CN115607263B - 一种等离子射频手术系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种等离子射频手术系统，包括HMI人机交互模块、控制模块、射频放大器、调制射频放大器、射频耦合模块、双射频电极、信息采集模块、冷却灌注泵和脚踏开关；HMI人机交互模块连接脚踏开关和控制模块的第一输入端；控制模块的第一输出端连接冷却灌注泵；控制模块的第二输出端连接射频放大器的第一输入端；控制模块的第三输出端连接调制射频放大器的第一输入端；射频耦合模块的输出端连接双射频电极；信息采集模块连接控制模块的第二输入端和双射频电极。本发明解决了等离子的神经刺激，提高了等离子激发效率，实现刀头温度可控，降低了热损伤及刀头堵塞的风险。

Description

一种等离子射频手术系统
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种等离子射频手术系统。
背景技术
在医学领域中，等离子射频消融技术已经应用得十分广泛，等离子消融技术是以100～200KHz超低频率射频能量激发介质(NaCl)产生等离子体，靠射频技术产生的能量打断分子键，将蛋白质等生物大分子直接裂解成O2，CO2，N2等气体，从而完成对组织的切割、打孔、消融、皱缩和止血等多种操作。
利用等离子射频消融系统完成上述治疗的关键在于等离子体的激发，现有技术中，利用100KHz超低频率的稳定电场，将Nacl等电解液激发成低温等离子体，在电极前形成厚度为100微米的等离子体薄层。在100KHz超低频稳定电场下，等离子体中的粒子会获得更长的加速时间，粒子加速运动最终形成带有足够动能的高速带电粒子。
上述现有技术，在实际应用中存在着诸多问题，低频下常见方波输出由于具有边沿陡，单向电场持续时间长，存在对神经信号干扰较大的问题；当等离子消融电极插入到患者病灶位置所在的组织时，为了减轻患者的痛苦并缩短微创治疗所需的时间，需要在短时间内激发获得上述等离子体，以便快速实现对病灶组织的消融或凝固处理。根据现有技术的启示，为了在短时间内获得高速等离子体，则必然需要提高等离子体薄层中的电场能量，提升射频能量的频率，然而频率的提升会使得离子处于往复运动状态，加速分子摩擦进而产生较强的热效应，治疗时容易对正常的人体组织造成损伤。同时，现有等离子系统无集成灌注系统，电极刀头容易堵塞，或无温度反馈，导致作用部位温升过高烫伤正常组织。
因此，如何在短时间内完成等离子体的激发，降低神经干扰，同时降低热效应，降低刀头堵塞风险是当前亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种等离子射频手术系统解决了电极刀头容易堵塞，刀头温度不可控，等离子激发速度慢，神经刺激较强的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种等离子射频手术系统，包括HMI人机交互模块、控制模块、射频放大器、调制射频放大器、射频耦合模块、双射频电极、信息采集模块、冷却灌注泵和脚踏开关；
HMI人机交互模块连接脚踏开关和控制模块的第一输入端；控制模块的第一输出端连接冷却灌注泵；控制模块的第二输出端连接射频放大器的第一输入端；控制模块的第三输出端连接调制射频放大器的第一输入端；射频放大器的输出端连接射频耦合模块；调制射频放大器的输出端连接射频耦合模块；射频耦合模块的输出端连接双射频电极；射频放大器的第二输入端和调制射频放大器的第二输入端连接输入电源；冷却灌注泵和双射频电极相连接；信息采集模块连接控制模块的第二输入端和双射频电极；
HMI人机交互模块，用于对控制模块进行指令输入，将控制参数变化实时显示在交互界面上；
控制模块，用于驱动冷却灌注泵，实时调节泵流量，控制刀头冷却水流速，对刀头进行相应程度的温度控制；用于通过信号采集模块采集双射频电极、射频放大器、射频耦合模块和调制射频放大器的实时信号，对双射频电极、射频放大器、射频耦合模块和调制射频放大器的工作状态进行监控，并作出相应PWM的调节；
