CN104739506B - 一种基于微波功率检测保护微波消融针的微波消融治疗仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微波功率检测保护微波消融针的微波消融治疗仪，包括由微波消融针1、微波消融仪6、耦合器2、正向检波处理模块3、反向检波处理模块4、信号处理模块5组成。微波消融仪6输出的微波功率经主馈线23输送到微波消融针1；微波消融仪6输出的微波功率经正向耦合器21耦合部分输出功率，经过正向检波处理模块3检波处理，获得微波输出功率值；微波消融针1的反射功率由反向耦合器22耦合部分反射功率，经过反向检波处理模块4检波处理，获得微波反射功率值；信号处理模块5根据监测微波输出功率值和微波反射功率值，计算出注入消融组织的能量，调整或者切断微波消融治疗仪1的输出功率。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有微波消融针保护装置的微波消融治疗仪，尤其涉及一种基于微波输出功率、反射功率检测保护微波消融针的微波消融治疗仪。
背景技术
微波热消融是一种对实体肿瘤的微创靶向治疗，消融治疗过程中对组织创伤小、不出血，使肿瘤原位临床整体灭活，术后康复快，可为患者减少手术的痛苦及经济负担。但现有的微波消融仪和消融针在临床使用时普遍存在如下问题：
1、水循环堵塞后，随着工作时间的增加，消融针头部分的温度会迅速升高。当针头和针杆连接处温度超过250℃以上时(PTFE耐温为250℃)，连接处的匹配材料PTFE就受热受形，造成针头和针杆连接处驻波增大，微波能量形成反射波消耗在驻波点。随着工作时间的增加，驻波点温度快速升高，增加了针头断落在被消融肿瘤组织内的风险。
2、消融针针头和针杆连接处的匹配材料PTFE(聚四氟乙烯)材料质地偏软，当消融针插入组织时如遇到一定阻力或针头受到非平行方向的应力太大时，容易造成针头弯曲。针头弯曲后，此处的阻抗改变，驻波变大。如果继续治疗，随着工作时间的增加，温度会迅速升高。消融针内同轴电缆的介质材料也为PTFE，如果针头处温度超过250℃后，会烧坏介质材料。最后导致针头和针杆击穿短路，烧断针头。
3、现有的微波消融仪功率输出基本上都是开环电路，无法量化获知进入消融肿瘤组织的有效功率和反射功率，如在微波消融仪器控制系统设置功率检测装置或外挂一个输出功率的监测调控装置，实时检测仪器微波输出功率和微波消融针反射功率，并可实时根据所侧数据对输出功率进行调整、在避免断针风险的同时，获取被消融肿瘤组织中的微波辐射能量，为临床的消融范围提供科学的量化依据。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种微波消融仪功率检测调控装置，实时检测仪器微波输出功率和微波消融针反射功率，根据被消融肿瘤的条件实时调整输出功率，达到对肿瘤临床整体灭活的治疗效果。本发明在微波消融针输出功率异常，反射功率增大时根据反射功率递增值进行判断，如跳跃递增立刻报警切断微波功率输出，避免针头脱落在被消融的肿瘤组织中。
本发明采用如下技术方案：
本发明的消融功率变化检测控制部分如图1所示，由耦合器2、正向检波处理模块3、反向检波处理模块4、信号处理模块5构成。
其中微波消融针1为本申请人的公开号为CN101711705，专利号为200910234273.1，发明名称为《微波消融针及其微波消融治疗仪》中的微波消融针。微波消融仪6为本申请人的公开号为CN101283926，专利号为200810024956.X，发明名称为《微波功率源及其微波消融治疗仪》中的微波消融仪。
本发明包括由微波消融针1、微波消融仪6、耦合器2、正向检波处理模块3、反向检波处理模块4、信号处理模块5组成。
耦合器2中包含有正向耦合器21、反向耦合器22和定向耦合器23；
