总共设置五个按钮301、302、303、304、305，分别对应手术刀的五种工作模式。按钮301、302、303、304、305通过数据传输线路306与控制单元连接。

手柄3内还可以设置有导线308，其包含相互绝缘的多条通路，分别连接至刀刃部分101、第一电极204和第二电极205，并根据控制器的指令分配对应的工作电压以实现各个工作模式。

以下描述操作等离子体手术刀的方法。该方法总体上包括控制刀刃部分101、第一电极204和第二电极205的电压或接地；然后向中空主体2的内部空腔207供应工作气体，工作气体通过出气孔203被导向至刀刃部分101的表面。

可以操作等离子体手术刀以实现其特定的工作模式。

(1)按钮301为电源开关，打开电源时手术刀电源接通，所有模块进入待机状态。电源关闭状态下本装置可作为正常手术刀切除肿瘤组织。由此实现了第一工作模式。

(2)按钮302为空气放电模式控制按钮，按下时传递信号给控制单元，控制单元控制第一电极204接地，控制第二电极205的电压为第一电压V1。也就是说向第二电极205输出第一电压V1。此时不连接刀头1及前端面201部分，也即中空主体2的内部空腔207直接通向外部。同时控制输气装置307将空气送入内部空腔207中，例如通过控制输气装置307额气泵。第一电极204和第二电极205之间的空气被击穿，产生空气等离子体，空气等离子体产生ROS/RNS，随气流经由出气孔203送至作用表面，例如肿瘤组织等。由此实现了第二工作模式，即空气放电模式。该模式可用于消毒杀菌，也用于肿瘤手术术后处理，抑制肿瘤组织的复发和转移，提高手术效率。

(3)按钮303为清洁功能控制按钮。在第一工作模式下完成切除操作以后，使用此功能对刀头1附着的残留物进行清洗。此模式下控制第二电极205的电压为第二电压V2，第一电极204接地。也就是说，控制单元输出额定电压V2至第二电极205。同时控制输气装置307将氩气送入内部空腔207中，例如通过控制输气装置307的气泵。第一电极204和第二电极205之间的氩气被击穿，产生氩气等离子体，并随气流经由出气孔203送至刀头表面。等离子体中被电场加速的高速电子撞击加上活性粒子的反应，将附着在刀头表面的手术残余组织中的蛋白质等生物大分子裂解成O₂，CO₂，N₂等成分并随气流脱离刀头，完成对刀头部分的清洁功能。该清洁功能相较于传统的管道抽引等方式更加方便快捷，且不存在管道堵塞等增加手术时长的问题。由此实现了第三工作模式，即清洁模式。

(4)按钮304为尖端氩气放电功能控制按钮。此模式下，控制单元控制第一电极204和第二电极205接地，控制刀刃部分的电压为第三电压V3。此时刀刃部分101作为通电电极。同时控制输气装置307将氩气送入内部空腔207中，例如通过控制输气装置307的气泵。此时刀头形状尖锐，附近电场强度很高，在刀头尖端部分形成尖端放电。氩气是一种惰性气体，手术过程中隔绝部分氧气，从而减少组织的氧化，碳化，烟雾和异味。氩气等离子体中的主要活性粒子为OH自由基、第二正带系N₂、激发态Ar和激发态O原子。氩气等离子体在不同的工作气体中产生OH自由基的能力最强，且持续时间较长，因此当需要OH自由基或者其衍生产物时，可在此模式下工作。根据上述电极设置，可在刀刃顶端产生尖端放电，从而实现某些人体大部分不敏感组织的切割手术，同时加速创口凝血。由此实现了第四工作模式，即尖端氩气放电模式。

(5)按钮305为氦气等离子体射流功能控制按钮。此时不连接刀头1及前端面201部分，也即中空主体2的内部空腔207直接通向外部。此模式下，控制单元控制第一电极204接地，控制第二电极205的电压为第四电压V4。此电极结构配合输气装置307送入的氦气在内部空腔207内引发辉光放电，产生氦气CAP射流从管口喷出。射流长度可由控制单元通过调整输出电压和氦气流速进行调节。氦气CAP中的主要活性粒子为HeⅠ原子、N2第二正带系、N+2的第一负带系、羟基(OH)，H原子的巴尔末线系(Hα和Hβ)与O原子。相对来说，氦气等离子体产生的活性氧(ROS)/活性氮(RNS)的浓度最高，ROS/RNS及其衍生物在等离子体灭菌和诱导肿瘤细胞凋亡方面都起着重要作用。此模式下可以使用射流处理伤口来加速愈合或用于一些皮肤表面处理和消毒。也可连接刀头和接口部分，此时在内部空腔207中产生的氦气等离子体通过出气孔203到达刀刃表面，形成保护层，辅助切割功能。由此实现了第五工作模式，即氦气等离子体射流模式。