射频放大器，用于将输入电源的交流信号AC转换为频率100-200kHz，有效电压小于360V的方波交流信号AC1；
调制射频放大器，用于将输入电源的交流信号AC1转换为频率200kHz～5MHz，有效电压小于360V的方波或正弦交流信号AC2；
射频耦合模块，用于将AC1与AC2叠加输出耦合的高频信号；
双射频电极，用于通过射频耦合模块输出的耦合的高频信号产生等离子体；
信息采集模块，用于采集双射频电极的温度信息和采集双射频电极、射频放大器、射频耦合模块和调制射频放大器的实时信号。
进一步地，射频放大器包括第一PWM驱动器、第一AC/DC模块和第一单相桥式电路；第一PWM驱动器的输入端作为射频放大器的第一输入端；第一AC/DC模块的输入端作为第二输入端；第一PWM驱动器的输出端连接第一单相桥式电路的受控端；第一AC/DC模块的输出端连接第一单相桥式电路的电源输入端；第一单相桥式电路的输出端作为射频放大器的输出端。
进一步地，第一单相桥式电路包括晶体管P1、晶体管P2、晶体管P3和晶体管P4；晶体管P1的漏极连接第一AC/DC模块的正极和晶体管P2的漏极；晶体管P1的源极连接晶体管P3的漏极；晶体管P1的栅极连接第一PWM驱动器的第一输出端口；晶体管P3的栅极连接第一PWM驱动器的第二输出端口；晶体管P3的源极连接第一AC/DC模块的负极和晶体管P4的源极；晶体管P4的栅极连接第一PWM驱动器的第四输出端口；晶体管P4的漏极连接晶体管P2的源极；晶体管P2的栅极连接第一PWM的第三输出端口；晶体管P1的源极和晶体管P2的源极分别为第一单相桥式电路的两个输出端口。
进一步地，调制射频放大器包括第二PWM驱动器、第二AC/DC模块和第二单相桥式电路；第二PWM驱动器的输入端作为调制射频放大器的第一输入端；第二AC/DC模块的输入端作为第二输入端；第二PWM驱动器的输出端连接第二单相桥式电路的受控端；第二AC/DC模块的输出端连接第二单相桥式电路的电源输入端；第二单相桥式电路的输出端作为调制射频放大器的输出端。
进一步地，第二单相桥式电路包括晶体管P5、晶体管P6、晶体管P7和晶体管P8；晶体管P6的漏极连接第二AC/DC模块的正极和晶体管P5的漏极；晶体管P6的源极连接晶体管P8的漏极；晶体管P5的源极连接警惕管P7的漏极；晶体管P7的源极连接晶体管P8的源极和第二AC/DC模块的负极；晶体管P5的栅极连接第二PWM驱动器的第一输出端口；晶体管P6的栅极连接第二PWM驱动器的第三输出端口；晶体管P7的栅极连接第二PWM驱动器的第二输出端口；晶体管P8的栅极连接第二PWM驱动器的第四输出端口；晶体管P5的源极和晶体管P6的源极分别为第二单相桥式电路的两个输出端口。
进一步地，射频耦合模块包括变压器L1和变压器L2；变压器L1原边的一端连接晶体管P1的源极和晶体管P3的漏极；变压器L1原边的另一端连接晶体管P2的源极和晶体管P4的漏极；变压器L1副边的一端连接变压器L2副边的一端；变压器L1副边的另一端连接双射频电极的第一输入端；变压器L2副边的另一端连接双射频电极的第二输入端；变压器L2的原边的一端连接晶体管P5的源极和晶体管P7的漏极；变压器L2的原边的另一端连接晶体管P6的源极和晶体管P8的漏极。
进一步地，信息采集模块包括温度采集子模块和信号采集子模块；信号采集子模块通过双射频电极和射频耦合模块相连接；
温度采集子模块，用于采集双射频电极的刀头的温度并传输至控制模块，进而控制电极刀头的温度；
信号采集子模块，用于采集双射频电极、射频放大器、射频耦合模块和调制射频放大器的实时信号，对各个模块的工作状态进行监控，并将信息传输给控制模块。
本发明的有益效果为：通过射频信号的耦合输出，解决了传统低频下方波输出所导致的神经干扰问题，有效提升了等离子激发效率，保证组织凝血效果的同时，有效控制热效应，通过集成灌注，刀头温度反馈，控制模块实现对灌注流量的控制，对刀头进行温度调节，实现温度的闭环控制，达到控温效果，降低刀头堵塞以及热损伤的影响。
