本發(fā)明屬于超聲手術(shù)刀，具體涉及一種基于血管組織模型的超聲手術(shù)刀能量控制方法。

背景技術(shù)：

1、超聲手術(shù)刀技術(shù)領(lǐng)域，近年來發(fā)展迅速，已經(jīng)成為現(xiàn)代外科手術(shù)中不可或缺的一部分。超聲手術(shù)刀利用高頻超聲波振動，通過空化效應(yīng)和熱效應(yīng)來切割和凝固組織。當(dāng)超聲波刀頭高頻振動時，會在組織中產(chǎn)生微氣泡，這些氣泡迅速膨脹和收縮，產(chǎn)生巨大的能量，從而切開組織。同時，超聲波振動也會產(chǎn)生熱量，使組織凝固，減少出血。

2、公開號為cn113491562b的發(fā)明專利，公開了一種動態(tài)調(diào)節(jié)超聲刀的輸出能量的方法和超聲波手術(shù)刀系統(tǒng)，其中的動態(tài)調(diào)節(jié)超聲刀的輸出能量的方法主要包括以下步驟：t1確定當(dāng)前的工作模式：系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定了多種工作模式，例如切割、凝血、高級凝閉等；t2接收啟動信號：當(dāng)操作者啟動超聲刀時，系統(tǒng)接收到啟動信號，并根據(jù)當(dāng)前的工作模式進(jìn)入相應(yīng)的能量輸出控制流程；t3根據(jù)預(yù)設(shè)的能量調(diào)節(jié)比例與工作時間的對應(yīng)關(guān)系，控制超聲刀隨時間變化輸出相應(yīng)的超聲波能量：系統(tǒng)預(yù)設(shè)了不同的能量調(diào)節(jié)比例，并將其與工作時間進(jìn)行關(guān)聯(lián)。在不同時間段，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的比例控制超聲刀輸出能量。

3、該方法主要依靠預(yù)設(shè)的能量調(diào)節(jié)比例與工作時間的對應(yīng)關(guān)系，實現(xiàn)對超聲刀能量輸出的動態(tài)控制。系統(tǒng)根據(jù)不同的工作模式和預(yù)設(shè)的能量調(diào)節(jié)比例，在不同時間段輸出不同的能量，避免了因操作者對生物組織和血管凝閉時間把握不準(zhǔn)確而導(dǎo)致的手術(shù)風(fēng)險。同時，在對直徑3毫米以上的大血管或大面積出血口進(jìn)行手術(shù)時，可以確保超聲刀具可以安全可靠地對血管和組織進(jìn)行凝閉，提高手術(shù)質(zhì)量，降低手術(shù)風(fēng)險。

4、然而，該方法能量調(diào)節(jié)比例是預(yù)先設(shè)定的，無法根據(jù)血管組織的實時狀態(tài)進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，且沒有建立血管組織模型，無法根據(jù)血管組織的具體參數(shù)進(jìn)行能量輸出控制，導(dǎo)致對不同直徑血管的適應(yīng)性較差。

5、因此，亟需設(shè)計一種新的控制超聲刀輸出能量的方法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于血管組織模型的超聲手術(shù)刀能量控制方法，以提高超聲手術(shù)刀系統(tǒng)對能量輸出的精準(zhǔn)性和對不同直徑血管的適應(yīng)性。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種基于血管組織模型的超聲手術(shù)刀能量控制方法，包括以下步驟：

3、s1、建立血管分層模型；通過對模型中的不同血管組織施加簡諧剪切應(yīng)力，仿真得到血管的阻抗z、粘性系數(shù)η和彈性系數(shù)e，建立血管組織參數(shù)查找表lutref；

4、s2、通過對不同直徑的血管組織進(jìn)行實際切割測試，得到血管組織在超聲刀的夾持力fclamp作用下的初始阻抗z0，最大空化阻抗zcav_max，最小空化阻抗zcav_min，粘性系數(shù)η0和彈性系數(shù)e0，對s1中的血管組織參數(shù)查找表lutref進(jìn)行修正，得到血管組織參數(shù)查找表lutreal；

5、s3、超聲刀系統(tǒng)輸出能量，驅(qū)動超聲刀頭進(jìn)行高頻振動，對血管施加簡諧剪切應(yīng)力σ，并根據(jù)實時反饋的電壓有效值urms和電流有效值irms計算血管的初始阻抗z0，最大空化阻抗zcav_max，最小空化阻抗zcav_min，參照s2中的血管組織參數(shù)查找表lutreal得到對應(yīng)的粘性系數(shù)η0和彈性系數(shù)e0，建立血管蠕變模型；

6、s4、根據(jù)s3建立的血管蠕變模型，計算在超聲刀頭簡諧力σ(t)作用下的血管的組織形變量γ與應(yīng)變相位角δ；

7、s5、根據(jù)s3中實時反饋的電壓有效值urms和電流有效值irms，計算實時阻抗z、粘性系數(shù)η和彈性系數(shù)e，建立分段函數(shù)，判斷血管組織所處的空化、熟化和離斷階段；

