CN115189590A - 一种等离子体手术刀驱动电源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种等离子体手术刀驱动电源，属于等离子体医疗技术领域，包括电子调压器、整流模块、逆变模块、升压模块、降压模块、控制模块、驱动模块、显示模块、检测模块。本发明通过DDS信号发生器提供驱动信号，最高工作频率可达4MHz，电极附近的等离子体薄层中的等离子体获取的能量更多，高能粒子的数目更多，撞击组织表面的频率更高，消融速率更大,同时在较高工作频率下，可在细胞极化时间内完成脉冲极性的交替，从而减少了细胞极化带来的电穿孔效应，同时减小了对组织细胞的热损伤和机械损伤，从而达到了细胞级别的手术精度，值得被推广使用。

Description

一种等离子体手术刀驱动电源
技术领域
本发明涉及等离子体医疗技术领域，具体涉及一种等离子体手术刀驱动电源。
背景技术
低温等离子体手术刀是用于人体组织切割、术后止血、微创手术治疗的新技术。传统射频手术刀通过热效应对人体组织进行消融、止血，但热损伤范围大，术后效果不佳。低温等离子体手术刀通过放电产生的高能粒子破坏蛋白质中的化学键，达到消融、切割、止血的目的，避免了由于热效应造成的额外热损伤。由于其创伤小、出血少、伤口愈合迅速，在未来的外科手术中有着广泛的应用前景。
现有的低温等离子体手术刀驱动电源工作频率较低，工作频率、输出电压、脉冲调制频率、脉冲宽度不可调，使得手术刀功能单一，适用范围小，消融效率低，手术精度不足，临床上使用较为不易。
申请号为202022396529.3、名称为《输出为方波的等离子体手术***》的中国发明专利公开了一种输出为方波的等离子体手术***，该***将传统射频等离子体手术刀输出的正弦波型改为了方波，提高了瞬间的输出能量，提高了切割效率，改善了黏刀、手术刀不锋利的问题。但其***只能提供四种特定的频率方波，适用范围小(100kHz-370kHz)，且工作频率不高，影响了消融切割软组织时的效率。
申请号为201821182495.4、名称为《一种等离子体手术***驱动电路》的中国实用新型专利公开了一种等离子体手术***驱动电路。该驱动电路将电压转换过程和功率输出过程分成两个独立过程，有效减少了电能消耗以及驱动电路发热量，但对***输出波形没有改进，没有解决传统射频手术刀适用范围小，热损伤范围大等问题。
为解决上述问题，提出一种等离子体手术刀驱动电源。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：如何使等离子体手术刀具有热损伤范围小、消融效率高、控制简易、安全可靠、使用范围广等优点，提供了一种等离子体手术刀驱动电源，本驱动电源通过单片机控制DDS信号发生器产生高频驱动信号，高频驱动信号通过驱动电路放大与隔离后控制全桥逆变器中四个碳化硅场效应管(SiC-MOSFET)的导通与关断；逆变器将直流电转换为高频交流电，再通过升压变压器输出高频高压交流电作为等离子体手术刀的驱动源，本驱动电源工作频率可调范围为(100kHz-4MHz)、输出电压可调范围为(0-800V)、脉冲调制频率可调范围为(10-500Hz)、脉冲宽度可调范围为(10-200μS)。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括电子调压器、整流模块、逆变模块、升压模块、降压模块、控制模块、驱动模块、显示模块、检测模块；所述电子调压器的输入端连接单相交流供电电源，输出端与整流模块的输入端相连，所述整流模块的输出端与逆变模块的输入端相连，逆变模块的输出经升压模块升压后连接手术刀头，检测模块的输入端与升压模块的输出端相接，检测模块的输出端与控制模块相接，逆变模块通过驱动模块与控制模块相连，显示模块与控制模块相接，降压模块的输入端连接单相交流供电电源，输出端与控制模块连接。
更进一步地，所述逆变模块为全桥逆变电路，包括第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂上设有第一SiC-MOSFET(碳化硅场效应管)和第二SiC-MOSFET，所述第二桥臂上设有第三SiC-MOSFET和第四SiC-MOSFET，每个SiC-MOSFET的两端均反向并联续流二极管。