附图说明
图1为系统结构图；
图2为主机内部电路图；
图3为双射频电极示意图；
图4为射频放大器模块输出示意图；
图5为调制射频放大器模块输出示意图；
图6为耦合模块输出示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，一种等离子射频手术系统，包括HMI人机交互模块、控制模块、射频放大器、调制射频放大器、射频耦合模块、双射频电极、信息采集模块、冷却灌注泵和脚踏开关；
HMI人机交互模块连接脚踏开关和控制模块的第一输入端；控制模块的第一输出端连接冷却灌注泵；控制模块的第二输出端连接射频放大器的第一输入端；控制模块的第三输出端连接调制射频放大器的第一输入端；射频放大器的输出端连接射频耦合模块；调制射频放大器的输出端连接射频耦合模块；射频耦合模块的输出端连接双射频电极；射频放大器的第二输入端和调制射频放大器的第二输入端连接输入电源；冷却灌注泵和双射频电极相连接；信息采集模块连接控制模块的第二输入端和双射频电极；
所述HMI人机交互模块，用于对控制模块进行指令输入，将控制参数变化实时显示在交互界面上；
所述控制模块，用于驱动冷却灌注泵，实时调节泵流量，控制刀头冷却水流速，对刀头进行相应程度的温度控制；用于通过信号采集模块采集双射频电极、射频放大器、射频耦合模块和调制射频放大器的实时信号，对双射频电极、射频放大器、射频耦合模块和调制射频放大器的工作状态进行监控，并作出相应PWM的调节；
所述射频放大器，用于将输入电源的交流信号AC转换为频率100-200kHz，有效电压小于360V的方波交流信号AC1；
所述调制射频放大器，用于将输入电源的交流信号AC1转换为频率200kHz～5MHz，有效电压小于360V的方波或正弦交流信号AC2；
所述射频耦合模块，用于将AC1与AC2叠加输出耦合的高频信号；
所述双射频电极，用于通过射频耦合模块输出的耦合的高频信号产生等离子体；
所述信息采集模块，用于采集双射频电极的温度信息和采集双射频电极、射频放大器、射频耦合模块和调制射频放大器的实时信号。
如图2所示，射频放大器包括第一PWM驱动器、第一AC/DC模块和第一单相桥式电路；第一PWM驱动器的输入端作为射频放大器的第一输入端；第一AC/DC模块的输入端作为第二输入端；第一PWM驱动器的输出端连接第一单相桥式电路的受控端；第一AC/DC模块的输出端连接第一单相桥式电路的电源输入端；第一单相桥式电路的输出端作为射频放大器的输出端。
第一单相桥式电路包括晶体管P1、晶体管P2、晶体管P3和晶体管P4；晶体管P1的漏极连接第一AC/DC模块的正极和晶体管P2的漏极；晶体管P1的源极连接晶体管P3的漏极；晶体管P1的栅极连接第一PWM驱动器的第一输出端口；晶体管P3的栅极连接第一PWM驱动器的第二输出端口；晶体管P3的源极连接第一AC/DC模块的负极和晶体管P4的源极；晶体管P4的栅极连接第一PWM驱动器的第四输出端口；晶体管P4的漏极连接晶体管P2的源极；晶体管P2的栅极连接第一PWM的第三输出端口；晶体管P1的源极和晶体管P2的源极分别为第一单相桥式电路的两个输出端口。
调制射频放大器包括第二PWM驱动器、第二AC/DC模块和第二单相桥式电路；第二PWM驱动器的输入端作为调制射频放大器的第一输入端；第二AC/DC模块的输入端作为第二输入端；第二PWM驱动器的输出端连接第二单相桥式电路的受控端；第二AC/DC模块的输出端连接第二单相桥式电路的电源输入端；第二单相桥式电路的输出端作为调制射频放大器的输出端。
第二单相桥式电路包括晶体管P5、晶体管P6、晶体管P7和晶体管P8；晶体管P6的漏极连接第二AC/DC模块的正极和晶体管P5的漏极；晶体管P6的源极连接晶体管P8的漏极；晶体管P5的源极连接警惕管P7的漏极；晶体管P7的源极连接晶体管P8的源极和第二AC/DC模块的负极；晶体管P5的栅极连接第二PWM驱动器的第一输出端口；晶体管P6的栅极连接第二PWM驱动器的第三输出端口；晶体管P7的栅极连接第二PWM驱动器的第二输出端口；晶体管P8的栅极连接第二PWM驱动器的第四输出端口；晶体管P5的源极和晶体管P6的源极分别为第二单相桥式电路的两个输出端口。
