CN106109009B - 一种使用433MHz频率的水冷微波消融针 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种使用433MHz频率的水冷微波消融针，包括消融穿刺头、绝缘介质套、针杆、半刚性同轴电缆、挡水短套、射频连接器、保护手柄、进水毛细管、进水管、出水管、L型变径软管接头和针体外部套管；绝缘介质套固定于消融穿刺头和针杆之间，挡水短套固定于针杆内，且其前端位于绝缘介质套与针杆的交界处，其末端与出水管的前端固定；出水管呈L型，用L型变径软管接头无缝转接；贯穿于针杆内的同轴电缆的前端裸露部分为三缝隙结构。本发明相比于传统的2450MHz或915MHz频率的微波消融针，不仅可以有效扩大类葫芦形消融区域的体积(尤其体现在纵径上)，而且能缩短最大横径形成的时间，为研究新的频率段的适形微波消融方法提供了重要的参考。
Description
技术领域
本发明涉及一种使用433MHz频率的水冷微波消融针，属于微波消融针技术领域。
背景技术
随着医学科技的发展和对肿瘤发病原理的深入探究，人们已经能够通过外科手术、放射线和化学药物等手段“根治”部分肿瘤。特别是近10年以来，微创介入治疗开始活跃于肿瘤医学界，它包括射频消融(RFA)、微波消融(MWA)、冷冻治疗(Cryoablation)、高功率超声聚焦消融(HIFU)以及无水乙醇注射治疗(PEI)。其中，微波消融以其微创、安全和人性化的优点受到关注。微波消融就是将一根特制微波针经皮穿刺到肿瘤中心区域，微波针某一点上的“微型微波炉”释放微波磁场，组织内的极性分子在类球形微波场的作用下高速运动，互相摩擦产生热量，在肿瘤内迅速升温，从而使癌细胞蛋白质变性凝固。肿瘤组织在高温下瞬间被凝固灭活，导致不可逆的坏死，进而抑制肿瘤细胞的扩散达到治疗目的。正因其安全性高、创伤小并且对组织的作用范围大小可控的优点，微波消融技术越来越广泛地用于肝癌、肺癌、子宫肌瘤、胰腺癌和甲状腺肿瘤的治疗。
目前2450MHz、915MHz和433MHz都是医学上常用的微波频率，国内外临床上普遍使用2450MHz和915MHz频率的微波进行肿瘤消融，对其消融热场的理论及基础研究都较为深入。实践证明在同轴电缆传输微波功率达到80-100W，加热10～15分钟的条件下，可以使类球形肿瘤组织凝固范围直径达到4-5cm。但对于一些长纵径、大体积的恶性肿瘤，肿瘤的消融区域需尽可能地增大，毁损形态需尽可能地规则成型。事实上，通过强制增大微波功率和增加消融时间也可以扩大消融区域，但不可避免地会对穿刺路径中的血管、神经或正常组织造成严重伤害，甚至存在由于组织碳化粘连损伤和烧毁同轴电缆的危险性。所以针对直径大于5cm的原发性肿瘤，医学上都普遍采用多针、多次消融的方式，但无疑都使治疗过程变得更加繁琐，增加了手术操作的危险性。根据微波理论，微波频率越低，对人体的穿透能力越高，热效率越高，输出损耗越低，能量衰减也越低，在理论上提示低频率的433MHz微波热疗比传统频率的微波热疗有更大的优势。但是，目前将433MHz频率使用于水冷微波消融针的研究几乎没有。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种使用433MHz频率的水冷微波消融针，利用433MHz频率的微波进行肿瘤消融，为临床上实现长纵径的类葫芦形恶性大肿瘤的适形消融提供了技术支持。