水冷式射频肿瘤消融治疗系统.pdf

本发明提供一种水冷式射频肿瘤消融治疗系统，采用射频容性加热方法，将人体中的靶组织置于消融电极和引导电极之间，射频功率放大采用串联谐振电路，冷循环针状消融电极的消融电极针后部镀有绝缘塗层，而前端裸露形成裸露尖端，射频能量从其四周向引导电极辐射，形成消融区。循环冷却水从进水管流至消融电极针，进行热交换后从出水管流回到循环水冷却子系统。智能化监控子系统中的下位机以单片机为核心，内嵌信号采集与转换、操作执行软件包，上位机的硬件平台是工控机，由智能化软件实现控制策略与算法，上下位机之间借通讯协议互相联系，采用保护性测温探针实时监测重要器官与靶组织相邻边界上的温度。

1、  一种水冷式射频肿瘤消融治疗系统，其特征在于：由循环水冷却子系统、可控射频功率源、下位机、上位机、智能化软件、人机对话外设、主机箱、冷循环针状消融电极(8)、保护性测温探针(12)和板状引导电极(13)组成，下位机、人机对话外设通过各自的连接电缆与上位机相连接，智能化软件安装在上位机的存储器内，下位机、上位机、智能化软件、人机对话外设共同组成智能化监控子系统，可控射频功率源分别与冷循环针状消融电极(8)、板状引导电极(13)相连，冷循环针状消融电极(8)直接插入至靶组织(10)，与紧贴在人体体表的板状引导电极(13)一起构成射频回路，可控射频功率源及循环水冷却子系统分别与下位机相连接，循环水冷却子系统的进、出水管与冷循环针状消融电极(8)相连通，冷循环针状消融电极(8)、保护性测温探针(12)通过各自的连接电缆向下位机提供检测到的温度信息。

2、  如权利要求1的水冷式射频肿瘤消融治疗系统，其特征在于所述可控射频功率源由低通滤波器，0-60V可控电源，12V电源，接通继电器，射频信号发生，耦合隔离变压器，谐振功率放大，前置放大，输出继电器和温度保护电路构成，谐振功率放大采用串联谐振电路，借其良好的选频特性，将方波转变成正弦波输出；谐振功率放大提供5～100W的输出功率，谐振功率放大由功率管MOSFET-IRFP350，耦合电容，谐振电感和谐振电容组成，来自下位机的脉冲宽度调制信号加至低通滤波器的输入端，其输出端则相应地输出0～5V的直流电压并加至0-60V可控电源的控制电压端，从而控制谐振功率放大的电源电压，达到功率控制。

3、  如权利要求1的水冷式射频肿瘤消融治疗系统，其特征在于：冷循环针状消融电极(8)由进水管(31)、出水管(32)、电缆插头(33)、连接电缆(34)、手柄(35)、绝缘塗层(36)、裸露尖端(37)和消融电极针(38)构成，消融电极针(38)的后部镀有绝缘塗层(36)，前端裸露形成裸露尖端(37)，射频能量从针尖四周向引导电极(13)辐射，形成消融区，连接电缆(34)通过电缆插头(33)与主机箱相连接，从可控射频功率源输入射频能量，输出温度检测信号到下位机，进、出水管连接至循环水冷却子系统，循环冷却水从进水管(31)流至消融电极针(38)，进行热交换后从出水管(32)流回到循环水冷却子系统。

4、  如权利要求1的水冷式射频肿瘤消融治疗系统，其特征在于所述智能化监控子系统由下位机、上位机、智能化软件、人机对话外设组成，下位机内嵌信号采集与转换、操作执行软件包，实时采集各种数据并发送给上位机，同时接收上位机的指令并执行相应的操作，上位机由智能化软件实现控制策略与算法，上位机、下位机两者之间借通讯协议互相联系。

水冷式射频肿瘤消融治疗系统
技术领域
本发明涉及一种水冷式射频肿瘤消融治疗系统，是一种应用射频消融技术并借水冷却技术来增大并控制消融范围的射频肿瘤消融治疗系统，应用于肿瘤治疗，属于生物医学工程技术领域。
背景技术