更进一步地，所述控制模块包括单片机、DDS信号发生器、电位器、采样电路，所述采样电路的输入端与所述检测模块连接，输出端连接所述单片机，所述DDS信号发生器与所述单片机的IO口连接，所述电位器与所述单片机的AD口连接。
更进一步地，所述驱动模块将单路驱动信号分成4路驱动信号输出，分别连接第一～第四SiC-MOSFET。
更进一步地，所述驱动模块包括反相器、互补对称电路、驱动变压器，通过所述反相器将单路的驱动信号通过反相器产生另一路反相驱动信号，两路驱动信号分别连接至互补对称电路的输入端，所述互补对称电路的输出端与所述驱动变压器连接。
更进一步地，所述互补对称电路包括两组相同的推挽功率放大器，两个所述推挽功率放大器分别连接到驱动变压器初级线圈的两端驱动变压器次级线圈输出4组驱动信号分别与逆变电路上的各SiC-MOSFET的栅源级耦合，其中，两个同名端连接第一SiC-MOSFET与第四SiC-MOSFET，异名端连接第二SiC-MOSFET与第三SiC-MOSFET。
更进一步地，所述推挽功率放大器包括两个型号、参数相同且极性对称的NPN管和PNP管。
更进一步地，所述检测模块包括电压检测电路、电流检测电路；所述电压检测电路将高频输出电压经分压电阻、半波整流电路、滤波电路、降压电路后得到的电压信号，一路直接连接控制模块中单片机的AD口，实现输出电压的采样与显示，一路再通过比较电路产生过压保护信号连接控制模块中单片机的IO口；所述电流检测电路中电流检测电阻与所述电压检测电路的分压电阻共地，输出电流经运算放大电路放大后得到电流信号，一路直接连接控制模块中单片机的AD口，实现输出电流的采样与显示，一路再通过比较电路产生过流保护信号连接控制模块中单片机的IO口。
本发明相比现有技术具有以下优点：
(1)本发明采用DDS(Direct Digital Synthesis)信号发生器为逆变电路提供驱动信号，可以实现驱动信号工作频率100kHz-4MHz可调，相较于传统等离子体手术刀电源，本驱动电源最高工作频率为4MHz；在更高工作频率下，手术电极附近的等离子体薄层中的等离子体获取的能量更多，高能粒子的数目更多，撞击组织表面的频率更高，消融速率更大；同时较高的工作频率可在细胞极化时间内完成脉冲极性的交替，减少了细胞极化带来的电穿孔效应，也减小了对组织细胞的热损伤和机械损伤，从而达到了细胞级别的手术精度。
(2)本发明通过调节脉冲调制频率，调节组织受热温度，可有效避免局部组织积热过多造成组织额外热损伤。
(3)本发明通过调节脉冲宽度，调节消融切割模式下的凝固止血能力；实际手术中，有时希望进行切割消融的同时，凝固止血也能够同步进行，本发明可以根据具体手术的要求调节消融切割模式下的凝固止血能力，从而能安全高效稳定地进行手术。
(4)本发明采用电子调压器控制输出电压，输出电压0～800V可调，并且响应速度快，能够更快更稳定地在止血和消融模式下切换，以满足各种手术的需求。
(5)本发明具有电流检测装置，避免了电流突然增大对人体组织造成额外损伤，提高了电源的安全可靠性。
(6)本发明可以根据不同的手术要求调节各种电源参数，能够适用于各类手术刀头，可以根据不同手术要求的精度更换合适的刀头，提高了电源的使用范围。
附图说明
图1是本发明实施例一中等离子体手术刀驱动电源的***框图；
图2是本发明实施例一中等离子体手术刀驱动电源的结构示意图；
图3是本发明实施例二中等离子体手术刀驱动电源的控制逻辑流程示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例一
参照图1、图2，本发明采用的技术方案是：本发明提供一种等离子体手术刀驱动电源，包括电子调压器1、整流模块2、逆变模块3、升压模块4、降压模块5、控制模块6、驱动模块7、显示模块8、检测模块9；所述电子调压器1的输入端连接单相交流供电电源，输出端与整流模块2的输入端相连，所述整流模块2的输出端与逆变模块3的输入端相连，逆变模块3的输出经升压模块4升压后连接手术刀头，检测模块9的输入端与升压模块4的输出端相接，检测模块9的输出端与控制模块6相接，逆变模块3通过驱动模块7与控制模块6相连，显示模块8与控制模块6相接，实时显示本驱动电源的***参数，降压模块5的输入端连接单相交流供电电源，输出端与控制模块6连接，为控制模块6供电。
在本实施例中，电子调压器1对单相交流供电电源进行调压实现输出电压的调节，整流模块2将单相交流电压转换为直流电压，逆变模块3将直流电压转换为高频交流电压。