微波消融仪6输出的微波功率经耦合器2的定向耦合器23，即主馈线输送到微波消融针1；
微波消融仪6输出的微波功率经耦合器2的正向耦合器21耦合部分输出功率，经过正向检波处理模块3检波处理，ADC转换后，获得检波的数字信号，数字信号经信号处理模块5转换为微波输出功率值；
微波消融针1的反射功率由耦合器2的反向耦合器22耦合部分反射功率，经过反向检波处理模块4检波处理，ADC转换后，获得检波的数字信号，数字信号由信号处理模块5转换为微波反射功率值；
信号处理模块5根据实时监测微波输出功率值和微波消融针的反射功率值，，实时计算出实际通过微波消融针1注入消融组织的能量，调整或者切断微波消融仪6的输出功率。
消融过程中，信号处理模块5根据实时监测微波输出功率值和微波消融针1的反射功率值，以此作为功率输出调整的依据。并实时计算出实际注入消融组织的能量。如在治疗中出现反射功率异常情况，可立即切断输出功率，并给用户提示，避免消融针针头熔断在人体的情况。
消融功率变化检测控制装置可以独立于微波消融治疗仪来使用，也可以内嵌到微波消融治疗仪使用。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、术前，信号处理模块5根据监测微波输出功率值和微波消融针1的反射功率值，计算出消融针的驻波比，判断微波消融针1和耦合器2之间各部分连接是否完好。使仪器的控制系统在安全条件下运行。
2、消融过程中，动态检测、显示微波消融针1的输出功率和反射功率，依此推算出消融针随时间变化过程中实际进入人体的净功率大小，为临床消融肿瘤提供精确的定量化的信息，为实现微波消融过程中热能量的自动控制，达到对肿瘤的适形精准治疗提供了参考依据。
3、根据建立的不同工作状态下微波消融针1反射系数变化规律的模型，判断实时微波消融针输出功率状况，一旦出现数值异常(如断针现象的发生)切断功率和告警保护，防止断针现象的发生，提高临床使用的安全性。
附图说明
图1是本发明的原理框图。
图2是本发明耦合器原理图。
图3是本发明正向检测处理模块原理框图。
图3-1是本发明ATT1和ATT2原理框图。
图3-2是本发明BPF原理框图。
图3-3是本发明信号调理原理框图。
图4是本发明信号处理模块5原理框图。
图5是50W输出功率，消融针驻波/时间变化曲线图。
图6是60W输出功率，消融针驻波/时间变化曲线表图。
图7是70W输出功率，消融针驻波/时间变化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
耦合器2，如图2所示。由正向耦合器21、反向耦合器22、定向耦合器23即主馈线组成。微波消融仪6输出的微波信号，由Pi输入，经主馈线、从Po输出，传送到微波消融针1。耦合器2的正耦合器21、反向耦合器22采用微带线构成，耦合方式为平行耦合。为提高测量精度，减少正、反向耦合，输出功率和反射功率之间的相互影响，耦合度设为大于10dB，正、反向耦合方向性优于30dB。隔离端用于耦合器2在测试中测量定向性，可直接连接标准负载。耦合器2也可采用同轴线、矩形波导、圆波导、带状线构成，耦合方式也可采用小孔耦合、分支耦合或者双T。
耦合器2的正、反向耦合信号分别进入正、反向检波处理模块3和4。正向检波处理模块3由ATT1 31、BPF 32、ATT2 33、检波器34、信号调理35、ADC 36组成，如图3所示。耦合器2的正向耦合信号经ATT1 31衰减后，由BPF 32进行选频滤波，BPF 32选定当前消融频率内的信号，滤除频带外的杂波。BPF 32把选频滤波后选定的信号再由ATT2 33衰减和链路阻抗匹配，然后进入检波器34，检波器34把微波信号转换为直流电压信号，检波后的电压信号经信号调理35滤波、放大处理后，ADC 36把直流电压信号转换为数字信号，由信号处理模块5进行数字信号处理。反向检测处理模块4组成和工作原理同正向检测处理模块3。