基于射频原位灭活技术的射频肿瘤消融治疗系统是一种新颖的肿瘤手术器械，因具有适应症广、创伤微小、疗效良好、快速安全、方便易行等特点而成为最具前景的肿瘤治疗手段之一，自二十世纪90年代末以来，一直是国内外的研究、开发热点之一。国内外现有的射频肿瘤消融治疗系统基本上可分为两大类型：冷循环型和“多弹头”型。冷循环型以美国RADIONICS^公司的“冷循环超能射频肿瘤治疗系统”为代表，其射频消融能量采用脉冲发送技术；冷循环电极表面采用特殊的纳米涂层、内部结构不予公开；因其系统复杂，选料特别而导致价格昂贵，特别是冷循环电极不能多次重复使用更让患者难以承受。“多弹头”型由美国Radio Therapeutics Corp公司率先推出，系统采用“多弹头”(多极针)消融电极，电极的尺寸较大，且需在体内张开，因而不但创伤较大，而且大大增加了损伤邻近重要组织的潜在性危险。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足及国内实际应用的需要，提供一种高性能价格比的水冷式射频肿瘤消融治疗系统，具有价格低廉，使用安全，疗效显著的特点，造福患者。
为实现这样的目的，本发明的技术方案中应用了射频消融技术、水冷却技术和智能化控制技术，采用射频容性加热方法，即将人体中的靶组织置于消融电极和引导电极之间。射频功率放大采用串联谐振电路，冷循环针状消融电极的消融电极针后部镀有绝缘塗层，而前端裸露形成裸露尖端，射频能量从其四周向引导电极辐射，形成消融区。循环冷却水从进水管流至消融电极针，进行热交换后从出水管流回到循环水冷却子系统。智能化监控子系统中的下位机以单片机为核心，内嵌信号采集与转换、操作执行软件包，上位机的硬件平台是工控机，由智能化软件——控制策略与算法软件包实现控制策略与算法，上位机与下位机两者之间借通讯协议互相联系。并采用保护性测温探针实时监测重要器官与靶组织相邻边界上的温度。
本发明设计的水冷式射频肿瘤消融治疗系统包括：循环水冷却子系统、可控射频功率源、下位机、上位机、智能化软件、人机对话外设、主机箱、冷循环针状消融电极、保护性测温探针和板状引导电极。下位机、人机对话外设通过各自的连接电缆与上位机相连接，智能化软件安装在上位机的存储器内，下位机、上位机、智能化软件、人机对话外设共同组成智能化监控子系统；可控射频功率源通过连接电缆分别与冷循环针状消融电极、板状引导电极相连接。冷循环针状消融电极直接插入至靶组织，与紧贴在人体体表的板状引导电极一起构成射频回路。可控射频功率源通过连接电缆与下位机相连接，一方面接受下位机的调控，另一方面向其提供自身的状态信息；可控射频功率源、下位机、上位机、智能化软件、人机对话外设全部安装在主机箱内；循环水冷却子系统作为一个独立的子系统安放在主机箱旁边，它通过连接电缆与下位机相连接，通过进、出水管与冷循环针状消融电极相连通；冷循环针状消融电极、保护性测温探针通过各自的连接电缆向下位机提供自身检测到的温度信息。
所述可控射频功率源由低通滤波器、0-60V可控电源、12V电源，接通继电器、射频信号发生、耦合隔离变压器、谐振功率放大、前置放大、输出继电器和温度保护等电路构成。谐振功率放大采用串联谐振电路，借其良好的选频特性，将方波转变成正弦波输出；谐振功率放大能高效地提供5～100W的输出功率，且输出信号失真小；谐振功率放大由功率管MOSFET-IRFP350，耦合电容，谐振电感和谐振电容组成；来自下位机的PWM信号加至低通滤波器的输入端，其输出端则相应地输出0～5V的直流电压并加至0-60V(可控)电源的控制电压端，从而控制了谐振功放的电源电压，进而达到了功率控制的目的。