在本实施例中，逆变模块3为全桥逆变电路，包括第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂上设有第一SiC-MOSFET(碳化硅场效应管)和第二SiC-MOSFET，所述第二桥臂上设有第三SiC-MOSFET和第四SiC-MOSFET，每个SiC-MOSFET的两端均反向并联续流二极管。
在本实施例中，控制模块6包括STM32系列单片机、DDS信号发生器、采样电路、电位器等。控制模块6主要用于实现以下功能：1、驱动信号的产生；2、将检测模块9输出的电流、电压信号转换为数字信号并通过显示模块8进行显示；3、通过电位器实现工作频率、脉冲调制频率、脉冲脉宽调节。单片机IO口直接与DDS信号发生器连接，实现单片机对DDS信号发生器的控制，通过电位器调整的电压信号直接与单片机的AD口连接，单片机根据电压值大小设定驱动电源的参数。
其中，驱动信号由单片机控制DDS信号发生器产生。
在本实施例中，驱动模块7实现驱动信号的放大与隔离，将单路驱动信号分成4路驱动信号输出，分别连接4个SiC-MOSFET。
其中，驱动模块7中先将单路的驱动信号通过反相器产生另一路反相驱动信号，两路驱动信号分别作为互补对称电路的输入，互补对称电路包括两组完全相同的推挽功率放大器，分别连接到驱动变压器初级线圈的两端；所述推挽功率放大器包括两个型号参数等完全相同且极性对称的NPN管和PNP管。
其中，驱动变压器次级线圈输出4组驱动信号分别与逆变电路上的SiC-MOSFET的栅源级耦合，两个同名端为第一SiC-MOSFET与第四SiC-MOSFET，异名端为第二SiC-MOSFET与第三SiC-MOSFET。
在本实施例中，检测模块9包括电压检测电路、电流检测电路，其中，电压检测电路将高频输出电压经分压电阻、半波整流电路、滤波电路、降压电路后得到的电压信号，一路直接连接控制模块中单片机的AD口，实现输出电压的采样与显示；一路再通过比较电路产生过压保护信号连接控制模块6中单片机的IO口；电流检测电路中电流检测电阻与上述分压电阻共地，输出电流经运算放大电路放大后得到电流信号，一路直接连接控制模块中单片机的AD口，实现输出电流的采样与显示；一路再通过比较电路产生过流保护信号连接控制模块6中单片机的IO口。
实施例二
参照图3，在本实施例中，通过电子调压器1对单相交流供电电源进行调压，整流模块2将单相交流电压转换为直流电压，逆变模块3将直流电压转换为高频交流电压，经升压模块4升压为手术刀头供电；通过调节电位器控制输出频率、输出电压、脉冲调制频率、脉冲宽度，显示模块8实时显示输出的工作频率、输出电压、脉冲调制频率、脉冲宽度、输出电流。当检测模块9检测到电流超出安全值时，会启动保护装置，使电路关断，保证对人体组织的安全。
等离子体手术刀的形成原理为通过高频升压变压器输出的两个电极进行放电，在放电过程中电极附近产生的等离子体薄层中含有大量的高能粒子，当高能粒子撞击人体组织细胞表面后，破坏了人体组织细胞中的分子键，达到消融、切割的目的。
本驱动电源通过调节工作频率、输出电压、脉冲调制频率、脉冲宽度等参数改变消融范围、热温升率、热损伤范围，可适用于各类手术刀头，从而满足不同的手术或不同组织细胞的处理需求。
需要说明的是，等离子体手术刀具体的工作原理如下：1、通过调节工作频率，可以改变消融速率与消融范围。工作频率越高，等离子体能量越大、高能粒子数量越多，从而撞击组织表面的频率越高，消融速率越大；同时较高的工作频率使细胞的电穿孔效应减少，消融范围越小，手术精度越高。2、通过调节输出电压，可以切换等离子体手术刀***的工作模式。当电压较低时，电压未能达到等离子体的形成条件，***输出的能量主要以焦耳热的形式转递给组织细胞，使得组织细胞中的水分迅速蒸发，组织因加热而收缩，***处于凝固止血模式；电压较高时，放电电极附近生成等离子体薄层中含有大量的高能带电粒子，这些粒子撞击人体组织细胞，并破坏组织细胞中的化学键，***处于消融切割模式。3、通过调节脉冲调制频率，可以调节受热组织温度。当脉冲频率较低时，脉冲与脉冲之间有着足够的延迟时间使热量耗散，受热组织温度较低；当脉冲频率较高时，脉冲与脉冲之间的延迟时间不足，热量会在被加热区域积累，受热组织温度较高。4、通过调节脉冲宽度，可以调节消融切割模式下的凝固止血能力。当脉冲宽度较短时，在脉冲持续时间内，电流的流动时间更短，温度的上升更慢，组织容易形成凝块，凝固止血的能力增强，同时由于放电时间较短，等离子体薄层中的高能粒子撞击组织细胞表面的频率下降，消融切割效率下降；当脉冲宽度较长时，在脉冲持续时间内，电流的流动时间更长，温度的上升更快，组织不易形成凝块，凝固止血的能力减弱，同时由于放电时间充足，等离子体薄层中的高能粒子撞击组织细胞表面的频率增强，消融切割效率提升。5、通过更换不同形状的手术电极，可以调节手术对组织细胞的热损伤程度。人体组织中的电场分布与电极形状有关，电场对组织的渗透程度与电极的曲率半径成正比，因此可以根据不同手术需求更换合适的电极。