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种使用433MHz频率的水冷微波消融针，包括：消融穿刺头、绝缘介质套、针杆、半刚性同轴电缆、挡水短套、射频连接器、保护手柄、进水毛细管、进水管、出水管，所述保护手柄包括主体和尾部，且主体与尾部成90°夹角；绝缘介质套固定于消融穿刺头和针杆之间，挡水短套固定于针杆内，且挡水短套的前端位于绝缘介质套与针杆的交界处，挡水短套的末端与出水管的前端固定；出水管呈L型，L型与挡水短套固定的一边位于针杆内，L型另一边位于保护手柄的尾部；针杆位于保护手柄的主体内，且针杆的前端从主体前端伸出；半刚性同轴电缆贯穿绝缘介质套、挡水短套和针杆后，一端与消融穿刺头的末端固定连接，另一端从针杆末端伸出后与射频连接器连接；半刚性同轴电缆从里到外分为：中心铜线、塑料绝缘体和金属外导体，半刚性同轴电缆在绝缘介质套内的长度为7.8cm，且从消融穿刺头的末端开始，每隔1cm将金属外导体层剥去1.5cm、1.5cm、1.8cm，形成多缝隙结构；进水毛细管呈L型，位于保护手柄主体中的一边在出水管内壁和同轴电缆之间，另一边从出水管穿出与进水管相连。
作为本发明的一种优选方案，所述水冷微波消融针还包括针体外部套管，所述针体外部套管的前端封口，并套在从保护手柄前端露出来的针体上，将从消融穿刺头开始到接触到保护手柄结束的针体包裹在内。
作为本发明的一种优选方案，所述绝缘介质套与针杆固定的一端的外缘设有凹槽，针杆的对应部位通过外部施力按压入凹槽内，实现固定连接。
作为本发明的一种优选方案，所述挡水短套与针杆内壁之间、挡水短套的末端与出水管的前端之间、消融穿刺头的末端与绝缘介质套之间，均利用耐高温粘接剂填充。
作为本发明的一种优选方案，所述耐高温粘接剂为聚酰亚胺或者单组份环氧树脂。
作为本发明的一种优选方案，所述绝缘介质套使用的材料为PTFE或者电子陶瓷类绝缘材料。
作为本发明的一种优选方案，所述针杆使用的材料为不锈钢或者钛合金材料。
作为本发明的一种优选方案，所述消融穿刺头前端为圆锥体，末端为圆柱体。
作为本发明的一种优选方案，所述出水管位于保护手柄主体末端的部位利用变径软管接头转接为L型。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明一种使用433MHz频率的水冷微波消融针，内部设置了一个简单的循环水冷装置，相比于传统的2450MHz或915MHz频率的微波消融针，在不增大消融针的承载微波功率的前提下，不仅可以有效扩大消融体积(尤其体现在纵径上)，而且能缩短消融区域最大横径形成的时间，为研究新的频率段的适形微波消融方法提供了重要的参考。
2、本发明一种使用433MHz频率的水冷微波消融针，结构巧妙和新颖，方便医生操作，非常适用于长纵径的类葫芦形恶性肿瘤的适形介入消融治疗，且已经实现了初步的有效性验证。
附图说明
图1是本发明使用433MHz频率的水冷微波消融针的纵剖面结构示意图。
图2是本发明使用433MHz频率的水冷微波消融针保护手柄前端露出部分的结构放大示意图。
图3是本发明使用433MHz频率的水冷微波消融针内部微波同轴天线的几何模型结构图。
图4是本发明使用433MHz频率的水冷微波消融针的立体结构示意图。
其中，1为消融穿刺头，1.1为圆锥体，1.2为圆柱体，2为绝缘介质套，3为针杆，4为半刚性同轴电缆，4.1为中心铜线，4.2为塑料绝缘体，4.3为金属外导体，5为挡水短套，6为进水毛细管，7为射频连接器，8为保护手柄，8.1为保护手柄的主体，8.2为保护手柄的尾部，9为进水管，10为出水管，11为针体外部套管，12为L型变径软管接头。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
经文献查阅表明：与915MHz和2450MHz微波相比较，433MHz微波在组织中有着更好的穿透力，在组织中穿透深度约为23cm，高于915MHz和2450MHz微波的穿透深度(3.18cm和1.7cm)。通过这些资料数据，我们有理由相信：433MHz微波能有效地扩大消融范围，达到更好的肿瘤治疗效果。
如图1和图4所示，本发明使用433MHz频率的水冷微波消融针，包括：消融穿刺头1、绝缘介质套2、针杆3、射频连接器7、保护手柄8、进水管9、出水管10、针体外部套管11。绝缘介质套2位于消融穿刺头1和针杆3之间，可以是PTFE或电子陶瓷类绝缘材料，用于阻抗匹配和电气绝缘。消融针针杆3末端连接保护手柄主体8.1的末端，表面上涂有一层防粘层材料。保护手柄的主体8.1和尾部8.2成90°夹角，方便手持微波消融针进行手术治疗。冷却循环水从进水管9注入，并沿着针杆3经过保护手柄8进入到针体工作部位，再通过出水管10流出。针体外部套管11具有透明、不易破损的特点，在存储时用于保护水冷微波消融针针头及前端部分，避免其受潮、受热和摩擦受损。