正、反向耦合输出信号首先进入ATT1 31，如图3-1所示。ATT1 31把耦合输出的微波信号调节到合适的电平幅度。ATT1 31可以由电控衰减器和偏置电路组成，如图3-1A所示。偏置电路给电控衰减器提供偏置电压。电控衰减器根据耦合输出信号调节电控衰减器内部的PIN管衰减网络，达到对电平幅度的调整；ATT1 31也可以是固定值的∏形衰减网路(如图3-1B)或T形衰减网路(如图3-1C)；也可以是数字衰减器(如型号PE4306，HMC306MS10)或RF VGA(如型号ADL5240，HMC993LP5E)等。
ATT1 31的输出信号进入BPF32，如图3-2所示，BPF32为带通滤波器，使当前微波消融特定频带内的信号可以通过，滤除其它无用的信号。BPF32选用无源滤波器，如图3-2左图所示。可采用LC滤波器，如图3-2右图为其等效电路。也可以使用微带滤波器、陶瓷滤波器(如型号：3SMT6-915-T10-C、3SMT-6-2450-T10-C)和声表面滤波器(如型号：TA0495A、TA0223A)等。
ATT2 33把BPF32输出信号电平幅度调整到适合检波器34处理幅度范围内，ATT233组成和工作原理同ATT1 31。
检波器34的作用是将ATT33输出的微波信号转换成一定幅度电压，检波器可以是检波二极管，也可以是集成射频检波器，集成检波器有ADL5906，AD8313,HMC1020LP4E,LMH2121等。
信号调理35把检波器34转换后的电压信号滤波、放大处理后，输出到ADC36进行数模转换，如图3-3所示，信号调理35由运放A、R1～R3、C1～C2组成，信号调理35对信号进行比例放大，并且起到检波器34和ADC36之间的隔离和阻抗匹配的作用。其中R1、C1、C2为滤波电路，R2、R3配置信号的放大比例系数信号调理35也可使用射随进行隔离和阻抗匹配。
ADC 36为模拟-数字信号转换器，把信号调理35的模拟信号转换为数字信号。ADC36可以根据信号处理控制器42类型，选用内置的ADC。也可选用外置独立的ADC芯片，例如AD7724，AD7610，ADS8323等。
正向检波处理模块3和反向检波处理模块4转换后的数字信号由信号处理模块5进行数字信号分析处理，如图4所示。信号处理模块5由通信模块41、信号处理控制器42、显示模块43、声光提示44组成。
信号处理控制器42可根据检波器特性，将检波电压的ADC数字信号进行数据分析处理和功率值标定。标定后得出输出功率值和反射功率值。信号处理控制器42可以使用MCU(微控制器),也可以使用DSP(数字信号处理器)。
信号处理控制器42根据输出功率值和反射功率值，计算出微波消融针1注入消融组织中的能量为临床消融范围和消融时间、功率的参数调整提供参考依据。可通过以下两种方法计算：
方法一：
任一时刻内微波辐射到消融组织的净功率PA为：
PA＝PO×10(IL/10)–PR，单位为W
PO输出功率值：定向耦合器输出端口的功率值，通过正向耦合、检波处理后获取，单位为W；
PR反射功率值：即微波消融针或传输链路反射到定向耦合器输出端口的值，通过反向耦合、检波处理后获取，单位为W；
链路损耗(插损)为IL：定向耦合器输出端口到微波消融辐射针头传输链路的损耗，单位为dB；
获得单位时间内进入消融组织的净功率PA后，即可计算出该时刻内的微波注入组织中的能量Q：
Q＝PA×T1,单位为J
T1：表示单位时间值，单位为S。
在消融过程中，注入组织的总能量为：
单位为J
T：表示作用的时间，单位为S。
方法二：
根据实时测得反射功率PR，通过调整输出功率PO,使输出净功率PA为恒定值。
