CN113598931A - 一种能量可控的电外科手术电极 - Google Patents

一种能量可控的电外科手术电极 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种能量可控的电外科手术电极，包括电极本体，所述电极本体的球形面设有若干凸点，所述凸点用于放电凝血，相邻的凸点之间通过绝缘涂层相隔，若干所述凸点按一定规律分布，所述凸点的个数利用正六边形模型求解。相比传统电外科手术球形电极，上述在电极本体的球形面按一定规律排布的凸点，一方面，保障电极使用过程中较大的电流密度，提升凝血速率，且能使凝血过程中热损伤降低，凸点的人体组织周边的温度一致性，减小对人体的伤害；另一方面，凸点释放的能量能保障凝血过程中人体组织受到的热损伤保持一致性和能量的精准可控释放，且可保障使用者进行精准操作，避免相同人体组织位置多次凝血造成的二次损伤。

Description

一种能量可控的电外科手术电极
技术领域
本发明主要涉及医疗设备技术领域，具体地说，涉及一种能量可控的电外科手术电极。
背景技术
手术电极是医院外科手术过程中常见的一种微创手术器械，自从它被发明以来，因其具有伤疤易愈合、感染率低及大幅度降低手术时间等优点，现已逐渐取代传统手术刀片，在临床上的应用范围越来越广，已经成为医院手术室最重要的医学专用设备之一。
电外科用的手术电极包括刀片型、针状型、丝状型、球型。传统上，手术电极的刀头形状都是刀片型、针状型、丝状型结构，这些结构在特定的使用状态下是有优势的，例如刀片型的优势在于切割，针状型和丝状型的优势在于用在精细化的浅表手术。但是，在凝血、止血的环境下，刀片型、针状型和丝状型结构的手术电极的劣势暴露无遗。热损伤面积大、凝血面积小、组织粘结、凝血速率慢等不利现象的产生，使得这些形状的手术电极无法更好的应用于特定的凝血工作环境。这时，球型手术电极应运而生，代替这些传统刀头形状的手术电极。球型电极的外形像一个圆球，目前球型手术电极的优势在于凝血过程，它与组织接触的凝血组织面积增加，凝血速度加快，缺点也很明显，球型电极在凝血过程中，由于电流在球形电极中通过的电流密度较小，产生的焦耳热不足以完全凝血。当组织需要同样的焦耳热能量进行凝血的情况下，只能增大电压强度，才能保证能量的供应，但增加了电子的击穿能力，导致电流的不可控性增加。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种能量可控的电外科手术电极，可解决现有手术电极工作时凝血不足、电流不可控的缺陷。
本发明的一种能量可控的电外科手术电极，包括电极本体，所述电极本体的球形面设有若干凸点，所述凸点用于放电凝血，相邻的凸点之间通过绝缘涂层相隔，若干所述凸点按一定规律分布，所述凸点的个数利用正六边形模型求解，具体包含如下步骤：
S1、每个凸点释放的能量呈圆形，在电极本体的球形表面以辐射圆的形式释放，确定每个凸点释放的辐射圆能量半径r和电极本体的半球形面在二维平面的投影面积s；
S2、在投影面积为s的二维平面上平均划分多个正六边形，分为L层排布，设定正中心的正六边形称为第一层，以第一层正六边形边缘相接的正六边形叫做第二层，层数以此类推，则第L层的正六边形数量为6*2(L-2)个，电极本体的半球形面在二维平面的投影圆形内的总正六边形个数为6*(2(L-2)+2(L-1))，其中L、s和r之间的关系如下公式：
Figure BDA0003202618730000021
S3、凸点的个数K与总正六边形个数相同，则K＝6*(2(L-2)+2(L-1))。
进一步地，每个所述凸点的位置设计根据凸点的能量辐射范围来确定，所述凸点的位置排布通过如下过程求解：每一个正六边形为一个最小单位，以凸点为圆心，半径为r画正六边形的外切圆，圆心即为电极本体上凸点投影对应的位置。
进一步地，将正六边形面积平均分成6份，以最长半轴长度为半径r，以最长半轴的一端点为圆心画圆，根据电极本体的半球形面在二维平面的投影面积s，计算得到：
L＝1 s＝πr2
L＝2 s＝π(2r)2
L＝3 s＝π(r2+(4r)2-2*r*(4r)cos60°)
L＝4 s＝π(5r)2
L＝5 s＝π(r2+(7r)2-2*r*(7r)cos60°)
L＝6 s＝π(8r)2