8、s6、擬合阻抗變換率和黏彈比變化率，計算實時損耗角δi，計算實時超聲刀系統(tǒng)實時輸出功率wtotal；

9、s7、通過實時調(diào)整超聲刀系統(tǒng)的實時輸出電壓ui，調(diào)節(jié)系統(tǒng)實時輸出功率wtotal。

10、進(jìn)一步地，s3步驟中，

11、剪切應(yīng)力公式為：σ(t)＝σ0sinωt；阻抗z的計算公式為z＝urms/irms；

12、其中：σ0為超聲刀頭應(yīng)力振幅；ω為超聲刀頭振動圓頻率，與超聲發(fā)生器輸出頻率一致，ω＝2πf。

13、進(jìn)一步地，s3步驟中，

14、血管蠕變模型等式為

15、其中：η0為組織黏度系數(shù)，是已測得的值；e0為組織彈性模量，是已測得的值；γ為組織形變量；σ為組織所受應(yīng)力。

16、進(jìn)一步地，s4步驟中，

17、組織形變量γ的計算公式為γ(t)＝γ0sin(ωt-δ)；應(yīng)變相位角δ的計算公式為

18、其中：γ0為血管應(yīng)變振幅；δ為應(yīng)變之后應(yīng)力的相位角，與超聲刀頭振動圓頻率ω相關(guān)，δ的取值范圍0＜δ＜π/2。

19、進(jìn)一步地，s5步驟中，

20、對粘性系數(shù)η和彈性系數(shù)e進(jìn)行歸一化處理后，得到的分段函數(shù)為

21、

22、其中：為不同直徑血管的實時阻抗變化率；為不同直徑血管的實時阻抗變化率的第一閾值，即空化結(jié)束時阻抗變化率閾值；為不同直徑血管的實時阻抗變化率的第二閾值，即熟化結(jié)束時阻抗變化率閾值；τ為不同直徑血管黏度系數(shù)與彈性系數(shù)的比，簡稱黏彈比，τ＝η/e；τth_up為黏彈比閾值上限；τth_down為黏彈比閾值下限；stage.1、stage.2、stage.3分別對應(yīng)血管組織所處的空化、熟化和離斷階段。

23、進(jìn)一步地，6步驟中，

24、根據(jù)阻抗變換率和黏彈比變化率進(jìn)行曲線擬合，得到和的映射關(guān)系為

25、其中：α為合曲線加權(quán)系數(shù)。

26、進(jìn)一步地，s6步驟中，

27、計算實時損耗角δi的公式為

28、其中：n為采樣數(shù)量；fi為實時工作頻率；τi為實時黏彈比。

29、進(jìn)一步地，s6步驟中，

30、通過和的映射關(guān)系得到實時從而計算實時損耗角δ，損耗角δ的計算公式為

31、其中：τ0＝η0/e0，由已測值η0和e0得出，存放于血管組織模型查找表lutreal中。

32、進(jìn)一步地，s6步驟中，

33、超聲系統(tǒng)實時輸出功率wtotal的計算公式為：wtotal＝wcut+wloss+δw、wtotal＝(1+cotδi)(πσ0+fclamp)γ0sinδi+δw、wcut＝wlosscotδi、wloss＝∮sσdγ＝(πσ0+fp)γ0sinδi；

34、其中：δi為實時損耗角；fclamp為夾持力的已測得值；δw為固定的傳遞損耗；wloss為損耗能量；wcut為切割能量。

35、進(jìn)一步地，s7步驟中，

36、調(diào)節(jié)輸出電壓的公式為ui＝wtotal/i；

37、其中：ui為實時電壓；i為不同超聲檔位的恒定電流。

38、本發(fā)明解決了背景技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明具備以下有益效果：

39、(1)本發(fā)明通過建立血管組織模型，并實時監(jiān)測血管組織的力學(xué)特性變化，計算實時能量損耗，精準(zhǔn)控制超聲刀能量輸出，有效降低熱損傷，提高血管爆破壓，保證手術(shù)安全性，有利于患者術(shù)后恢復(fù)。

40、(2)通過建立血管蠕變模型，計算應(yīng)力與應(yīng)變相位角，得到實時損耗角，再根據(jù)實時損耗角計算并調(diào)整系統(tǒng)輸出功率，精準(zhǔn)控制能量輸出，避免過大能量輸出導(dǎo)致的熱損傷。相較于現(xiàn)有方法采用固定輸出功率，無法根據(jù)血管組織的實時狀態(tài)調(diào)整能量輸出，容易造成熱損傷的情況，本發(fā)明通過實時監(jiān)測血管狀態(tài)，確保能量輸出精準(zhǔn)，避免血管閉合不完全。

41、(3)根據(jù)實時監(jiān)測的血管狀態(tài)，調(diào)整能量輸出，通過判斷血管組織所處的空化、熟化和離斷階段，實時調(diào)整能量輸出，確保大直徑血管充分熟化，同時避免小直徑血管過度熟化，提高了對不同直徑血管的適應(yīng)性，避免過度熟化或未完全熟化。相較于現(xiàn)有方法對不同直徑血管使用相同的方式，無法滿足不同血管的特性需求，造成熱損傷或爆破壓不足的情況，本發(fā)明提高了血管閉合效率，促進(jìn)了血管愈合，有利于術(shù)后恢復(fù)。

42、(4)本發(fā)明通過建立血管組織模型，并實時監(jiān)測血管組織的力學(xué)特性變化，精準(zhǔn)控制超聲刀能量輸出，有效降低熱損傷，提高血管爆破壓，保證手術(shù)安全性。這項技術(shù)能夠有效解決傳統(tǒng)超聲手術(shù)刀系統(tǒng)能量控制不精準(zhǔn)、對不同直徑血管適應(yīng)性差的問題。在外科手術(shù)中，能夠顯著降低血管切割過程中的熱損傷和術(shù)后出血風(fēng)險，提高手術(shù)效率，更有利于患者術(shù)后恢復(fù)，具有廣泛的應(yīng)用前景，為超聲手術(shù)刀技術(shù)的發(fā)展提供新的思路，并推動其在醫(yī)療領(lǐng)域更廣泛的應(yīng)用。