射频耦合模块包括变压器L1和变压器L2；变压器L1原边的一端连接晶体管P1的源极和晶体管P3的漏极；变压器L1原边的另一端连接晶体管P2的源极和晶体管P4的漏极；变压器L1副边的一端连接变压器L2副边的一端；变压器L1副边的另一端连接双射频电极的第一输入端；变压器L2副边的另一端连接双射频电极的第二输入端；变压器L2的原边的一端连接晶体管P5的源极和晶体管P7的漏极；变压器L2的原边的另一端连接晶体管P6的源极和晶体管P8的漏极。
信息采集模块包括温度采集子模块和信号采集子模块；信号采集子模块通过双射频电极和射频耦合模块相连接；
温度采集子模块，用于采集双射频电极的刀头的温度并传输至控制模块，进而控制电极刀头的温度；
信号采集子模块，用于采集双射频电极、射频放大器、射频耦合模块和调制射频放大器的实时信号，对各个模块的工作状态进行监控，并将信息传输给控制模块。
如图3所示，图3为双射频电极的结构示意图。
如图4所示，图4为射频放大器输出波形。
如图5所示，图5为调制射频放大器输出波形。
如图6所示，图6为射频耦合模块输出波形。
在本发明的一个实施例中，射频放大模块中经过AC/DC将交流输入整流为直流电压DC1作为第一单相桥式电路的输入，通过控制模块产生第一PWM驱动波形，经过第一PWM驱动器，驱动第一单相桥式电路将DC1逆变为AC1；调制射频放大模块中经过AC/DC将交流输入整流为直流电压DC2作为第二单相桥式电路的输入，通过控制模块产生第二PWM驱动波形，经过第二PWM驱动器，驱动第二单相桥式电路将DC2逆变为AC2；射频耦合模块通过变压器将AC1和AC2隔离变压，通过耦合连接输出为最终输出HF-AC；电极通过接入HF-AC作用于人体组织，实现切割消融的目的。控制模块通过温度采集模块，采集电极刀头温度，通过内部算法处理，通过泵驱动模块驱动冷却灌注泵，实时调节泵流量，冷却灌注泵与电极灌注输入管相连；控制模块通过信号采集模块采集内部各模块的实时信号，对各个模块工作状态进行监控，并作出相应PWM的调节；控制模块通过通信总线与HMI人机交互模块实时通信，将控制参数变化实时显示在HMI人机交互模块上；输入电源为市电。
本发明通过输出能量的耦合，一方面解决了等离子的神经刺激，另一方面提高了等离子激发效率；利用集成灌注冷却闭环系统，实现刀头温度可控，提高了等离子密度的同时，降低了热损伤及刀头堵塞的风险。

Claims (6)

1.一种等离子射频手术系统，其特征在于，包括HMI人机交互模块、控制模块、射频放大器、调制射频放大器、射频耦合模块、双射频电极、信息采集模块、冷却灌注泵和脚踏开关；
HMI人机交互模块连接脚踏开关和控制模块的第一输入端；控制模块的第一输出端连接冷却灌注泵；控制模块的第二输出端连接射频放大器的第一输入端；控制模块的第三输出端连接调制射频放大器的第一输入端；射频放大器的输出端连接射频耦合模块；调制射频放大器的输出端连接射频耦合模块；射频耦合模块的输出端连接双射频电极；射频放大器的第二输入端和调制射频放大器的第二输入端连接输入电源；冷却灌注泵和双射频电极相连接；信息采集模块连接控制模块的第二输入端和双射频电极；
所述HMI人机交互模块，用于对控制模块进行指令输入，将控制参数变化实时显示在交互界面上；
所述控制模块，用于驱动冷却灌注泵，实时调节泵流量，控制刀头冷却水流速，对刀头进行相应程度的温度控制；用于通过信号采集模块采集双射频电极、射频放大器、射频耦合模块和调制射频放大器的实时信号，对双射频电极、射频放大器、射频耦合模块和调制射频放大器的工作状态进行监控，并作出相应PWM的调节；