设PA为常量，反射功率PR和输出功率PO的对应关系如下
PO＝(PA+PR)/10(IL/10)
即可计算出消融过程中，微波注入组织中的能量Q
Q＝PA×T,单位为J
T：表示作用的时间。
信号处理控制器42驱动显示模块43显示上述的所有参数，显示模块43可以是LED数码管显示，也可以是LED点阵显示或LCD显示。
在消融过程中，正常微波消融针的反射功率的变化是一个缓变的过程。随着消融时间的增加，组织含水量减少，消融针辐射针道周围逐渐炭化，消融针的反射会逐渐成线性增加。当到达一定时间后，针道周围的组织特性呈现稳定的状态，故反射功率也基本恒定。根据上述特性，可创建各种规格消融针在不同组织中的“时间-驻波比”模型。以11mm的消融针，微波消融仪分别输出50W，60W，70W为例，图5是50W输出功率的消融针驻波/时间变化曲线图，图6是60W输出功率的消融针驻波/时间变化曲线图，图7是70W输出功率的消融针驻波/时间变化曲线图。
在消融过程中，若反射功率存在异常情况，信号处理控制器42可根据反射值和持续时间，确认是否为断针反射。如是断针反射，则立即通过通信模块41向微波消融仪6发送切断微波输出命令。也可直接通过控制信号，切断微波消融仪6微波输出。显示模块43显示相应的状态信息，并通过声光提示44，向使用者告知。声光提示44中的声音提示可以是蜂鸣器，也可以是语言提示。声光提示44中的光提示媒介是LED。
在消融手术前，微波消融针1连接到耦合器2后，信号处理控制器42可自动或手动启动输出功率值和反射功率值测试，测得输出功率值和反射功率值后，通过以下公式，计算出消融针的驻波比。
首先，计算反射系数ρ：
PO：为定向耦合器输出端口的功率值，单位为W；
PR：为微波消融针及传输链路反射到定向耦合器输出端口的功率值，单位为W；
根据反射系数ρ，计算驻波比SWR：
信号处理控制器42根据驻波比大小，可判断微波消融针1和各连接部位是否连接正常。并通过显示模块43显示驻波值和状态信息，若存在异常，可通过声光提示44，向使用者告知。
信号处理控制器42将上述所有数据可通过通信模块41传送给微波消融仪1,通信模块41可以是UART、I2C、SPI、CAN总线，也可以是USB、LAN或并行口通信接口。
Claims (2)
1.一种基于微波功率检测保护微波消融针的微波消融治疗仪，由微波消融针(1)、微波消融仪(6)、耦合器(2)、正向检波处理模块(3)、反向检波处理模块(4)、信号处理模块(5)组成，其特征在于:
耦合器(2)中包含有正向耦合器(21)、反向耦合器(22)和定向耦合器(23)；
微波消融仪(6)输出的微波功率经耦合器(2)的定向耦合器(23)，即主馈线输送到微波消融针(1)；
微波消融仪(6)输出的微波功率经耦合器(2)的正向耦合器(21)耦合部分输出功率，经过正向检波处理模块(3)检波处理，ADC转换后，获得检波的数字信号，数字信号经信号处理模块(5)转换为微波输出功率值；
微波消融针(1)的反射功率由耦合器(2)的反向耦合器(22)耦合部分反射功率，经过反向检波处理模块(4)检波处理，ADC转换后，获得检波的数字信号，数字信号由信号处理模块(5)转换为微波反射功率值；
信号处理模块(5)根据监测微波输出功率值和微波消融针的反射功率值，实时计算出实际通过微波消融针(1)注入消融组织的能量，调整或者切断微波消融仪(6)的输出功率。
2.根据权利要求1所述的一种基于微波功率检测保护微波消融针的微波消融治疗仪，其特征在于正向耦合器(21)和反向耦合器(22)的正、反向耦合，输出功率和反射功率之间的耦合度设为大于10dB；正、反向耦合方向性大于30dB。
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