综上所述，上述实施例的等离子体手术刀驱动电源，通过DDS信号发生器提供驱动信号，最高工作频率可达4MHz，电极附近的等离子体薄层中的等离子体获取的能量更多，高能粒子的数目更多，撞击组织表面的频率更高，消融速率更大,同时在较高工作频率下，可在细胞极化时间内完成脉冲极性的交替，从而减少了细胞极化带来的电穿孔效应，同时减小了对组织细胞的热损伤和机械损伤，从而达到了细胞级别的手术精度，值得被推广使用。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种等离子体手术刀驱动电源，其特征在于，包括：电子调压器、整流模块、逆变模块、升压模块、降压模块、控制模块、驱动模块、显示模块、检测模块；所述电子调压器的输入端连接单相交流供电电源，输出端与整流模块的输入端相连，所述整流模块的输出端与逆变模块的输入端相连，逆变模块的输出经升压模块升压后连接手术刀头，检测模块的输入端与升压模块的输出端相接，检测模块的输出端与控制模块相接，逆变模块通过驱动模块与控制模块相连，显示模块与控制模块相接，降压模块的输入端连接单相交流供电电源，输出端与控制模块连接。
2.根据权利要求1所述的一种等离子体手术刀驱动电源，其特征在于：所述逆变模块为全桥逆变电路，包括第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂上设有第一SiC-MOSFET和第二SiC-MOSFET，所述第二桥臂上设有第三SiC-MOSFET和第四SiC-MOSFET，每个SiC-MOSFET的两端均反向并联续流二极管。
3.根据权利要求2所述的一种等离子体手术刀驱动电源，其特征在于：所述控制模块包括单片机、DDS信号发生器、电位器、采样电路，所述采样电路的输入端与所述检测模块连接，输出端连接所述单片机，所述DDS信号发生器与所述单片机的IO口连接，所述电位器与所述单片机的AD口连接。
4.根据权利要求3所述的一种等离子体手术刀驱动电源，其特征在于：所述驱动模块将单路驱动信号分成4路驱动信号输出，分别连接第一～第四SiC-MOSFET。
5.根据权利要求4所述的一种等离子体手术刀驱动电源，其特征在于：所述驱动模块包括反相器、互补对称电路、驱动变压器，通过所述反相器将单路的驱动信号通过反相器产生另一路反相驱动信号，两路驱动信号分别连接至互补对称电路的输入端，所述互补对称电路的输出端与所述驱动变压器连接。
6.根据权利要求5所述的一种等离子体手术刀驱动电源，其特征在于：所述互补对称电路包括两组相同的推挽功率放大器，两个所述推挽功率放大器分别连接到驱动变压器初级线圈的两端，驱动变压器次级线圈输出4组驱动信号分别与逆变电路上的各SiC-MOSFET的栅源级耦合，其中，两个同名端连接第一SiC-MOSFET与第四SiC-MOSFET，异名端连接第二SiC-MOSFET与第三SiC-MOSFET。
7.根据权利要求6所述的一种等离子体手术刀驱动电源，其特征在于：所述推挽功率放大器包括两个型号、参数相同且极性对称的NPN管和PNP管。
8.根据权利要求5或7所述的一种等离子体手术刀驱动电源，其特征在于：所述检测模块包括电压检测电路、电流检测电路；所述电压检测电路将高频输出电压经分压电阻、半波整流电路、滤波电路、降压电路后得到的电压信号，一路直接连接控制模块中单片机的AD口，实现输出电压的采样与显示，一路再通过比较电路产生过压保护信号连接控制模块中单片机的IO口；所述电流检测电路中电流检测电阻与所述电压检测电路的分压电阻共地，输出电流经运算放大电路放大后得到电流信号，一路直接连接控制模块中单片机的AD口，实现输出电流的采样与显示，一路再通过比较电路产生过流保护信号连接控制模块中单片机的IO口。
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