所述射频放大器，用于将输入电源的交流信号AC转换为频率100-200kHz，有效电压小于360V的方波交流信号AC1；
所述调制射频放大器，用于将输入电源的交流信号AC转换为频率200kHz～5MHz，有效电压小于360V的方波或正弦交流信号AC2；
所述射频耦合模块，用于将AC1与AC2叠加输出耦合的高频信号；
所述双射频电极，用于通过射频耦合模块输出的耦合的高频信号产生等离子体；
所述信息采集模块，用于采集双射频电极的温度信息和采集双射频电极、射频放大器、射频耦合模块和调制射频放大器的实时信号；信息采集模块包括温度采集子模块和信号采集子模块；信号采集子模块通过双射频电极和射频耦合模块相连接；
温度采集子模块，用于采集双射频电极的刀头的温度并传输至控制模块；
信号采集子模块，用于采集双射频电极、射频放大器、射频耦合模块和调制射频放大器的实时信号，对各个模块的工作状态进行监控，并将信息传输给控制模块。
2.根据权利要求1所述的一种等离子射频手术系统，其特征在于，射频放大器包括第一PWM驱动器、第一AC/DC模块和第一单相桥式电路；第一PWM驱动器的输入端作为射频放大器的第一输入端；第一AC/DC模块的输入端作为第二输入端；第一PWM驱动器的输出端连接第一单相桥式电路的受控端；第一AC/DC模块的输出端连接第一单相桥式电路的电源输入端；第一单相桥式电路的输出端作为射频放大器的输出端。
3.根据权利要求2所述的一种等离子射频手术系统，其特征在于，第一单相桥式电路包括晶体管P1、晶体管P2、晶体管P3和晶体管P4；晶体管P1的漏极连接第一AC/DC模块的正极和晶体管P2的漏极；晶体管P1的源极连接晶体管P3的漏极；晶体管P1的栅极连接第一PWM驱动器的第一输出端口；晶体管P3的栅极连接第一PWM驱动器的第二输出端口；晶体管P3的源极连接第一AC/DC模块的负极和晶体管P4的源极；晶体管P4的栅极连接第一PWM驱动器的第四输出端口；晶体管P4的漏极连接晶体管P2的源极；晶体管P2的栅极连接第一PWM的第三输出端口；晶体管P1的源极和晶体管P2的源极分别为第一单相桥式电路的两个输出端口。
4.根据权利要求3所述的一种等离子射频手术系统，其特征在于，调制射频放大器包括第二PWM驱动器、第二AC/DC模块和第二单相桥式电路；第二PWM驱动器的输入端作为调制射频放大器的第一输入端；第二AC/DC模块的输入端作为第二输入端；第二PWM驱动器的输出端连接第二单相桥式电路的受控端；第二AC/DC模块的输出端连接第二单相桥式电路的电源输入端；第二单相桥式电路的输出端作为调制射频放大器的输出端。
5.根据权利要求4所述的一种等离子射频手术系统，其特征在于，第二单相桥式电路包括晶体管P5、晶体管P6、晶体管P7和晶体管P8；晶体管P6的漏极连接第二AC/DC模块的正极和晶体管P5的漏极；晶体管P6的源极连接晶体管P8的漏极；晶体管P5的源极连接晶体管P7的漏极；晶体管P7的源极连接晶体管P8的源极和第二AC/DC模块的负极；晶体管P5的栅极连接第二PWM驱动器的第一输出端口；晶体管P6的栅极连接第二PWM驱动器的第三输出端口；晶体管P7的栅极连接第二PWM驱动器的第二输出端口；晶体管P8的栅极连接第二PWM驱动器的第四输出端口；晶体管P5的源极和晶体管P6的源极分别为第二单相桥式电路的两个输出端口。
6.根据权利要求5所述的一种等离子射频手术系统，其特征在于，射频耦合模块包括变压器L1和变压器L2；变压器L1原边的一端连接晶体管P1的源极和晶体管P3的漏极；变压器L1原边的另一端连接晶体管P2的源极和晶体管P4的漏极；变压器L1副边的一端连接变压器L2副边的一端；变压器L1副边的另一端连接双射频电极的第一输入端；变压器L2副边的另一端连接双射频电极的第二输入端；变压器L2的原边的一端连接晶体管P5的源极和晶体管P7的漏极；变压器L2的原边的另一端连接晶体管P6的源极和晶体管P8的漏极。
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