微创高频电刀少变量监测模型研究

A single variable is often used as the criterion in energy control of high frequency electrotomes for minimally invasive surgery. Although many factors on the surgical area should be considered, they cannot be distinguished in the above-mentioned control method. It could be able to achieve energy stable output, meanwhile be easy to misjudge. So surgeries are still largely depended on the ability of doctors. The improper control in the surgical site can easily resulted in injury of tissues. It is very difficult to extract the characteristics of the operation status from one variable, and yet there are few sufficient theoretical researches. The project proposes to use multiple variables as a comprehensive criterion to characterize the status of the operation combined with the electrical characteristics of the surgery site and the physical properties of human tissues, and establish a monitoring model with limited variables about high frequency electrotome in minimally invasive surgery in which the optimal factors are characteristic variables. The researches could provide theoretical guidance for the further realization of real-time multi-sensors data acquisition and integration for the high frequency electrotomes, and it has important scientific significance and practical value to intelligentization and miniaturization of surgical medical equipments.

用于微创手术的高频电刀基本上都是采用单一变量作为反馈判据进行能量控制，但采集判据指标时并未对手术区同时存在的多个影响因素加以区分，虽能实现能量的稳定输出，却容易误判，手术质量仍很大程度上依赖医生的操作技术水平，控制不当极易造成手术部位的烧伤甚至焦痂。从一个变量中提取多个反映手术状态的特征，难度很大，且尚未有充分的理论研究。本项目提出综合利用手术界面处的电特性和人体组织的物理特性，采用多个变量作为综合判据，对手术状态进行表征，并建立以最敏感要素和最易实现要素为特征量的微创高频电刀少变量监测模型。通过对相关理论的研究，为进一步在高频电刀上实现实时的多传感器数据采集和融合提供理论指导，对于手术医疗设备的智能化、小型化具有重要科学意义和实用价值。

高频电刀在手术过程中受到多种工况因素的影响，无法采用单一变量作为反馈判据进行能量控制，能量控制不当极易造成手术部位的烧伤甚至焦痂。本项目提出综合利用手术界面处的电特性和人体组织的物理特性，采用多个变量作为综合判据，对手术状态进行表征，建立起高频电刀全变量、定特性参数组织切割有限元模型。仿真结果表明，切割温度是切割过程中多个变量综合作用的结果，也是造成组织热损伤的最直接因素。在此基础上，将温度与组织含水量因素导致的组织物理特性参数的变化考虑在内，以造成热损伤的直接因素—温度为判据，构建出更完善的高频电刀少变量、变特性参数组织切割有限元模型。对上述两种仿真模型在相同的模型边界输入条件下进行实验验证，结果表明，与定特性参数组织切割模型相比，变特性参数组织切割模型仿真误差由7.9%减小为1.2%。最后，以能保证顺利切割为前提条件，温度控制为手段，最大化地降低切割功率为目标，分别研制了水冷电刀和热辅助电刀，并对这两种自研电刀系统对减少热损伤的工艺效果进行实验验证。实验结果表明，与普通电刀相比，在相同条件下采用水冷电刀和热辅助电刀均能明显减少组织损伤，提高切割效果。其中，在电刀输出功率60W时，采用水冷电刀与普通电刀相比，组织损伤减少23.2%；热辅助电刀在低于正常切割功率30%的情况下，能减少组织损伤约20%，同时减少切割过程中的烟雾量不少于40%。该研究为进一步在高频电刀上实现实时的多传感器数据采集和融合提供理论指导，对于手术医疗设备的智能化、小型化具有重要科学意义和实用价值。