对比915MHz和2450MHz微波，利用433MHz微波的高穿透深度、高热效率、低输出损耗、低能量衰减和低温度收敛性，考虑微波在组织中的相对介电常数εr并根据天线长度与频率的关系，微波同轴天线的几何模型如图3所示。同轴电缆4是由内外相互绝缘的同轴心导体构成，其由里到外分为：中心铜线4.1，塑料绝缘体4.2，金属外导体4.3，是天线设计的重要组成部分。创新使用了433MHz微波频率后，水冷微波消融针的结构有其特殊的一面。根据天线长度与波长的阻抗匹配关系，同轴电缆4前端长度为7.8cm，呈圆环形的多缝隙结构。同轴缝隙天线的外导体和内导体只在天线的顶端焊接，内部仍然充满绝缘介质。外导体切断的金属环作为三个缝隙，长度不等，分别为1.5cm、1.5cm和1.8cm，使天线产生理想微波辐射场，减少后向加热现象，实现在增大消融横径的基础上减小纵径。相比于单缝隙结构，多缝隙结构能得到更低的驻波比和更高的回波损耗，使SAR区域更大、更均匀。缝隙间距都为1cm，与介质中的有效波长匹配，实现肝肿瘤的最优消融治疗。缝隙露出部分的最外层是塑料绝缘体4.2，最前端的金属内导体4.1比塑料绝缘体4.2多露出1mm左右，便于与消融穿刺头1的焊接固定。
如图1所示的本实施例中，保护手柄8内有针杆3，针杆3内有半刚性同轴电缆4、挡水短套5和出水管10。进水毛细管6在出水管10内壁和同轴电缆4之间，出水管转接处使用L型变径软管接头12。半刚性同轴电缆4的前端贯穿绝缘介质2，根据焊接工艺接在穿刺头1末端，沿着针杆3延伸入保护手柄8，并从手柄主体8.1的末端伸出后与射频连接器7连接。保护手柄的主体8.1和尾部8.2成90°夹角，也就是微波消融针所接的水管线与消融针管方向成夹角90°，这样设计的手柄既减小了应力影响又方便医护人员稳定操作。工作时，由不锈钢进水毛细管6注入的循环冷却水溅出后，沿着出水管10冷却部分微波同轴电缆4，当针杆3内的出水管10中充满水时，冷却水沿着出水管道从末端流出。特别的，出水管10末端用L型变径软管接头12转接，且通过同轴电缆4的部分必须采用耐高温粘接剂填充空隙，防止在水冷循环过程中出现漏水现象。
在图2中，消融穿刺头1包括两部分，前端成圆锥体1.1，末端成圆柱体1.2，通过利用圆锥的宽带特性，展宽了天线的阻抗带宽，适合于不同形态肿瘤组织的穿刺。绝缘介质套2位于消融穿刺头1和针杆3之间，末端的外缘设有凹槽，针杆3通过外部施力按压在凹槽内实现固定连接。433MHz频率的选用使绝缘介质套2长度较长，在保持天线必须的刚度下，且要不影响缝隙处微波能量的辐射。半刚性同轴电缆4的内导体与穿刺头1末端焊接固定，针杆3套在挡水短套5上，出水管10套在挡水短套5末端固定，不锈钢进水毛细管6在出水管10内壁和同轴电缆4之间。其中挡水短套5与针杆3内壁间、挡水短套5与出水管10间、绝缘介质套2与穿刺头1末端间都用耐高温粘接剂填充空隙。制作的天线前端设计成多缝结构，是根据天线长度与波长的阻抗匹配关系，由直径为1.18mm的同轴电缆组成。相比于单缝结构，此三缝隙结构的天线能有效扩大消融区域的长短径，形成更大和更佳的高温消融区。
半刚性同轴电缆、进水毛细管和出水管贯穿针杆，出水管和毛细管延伸进入手柄内，并从手柄尾部成90°伸出，使水管自然下垂，从而减少对消融针的应力影响。进水毛细管末端与进水管相接通作为进水通道，出水管作为出水通道，从而形成一个简单的循环水冷装置。绝缘介质套位于消融穿刺头和针杆之间，针杆末端延伸入保护手柄的主体，针杆套在挡水短套上。半刚性同轴电缆的前端贯穿绝缘介质并与穿刺头末端连接，半刚性同轴电缆的末端延伸入保护手柄，并从手柄主体的末端伸出后与射频连接器连接，所处方向方便433MHz微波源的连接和传播。