所述冷循环针状消融电极由进水管、出水管、电缆插头、连接电缆、手柄、绝缘塗层、裸露尖端和消融电极针等部件构成。消融电极针的后部镀有绝缘塗层，而前端裸露形成裸露尖端，射频能量从其四周向引导电极辐射，形成消融区。连接电缆通过电缆插头与主机箱相连接，从可控射频功率源输入射频能量，输出温度检测信号到下位机；进、出水管连接至循环水冷却子系统，循环冷却水从进水管流至消融电极针，进行热交换后从出水管流回到循环水冷却子系统。
所述循环水冷却子系统由上盖、保温水箱、回水管及连接插座、出水管及连接插座、微型水泵、连接电缆、电缆插头、Y形管和温度传感器组成。回水管出水管分别与冷循环针状消融电极相连通。微型水泵设置在出水管回路中，从出水管引出的Y形管内放置温度传感器，微型水泵的控制信号线及温度传感器均通过连接电缆连接到下位机。
所述智能化监控子系统由下位机、上位机、智能化软件、人机对话外设组成。下位机是以PIC16F877单片机为核心的单片机系统，内嵌信号采集与转换、操作执行软件包，它实时地采集各种数据并发送给上位机，同时接收上位机的指令并执行相应的操作；上位机的硬件平台是工控机，操作系统为Windows98，由智能化软件——控制策略与算法软件包实现控制策略与算法，其编程语言为VB；上位机不断地接收来自下位机的各种数据，快速地进行处理、分析，根据既定的控制策略与算法向下位机发出相应的指令性数据和控制指令。也可以通过人机对话外设进行人工干预。上、下位机两者之间，借通讯协议互相联系，协同工作，达到智能化监控的目的。
所述保护性测温探针由连接电缆，电缆插头，手柄，针体，温度传感器构成，用于实时监测重要器官与靶组织相邻边界上的温度。
本发明具有价格低廉、使用安全方便、疗效显著的特点，射频功率放大采用串联谐振电路，效率高、失真小；采用的冷循环针状消融电极结构紧凑，体积小，能提高消融性能、增强安全性；采用下位机、上位机、智能化软件以及人机对话外设组成智能化监控子系统，保证系统的协调可靠工作。本发明适用于肝癌、肺癌、肾癌、前列腺癌等病症的临床治疗，有着广阔的应用前景和市场潜力。
附图说明
图1为本发明的系统组成结构示意图。
图1中，8为冷循环针状消融电极，9为人体组织，10为病灶(靶组织)，11为人体，12为保护性测温探针，13为板状引导电极。
图2为本发明的可控射频功率源组成示意图。
图3为本发明的冷循环针状消融电极结构示意图。
图3中，31为进水管，32为出水管，33为电缆插头，34为连接电缆，35为手柄，36为绝缘塗层，37为裸露尖端，38为消融电极针。
图4为本发明的循环水冷却子系统结构示意图。
图4中，41为上盖、42为保温水箱、43为回水管及连接插座、44为出水管及连接插座、45为微型水泵、46为连接电缆、47为电缆插头、48为Y形管、49为温度传感器。
图5为本发明的保护性测温探针结构示意图。
图5中，51为连接电缆，52为电缆插头，53为手柄，54为针体，55为温度传感器。
具体实施方式
为了更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图作进一步的详细描述。
本发明系统的组成结构如图1所示。它由循环水冷却子系统、可控射频功率源、下位机、上位机、智能化软件、人机对话外设、主机箱、冷循环针状消融电极8、保护性测温探针12和板状引导电极13组成。下位机、人机对话外设通过各自的连接电缆与上位机相连接，智能化软件安装在上位机的存储器内，下位机、上位机、智能化软件、人机对话外设共同组成智能化监控子系统；可控射频功率源通过连接电缆分别与冷循环针状消融电极8、板状引导电极13相连接，冷循环针状消融电极8直接插入至靶组织10，与紧贴在人体体表的板状引导电极13一起构成射频回路。可控射频功率源通过连接电缆与下位机相连接，一方面接受下位机的调控，另一方面向其提供自身的状态信息；可控射频功率源、下位机、上位机、智能化软件、人机对话外设全部安装在主机箱内；循环水冷却子系统作为一个独立的子系统安放在主机箱旁边，它通过连接电缆与下位机相连接，通过进、出水管与冷循环针状消融电极8相连通；冷循环针状消融电极8、保护性测温探针12通过各自的连接电缆向下位机提供自身检测到的温度信息。