L＝7 s＝π(r2+(10r)2-2*r*(10r)cos60°)
L＝8 s＝π(11r)2
L＝9 s＝π(r2+(13r)2-2*r*(13r)cos60°)
L＝10 s＝π(14r)2
……
Figure BDA0003202618730000031
进一步地，根据已知的电极本体的球形面直径、输出电压，加载时间、中心温度和最边缘温度，利用有限元模拟软件求解凸点的辐射圆形能量半径r。
进一步地，每个所述凸点释放的能量在球形表面的任意位置都是均匀相同。
进一步地，每个所述凸点释放的热量能随着输出电压的控制进行调控。
进一步地，所述绝缘涂层为硅弹性体涂料。
进一步地，所述电极本体包括杆件和球头，所述球头设置于杆件的一端部，所述凸点设置于球头的外表面上。
进一步地，所述杆件一端为大头，另一端为小头，所述球头设置于杆件的小头端。
进一步地，所述球头和/或杆件采用304不锈钢制成。
本发明的能量可控的电外科手术电极，包括电极本体，所述电极本体的球形面设有若干凸点，所述凸点用于放电凝血，相邻的凸点之间通过绝缘涂层相隔，若干所述凸点按一定规律分布，所述凸点的个数利用正六边形模型求解。相比传统电外科手术球形电极，上述在电极本体的球形面按一定规律排布的凸点，一方面，保障电极使用过程中较大的电流密度，提升凝血速率，且能使凝血过程中热损伤降低，凸点的人体组织周边的温度一致性，减小对人体的伤害；另一方面，凸点释放的能量能保障凝血过程中人体组织受到的热损伤保持一致性和能量的精准可控释放，且可保障使用者进行精准操作，避免相同人体组织位置多次凝血造成的二次损伤。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明一实施例的能量可控的电外科手术电极的结构简图；
图2是图1所示的俯视图；
图3是电极本体的半球形面在二维平面的圆形投影面积内六边形的分布示意图；
图4是电极本体的半球形面在二维平面的圆形投影面积内凸点辐射热量的分布示意图；
图5是本发明凸点能量范围和凸点投影示意图；
图6是本发明的凸点位置设计图；
图7是本发明若干凸点辐射示意图；
图8是有限元分析模拟普通球型电极100V加载1S后的温度图；
图9是有限元分析模拟本发明能量可控的电外科手术电极52V加载1S后的温度图。
附图标记说明：
球头-1 杆件-2
凸点-3
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
参见图1和图2，本发明一实施例的能量可控的电外科手术电极包括电极本体，该电极本体的球形面设有若干凸点3，该凸点3用于放电凝血，保障了能量可控的电外科手术电极中产生的能量能够可控、凝血过程中组织的热损伤小，相邻的凸点3之间通过绝缘涂层相隔，该绝缘涂层优选为硅弹性体涂料，若干所述凸点3按一定规律分布，优选其均衡分布与电极本体的球形面，使能量在输送过程中精准释放，保障覆盖区域的能量均匀，具体地，凸点3的个数利用正六边形模型求解，包含如下步骤：
S1、每个凸点3释放的能量呈圆形，在电极本体的球形表面以辐射圆的形式释放，确定每个凸点3释放的辐射圆能量半径r和电极本体的半球形面在二维平面的投影面积s；
需要说明的是，鉴于电极本体的球形面直径是已知的，则投影面积s十分容易确定；同时，由于电极本体的球形面直径、输出电压，加载时间、中心温度和最边缘温度已知，将上述已知参数数据输入有限元模拟软件，利用有限元模拟软件，即可求解凸点3的辐射圆形能量半径r。在一实施例中，电极本体的球形面直径为5mm，输出电压为52V，加载时间为1s，球形电极的中心温度为180℃，最边缘温度为160℃。
S2、在投影面积为s的二维平面上平均划分多个正六边形，分为L层排布，设定正中心的正六边形称为第一层，以第一层正六边形边缘相接的正六边形叫做第二层，层数以此类推，则第L层的正六边形数量为6*2(L-2)个，电极本体的半球形面在二维平面的投影圆形内的总正六边形个数为6*(2(L-2)+2(L-1))，其中L、s和r之间的关系如下公式：
Figure BDA0003202618730000051
S3、凸点3的个数K与总正六边形个数相同，则K＝6*(2(L-2)+2(L-1))。