绝缘介质套可以是PTFE或电子陶瓷类绝缘材料，针杆选用不锈钢或钛合金材料，挡水短套则选用兼有防漏水和导热性的铜质。绝缘介质套的长度要和天线前端的裸露长度匹配，且其外圆设有凹槽，针杆通过外部施力按压在凹槽内实现与绝缘介质套的固定连接，并与挡水短套无缝粘连。出水管套在挡水短套末端，挡水短套与同轴电缆外导体焊接固定，挡水短套与出水管、针杆内壁之间用耐高温粘接剂填充空隙，消融穿刺头末端与绝缘介质套之间用耐高温粘接剂填充空隙。所用耐高温粘接剂可选用以聚酰亚胺或单组份环氧树脂胶粘剂，要确保各结构部件间的连接强度和防漏水性。
本发明专利实施例的一种使用433MHz频率的水冷微波消融针，可根据不同大小的肿瘤组织，结合消融功率和消融时间进行适形消融手术。它适用于中、低微波功率的小实体肿瘤，也适用于较高微波功率的大实体肿瘤，特别适用于长纵径的类葫芦形肿瘤，具有较高的价值和现实意义。本发明实施例已经完成了初步的有效性验证实验，在功率为50w-90w，时间为10min，0℃水冷的条件下能产生类葫芦形的消融区域，且消融体积较大、形态规则，基本符合本发明的预期效果。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (9)
1.一种使用433MHz频率的水冷微波消融针，包括：消融穿刺头、绝缘介质套、针杆、半刚性同轴电缆、挡水短套、射频连接器、保护手柄、进水毛细管、进水管、出水管，其特征在于，所述保护手柄包括主体和尾部，且主体与尾部成90°夹角；绝缘介质套固定于消融穿刺头和针杆之间，挡水短套固定于针杆内，且挡水短套的前端位于绝缘介质套与针杆的交界处，挡水短套的末端与出水管的前端固定；出水管呈L型，L型与挡水短套固定的一边位于针杆内，L型另一边位于保护手柄的尾部；针杆位于保护手柄的主体内，且针杆的前端从主体前端伸出；半刚性同轴电缆贯穿绝缘介质套、挡水短套和针杆后，一端与消融穿刺头的末端固定连接，另一端从针杆末端伸出后与射频连接器连接；半刚性同轴电缆从里到外分为：中心铜线、塑料绝缘体和金属外导体，半刚性同轴电缆在绝缘介质套内的长度为7.8cm，且从消融穿刺头的末端开始，每隔1cm将金属外导体层剥去1.5cm、1.5cm、1.8cm，形成多缝隙结构；进水毛细管呈L型，位于保护手柄主体中的一边在出水管内壁和同轴电缆之间，另一边从出水管穿出与进水管相连。
2.根据权利要求1所述使用433MHz频率的水冷微波消融针，其特征在于，所述水冷微波消融针还包括针体外部套管，所述针体外部套管的前端封口，并套在从保护手柄前端露出来的针体上，将从消融穿刺头开始到接触到保护手柄结束的针体包裹在内。
3.根据权利要求1或2所述使用433MHz频率的水冷微波消融针，其特征在于，所述绝缘介质套与针杆固定的一端的外缘设有凹槽，针杆的对应部位通过外部施力按压入凹槽内，实现固定连接。
4.根据权利要求1或2所述使用433MHz频率的水冷微波消融针，其特征在于，所述挡水短套与针杆内壁之间、挡水短套的末端与出水管的前端之间、消融穿刺头的末端与绝缘介质套之间，均利用耐高温粘接剂填充。
5.根据权利要求4所述使用433MHz频率的水冷微波消融针，其特征在于，所述耐高温粘接剂为聚酰亚胺或者单组份环氧树脂。
6.根据权利要求1或2所述使用433MHz频率的水冷微波消融针，其特征在于，所述绝缘介质套使用的材料为PTFE或者电子陶瓷类绝缘材料。
7.根据权利要求1或2所述使用433MHz频率的水冷微波消融针，其特征在于，所述针杆使用的材料为不锈钢或者钛合金材料。
8.根据权利要求1或2所述使用433MHz频率的水冷微波消融针，其特征在于，所述消融穿刺头前端为圆锥体，末端为圆柱体。
9.根据权利要求1或2所述使用433MHz频率的水冷微波消融针，其特征在于，所述出水管位于保护手柄主体末端的部位利用变径软管接头转接为L型。
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