所述可控射频功率源的结构如图2所示，由低通滤波器、0-60V可控电源、12V电源，接通继电器、射频信号发生、耦合隔离变压器、谐振功率放大、前置放大、输出继电器和温度保护等电路构成。谐振功率放大采用串联谐振电路，借其良好的选频特性，将方波转变成正弦波输出；谐振功率放大能高效地提供5～100W地输出功率，且输出信号失真小；谐振功率放大由功率管MOSFET-IRFP350，耦合电容，谐振电感和谐振电容组成；来自下位机的PWM(脉冲宽度调制)信号加至低通滤波器的输入端，其输出端则相应地输出0～5V的直流电压并加至0-60V(可控)电源的控制电压端，从而控制了谐振功率放大的电源电压，进而达到了功率控制的目的。
所述冷循环针状消融电极8的结构如图3所示，由进水管31、出水管32、电缆插头33、连接电缆34、手柄35、绝缘塗层36、裸露尖端37和消融电极针38等部件构成。消融电极针38的后部镀有绝缘塗层36，而前端裸露形成裸露尖端37，射频能量从针尖四周向引导电极13辐射，形成消融区。连接电缆34通过电缆插头33与主机箱相连接，从可控射频功率源输入射频能量，输出温度检测信号到下位机；进出水31、出水管32连接至循环水冷却子系统，3℃～25℃的循环冷却水从进水管31流至消融电极针38，进行热交换后从出水管32流回到循环水冷却子系统。
所述循环水冷却子系统的结构如图4所示，由上盖41、保温水箱42、回水管及连接插座43、出水管及连接插座44、微型水泵45、连接电缆46、电缆插头47、Y形管48和温度传感器49组成。回水管及连接插座43、出水管及连接插座44分别与冷循环针状消融电极8相连通。微型水泵45设置在出水管回路中，从出水管引出的Y形管48内放置温度传感器49，微型水泵45的控制信号线及温度传感器49均通过连接电缆46及电缆插头47连接到下位机。循环水冷却子系统向冷循环针状消融电极8提供3℃～25℃的循环冷却水，并使之充满其中，从而使电极四周的靶组织得到充分的冷却，避免靶组织因温度过高而气化结碳，并可实现射频能量积累，得到较大范围的消融区。
所述智能化监控子系统由下位机、上位机、智能化软件、人机对话外设组成，实时监测系统的运行状况并对其实施智能化调整，从而保证系统安全正常地工作，得到最佳的消融治疗效果。下位机是以PIC16F877单片机为核心的单片机系统，内嵌信号采集与转换、操作执行软件包，它实时地采集各种数据并发送给上位机，同时接收上位机的指令并执行相应的操作；上位机的硬件平台是工控机，由智能化软件——控制策略与算法软件包实现控制策略与算法；上位机不断地接收来自下位机的各种数据，快速地进行处理、分析，根据既定的控制策略与算法向下位机发出相应的指令性数据和控制指令。也可以通过人机对话外设进行人工干预。上、下位机两者之间，借通讯协议互相联系，协同工作，达到智能化监控的目的。
所述保护性测温探针由连接电缆51，电缆插头52，手柄53，针体54，温度传感器55构成。保护性测温探针用于实时监测重要器官与靶组织相邻边界上的温度，当温度达到限定值时，治疗自动结束并发出提示信号，从而保证重要器官组织，如神经等，不会在治疗过程中因意外而受到不可逆转的病理性损伤。