通过上述设置，鉴于s和r已知，通过上述L、s和r之间的关系公式，即可求解出L，最后通过K＝6*(2(L-2)+2(L-1))，即可得出电极本体的球形面上设置的凸点3的个数。相比传统电外科手术球形电极，上述在电极本体的球形面按一定规律排布的凸点3，一方面，保障电极使用过程中较大的电流密度，提升凝血速率，且能使凝血过程中热损伤降低，凸点3的人体组织周边的温度一致性，减小对人体的伤害；另一方面，凸点3释放的能量能保障凝血过程中人体组织受到的热损伤保持一致性和能量的精准可控释放，且可保障使用者进行精准操作，避免相同人体组织位置多次凝血造成的二次损伤。
同时，参见图1和图2，本发明中电极本体包括杆件2和球头1，球头1设置于杆件2的一端部，凸点3设置于球头1的外表面上，具体地，杆件2的一端为大头，另一端为小头，球头1设置于杆件2的小头端，以便更好地对人体组织进行手术。上述球头1和/或杆件2优选采用304不锈钢制成，但不仅限于此。
在进一步的技术方案中，步骤S2具体表现为：在投影面积为s的二维平面上平均划分为n个正六边形，分为L层排布，设定正中心的正六边形称为第一层，以第一层正六边形边缘相接的正六边形叫做第二层，层数以此类推；取第一层的正六边形为例，它的边有6条，与它相接的六边形应该有6个，第二层的六边形个数为6，那电极本体的半球形面在二维平面的投影圆形内的六边形总数为7个；第二层每个六边形有三个边是对外，共18个边，三个边可再接2个正六边形，外层的个数是紧邻层的2倍，也就是第三层的正六边形为12个，加上第一层和第二层的个数，总数为19个；以此类推，则第L层的正六边形数量为6*2(L-2)个，电极本体的半球形面在二维平面的投影圆形内的总正六边形个数为6*(2(L-2)+2(L-1))，则L、n、K之间的关系详见表1。
表1 L、n、K之间的关系表
六边形层数L 外层六边形个数n 六边形总个数K
1 1 1
2 6 7
3 12 19
4 24 43
5 48 91
… … …
L 6*2<sup>(L-2)</sup> 6*(2<sup>(L-2)</sup>+2<sup>(L-1)</sup>)
因此，可知K＝6*(2(L-2)+2(L-1))。
本发明中，除需知晓凸点3的个数外，还需要知道上述所有凸点3如何分布。凸点3的位置设计需根据凸点3的能量辐射范围来确定，设计的目标要求所有凸点3释放的能量在电极本体的球形表面上形成一个类似防护罩的能量罩子。凸点3释放的能量呈圆形，在球形表面以辐射圆的形式释放，要求每个凸点3形成的圆面积总和大于或等于球表面积，且球面的凸点3数最少。因为球面是不可展曲面，当需要作球面展开图时，只可能采用近似展开法，用平面或可展曲面近似代替不可展曲面。在推导球面展开图的时候，这里采用足够数量的小平面的正六边形表面进行表示，具体见图3和图4。
具体地，凸点3的位置排布通过如下过程求解：每一个正六边形为一个最小单位，以凸点3为圆心，半径为r画正六边形的外切圆，圆心即为电极本体上凸点3投影对应的位置，参见图5和图6，将正六边形面积平均分成6份，以最长半轴长度为半径r，以最长半轴的一端点为圆心画圆，根据电极本体的半球形面在二维平面的投影面积s，计算得到：
L＝1 s＝πr2
L＝2 s＝π(2r)2
L＝3 s＝π(r2+(4r)2-2*r*(4r)cos60°)
L＝4 s＝π(5r)2
L＝5 s＝π(r2+(7r)2-2*r*(7r)cos60°)
L＝6 s＝π(8r)2
L＝7 s＝π(r2+(10r)2-2*r*(10r)cos60°)
L＝8 s＝π(11r)2
L＝9 s＝π(r2+(13r)2-2*r*(13r)cos60°)
L＝10 s＝π(14r)2
……
Figure BDA0003202618730000081
图7即为电极本体的球形面上凸点3的辐射示意图。
此外，值得提及的是，本发明中每个凸点3释放的能量在球形表面的任意位置都是均匀相同，且每个凸点3释放的热量能随着输出电压的控制进行调控，进一步提高热量的充分利用。
鉴于组织焦痂凝血时的临界温度为148.4℃，凝血较佳温度范围为140-180℃。为验证本发明的技术效果，下面举例予以说明：