以上五种工作模式在实际操作中能够根据使用场景快速切换，能有效缩短手术时间。在工作模式之间切换时，用于空气放电的工作电压高于氩气放电的工作电压，所以在实际切换过程中，工作气体切换与工作电压切换之间设置了一个延迟系数。即切换过程中首先中断电压供给，工作气体切换后延迟约1秒后切换工作电压。防止过高的工作电压施加在额定电压较低的工作气体上而产生过高强度的放电造成设备损坏。

本公开所提供的等离子体手术刀最大程度地保留了外科手术刀的原有形状以配合手术操作人员的使用习惯。其中集成了五种放电模式以配合手术过程中的不同需求，相较于其他等离子体手术刀，不仅操作简单，清理方便，还能用于术后处理抑制肿瘤细胞的复发和转移，提高手术效果。

本说明书的技术的前述详细描述是出于说明和描述的目的而呈现的。其并非旨在是穷举的或将本技术限于所公开的精确形式。根据上述教导，许多修改和变型是可能的。选择所描述的实施例以最佳地解释本技术的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够在各种实施例中最佳地利用本技术，并且具有适合于所设想的特定用途的各种修改。该技术的范围旨在由所附权利要求书限定。

Claims (10)

1.一种等离子体手术刀，其特征在于，包括：

刀头，包括刀刃部分、接口部分以及设置在所述刀刃部分底端处的绝缘层；

中空主体，限定内部空腔，所述中空主体包括刀头插座以及围绕所述刀头插座布置的多个出气孔，所述中空主体内设置有用于从工作气体生成冷等离子体的第一电极和第二电极，所述出气孔用于将所述冷等离子体导向至所述刀刃部分的表面；

控制单元，所述控制单元用于与所述第一电极和所述第二电极电联接并控制所述第一电极和所述第二电极的电压或接地；以及

输气装置，所述输气装置连通至所述中空主体的内部空腔，所述控制单元控制所述输气装置向所述内部空腔中供应所述工作气体。

2.根据权利要求1所述的等离子体手术刀，其特征在于，所述刀刃部分经由所述接口部分与所述控制单元电连接，所述控制单元控制所述刀刃部分的电压或接地。

3.根据权利要求1或2所述的等离子体手术刀，其特征在于，所述输气装置被配置成向所述中空主体的所述内部空腔供应多种工作气体。

4.根据权利要求3所述的等离子体手术刀，其特征在于，所述多种工作气体包括空气、氩气或氦气中的任一种。

5.根据权利要求1所述的等离子体手术刀，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极实施为布置成基本上朝向所述刀头的环形电极，所述第一电极布置成相比第二电极更靠近所述刀头。

6.一种操作根据权利要求1所述的等离子体手术刀的方法，其中所述刀刃部分经由所述接口部分与所述控制单元电连接，所述控制单元控制所述刀刃部分的电压或接地，并且所述第一电极布置成相比第二电极更靠近所述刀头，其特征在于，所述方法包括：

控制所述刀刃部分、所述第一电极和所述第二电极的电压或接地；

向所述中空主体的内部空腔供应工作气体，所述工作气体通过所述出气孔被导向至所述刀刃部分的表面。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括从所述刀头插座移除所述刀头；

其中，控制所述刀刃部分、所述第一电极和所述第二电极的电压或接地的步骤包括控制所述第一电极接地，控制所述第二电极的电压为第一电压；

向所述中空主体的内部空腔供应工作气体的步骤包括向所述中空主体的所述内部空腔供应空气。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：

控制所述刀刃部分、所述第一电极和所述第二电极的电压或接地的步骤包括控制所述第二电极为第二电压，控制所述第一电极接地；

向所述中空主体的内部空腔供应工作气体的步骤包括向所述中空主体的所述内部空腔供应氩气。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：

控制所述刀刃部分、所述第一电极和所述第二电极的电压或接地的步骤包括控制所述第一电极和所述第二电极接地，控制所述刀刃部分的电压为第三电压；

向所述中空主体的内部空腔供应工作气体的步骤包括向所述中空主体的所述内部空腔供应氩气。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：

控制所述刀刃部分、所述第一电极和所述第二电极的电压或接地的步骤包括控制所述第一电极接地，控制所述第二电极的电压为第四电压；

向所述中空主体的内部空腔供应工作气体的步骤包括向所述中空主体的所述内部空腔供应氦气。

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