设定本发明的能量可控的电外科手术电极和普通球型电极的已知球形电极直径为5mm，输出电压为100V，加载时间为1s，将两者在相同的加载时间作用下，球型电极的温度分布情况进行比较，借助有限元分析软件进行模拟普通球型电极表面温度为160-180℃，有限元分析模拟普通球型电极的温度分布图如图8所示。在保持同样输出温度范围、球形电极直径、加载时间的情况下，而新型球型电极的输出电压为52V，有限元分析模拟本发明的温度分布图如图9所示。对比图8和图9可知，本发明，在温度分布类似的情况下，本发明很大程度地减少了外部主机的输出电压，降低了电流的击穿能力，保障使用过程中较大的电流密度，提升凝血速率。
总之，相比现有技术，本发明具有如下优点：
1)本发明电极本体的球形面设有若干用于放电凝血的凸点3，相邻的凸点3之间通过绝缘涂层相隔，若干凸点3按一定规律分布，且凸点3释放的能量在球形表面的任意位置都是均匀相同，具有凝血速率快，热量可控、热损伤小的优点。
2)本发明中凸点3释放的热量能随着电压的控制进行调控，提高热量的充分利用，实现能量可控的电外科手术电极的能量可控。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种能量可控的电外科手术电极，其特征在于，包括电极本体，所述电极本体的球形面设有若干凸点，所述凸点用于放电凝血，相邻的凸点之间通过绝缘涂层相隔，若干所述凸点按一定规律分布，所述凸点的个数利用正六边形模型求解，具体包含如下步骤：
S1、每个凸点释放的能量呈圆形，在电极本体的球形表面以辐射圆的形式释放，确定每个凸点释放的辐射圆能量半径r和电极本体的半球形面在二维平面的投影面积s；
S2、在投影面积为s的二维平面上平均划分多个正六边形，分为L层排布，设定正中心的正六边形称为第一层，以第一层正六边形边缘相接的正六边形叫做第二层，层数以此类推，则第L层的正六边形数量为6*2(L-2)个，电极本体的半球形面在二维平面的投影圆形内的总正六边形个数为6*(2(L-2)+2(L-1))，其中L、s和r之间的关系如下公式：
Figure FDA0003202618720000011
S3、凸点的个数K与总正六边形个数相同，则K＝6*(2(L-2)+2(L-1))。
2.根据权利要求1所述的能量可控的电外科手术电极，其特征在于，每个所述凸点的位置设计根据凸点的能量辐射范围来确定，所述凸点的位置排布通过如下过程求解：每一个正六边形为一个最小单位，以凸点为圆心，半径为r画正六边形的外切圆，圆心即为电极本体上凸点投影对应的位置。
3.根据权利要求2所述的能量可控的电外科手术电极，其特征在于，所述步骤S2中L、s和r之间的关系通过如下过程得到：将正六边形面积平均分成6份，以最长半轴长度为半径r，以最长半轴的一端点为圆心画圆，根据电极本体的半球形面在二维平面的投影面积s，计算得到：
L＝1 s＝πr2
L＝2 s＝π(2r)2
L＝3 s＝π(r2+(4r)2-2*r*(4r)cos60°)
L＝4 s＝π(5r)2
L＝5 s＝π(r2+(7r)2-2*r*(7r)cos60°)
L＝6 s＝π(8r)2
L＝7 s＝π(r2+(10r)2-2*r*(10r)cos60°)
L＝8 s＝π(11r)2
L＝9 s＝π(r2+(13r)2-2*r*(13r)cos60°)
L＝10 s＝π(14r)2
……
Figure FDA0003202618720000021
4.根据权利要求3所述的能量可控的电外科手术电极，其特征在于，根据已知的电极本体的球形面直径、输出电压，加载时间、中心温度和最边缘温度，利用有限元模拟软件求解凸点的辐射圆形能量半径r。
5.根据权利要求4所述的能量可控的电外科手术电极，其特征在于，每个所述凸点释放的能量在球形表面的任意位置都是均匀相同。
6.根据权利要求4所述的能量可控的电外科手术电极，其特征在于，每个所述凸点释放的热量能随着输出电压的控制进行调控。
7.根据权利要求1所述的能量可控的电外科手术电极，其特征在于，所述绝缘涂层为硅弹性体涂料。
8.根据权利要求1所述的能量可控的电外科手术电极，其特征在于，所述电极本体包括杆件和球头，所述球头设置于杆件的一端部，所述凸点设置于球头的外表面上。
9.根据权利要求8所述的能量可控的电外科手术电极，其特征在于，所述杆件一端为大头，另一端为小头，所述球头设置于杆件的小头端。
10.根据权利要求8所述的能量可控的电外科手术电极，其特征在于，所述球头和/或杆件采用304不锈钢制成。
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