CN107320105A - 一种组合的核磁共振成像和电磁感应及射频治疗系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种组合的核磁共振成像和电磁感应及射频治疗系统。本发明的系统将治疗用射频电磁波发射线圈、成像用射频电磁波收发两用线圈、治疗用交变磁场线圈和梯度磁场线圈结合，包括成像模式和治疗模式两种模式；在治疗模式中，间隔地进行成像模式，实时监测治疗靶区温度及周边组织温度，并可实时监测治疗效果；从而解决了目前电磁感应及射频治疗缺点中的一些，并且在治疗模式中，选择电磁感应治疗或者射频治疗。
Description
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种组合的核磁共振成像和电磁感应及射频治疗系统。
背景技术
电磁感应治疗设备及射频治疗设备是公知的，但是却有一定的缺点。本发明至少解决这些缺点中的一些。
肿瘤热疗是用加热方式治疗肿瘤的一种方法，即利用热量在组织中沉积而产生热效应，使肿瘤区域温度上升到有效治疗温度，并维持一段时间，以杀死癌细胞，又尽量不损伤正常细胞的一种治疗方法。
热疗与化疗及放疗联合应用可显著提高疗效。高温可改变毛细血管的血流灌注，因而可改变化疗药物在组织中的分布，增加肿瘤区域化疗药物浓度；高温会破坏肿瘤细胞的稳定性，增加细胞膜的通透性，使化疗药物更容易进入肿瘤细胞，提高肿瘤细胞内的药物浓度；高温可导致肿瘤细胞膜的功能障碍，增加乏氧及无氧糖代谢，导致肿瘤细胞内酸性上升，酸性环境可增加化疗药物的活性，增强灭活癌细胞的效应。高温还可以使对化疗药物产生耐受的肿瘤细胞敏感性提高，阻止其耐受性产生。另外热疗可以通过加强凋亡相关基因的表达诱导肿瘤细胞凋亡。
常规热疗的温度是41℃～45℃，通常42℃～43℃，持续40～60分钟。
电磁感应治疗设备可产生高频率交变磁场，人体内植入的磁介质，如金属支架、热籽、纳米金属颗粒、磁流体等，在高频率交变磁场的作用下产生涡电流及磁滞损耗，这些因素都会使磁介质温度上升，导致周围肿瘤组织坏死或直接消融。
射频热疗设备可产生低于100MHz的电磁波，可激发人体组织内带电离子做高频运动，从而引起组织内分子剧烈碰撞产生热量，达到加热升温的目的。
热疗过程中测温十分重要。目前临床热疗采用的方法主要是有创测温，即在热疗过程中，将热电偶、热敏或光纤测温元件等通过穿刺进入肿瘤内，通过肿瘤中心单点、或肿瘤周围多点测温来得到温度。另外一种常用测温方法是通过体表温度来推测体内治疗靶区的温度，结果误差较大。
现有电磁感应治疗设备及射频治疗设备在治疗过程中无法实时准确无创监测体内治疗靶区的温度，如CN102688557B、CN104640601A和CN101912669A公开的中国专利。靶区温度过低不能达到治疗效果，温度过高会带来危险。
同时，现有电磁感应治疗设备及射频治疗设备在治疗过程中无法实时监测治疗效果。
发明内容
为了克服以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种组合的核磁共振成像和电磁感应及射频治疗系统。
本发明的组合的核磁共振成像和电磁感应及射频治疗系统包括：
患者床、治疗用射频电磁波发射线圈、成像用射频电磁波收发两用线圈、治疗用交变磁场线圈、第一和第二梯度磁场线圈、主磁体、屏蔽线圈、收发转换开关、核磁共振谱仪、射频功率放大器、梯度磁场功率放大器和计算机；其中，
中心轴位于患者床上方，人体放置在患者床上，位于中心轴上，患者床能够前后、上下及左右移动；
以中心轴为公共轴，从内至外依次为共轴的成像用射频电磁波收发两用线圈、治疗用交变磁场线圈、主磁体和屏蔽线圈；
在成像用射频电磁波收发两用线圈的内壁表面的中部安装有治疗用射频电磁波发射线圈；
治疗用射频电磁波发射线圈可拆卸；
治疗用射频电磁波发射线圈的数量为单个或多个成对安装，每一对治疗用射频电磁波发射线圈关于中心轴对称，并且连线垂直于中心轴；
第一和第二梯度磁场线圈与治疗用交变磁场线圈的半径相同且共轴，分别位于治疗用交变磁场线圈的两侧；
治疗用射频电磁波发射线圈连接至射频功率放大器，射频功率放大器连接至核磁共振谱仪，核磁共振谱仪连接至计算机；
成像用射频电磁波收发两用线圈连接至收发转换开关，收发转换开关控制成像用射频电磁波收发两用线圈处于发射状态或者接收状态，在发射状态下，成像用射频电磁波收发两用线圈通过收发转换开关连接至射频功率放大器，或者在接收状态下，成像用射频电磁波收发两用线圈通过收发转换开关连接至计算机；
第一和第二梯度磁场线圈分别连接至梯度磁场功率放大器，梯度磁场功率放大器连接至核磁共振谱仪，核磁共振谱仪连接至计算机；
治疗用交变磁场线圈连接至梯度磁场功率放大器；
屏蔽线圈屏蔽内部磁场，减少对外界的影响；
组合的核磁共振成像和电磁感应及射频治疗系统包括成像模式和治疗模式，在治疗模式中间隔地进行成像模式；治疗模式包括射频治疗和电磁感应治疗；
在射频治疗中，计算机控制射频功率放大器，激励治疗用射频电磁波发射线圈发射射频电磁波，为人体小范围射频加热治疗；
计算机通过射频功率放大器控制收发转接开关，收发转接开关控制成像用射频电磁波收发两用线圈处于发射状态，射频功率放大器激励成像用射频电磁波收发两用线圈发射连续的电磁波，为人体大范围加热；
在电磁感应治疗中，计算机通过梯度磁场功率放大器控制治疗用交变磁场线圈产生交变磁场；
计算机通过梯度磁场功率放大器，控制第一和第二梯度磁场线圈产生交变磁场，与治疗用交变磁场线圈所产生交变磁场的相位相同，增加靶区交变磁场的强度，或者产生与治疗用交变磁场线圈的磁场反相变化的磁场以减小对靶区外组织的影响；
在成像模式中，计算机通过梯度磁场功率放大器，控制第一和第二梯度磁场线圈产生梯度变化的磁场，从而选择成像激发的层面和控制磁共振信号的空间编码；
计算机控制射频功率放大器和收发转接开关，收发转接开关控制成像用射频电磁波收发两用线圈处于发射状态，射频功率放大器激励成像用射频电磁波收发两用线圈发射射频电磁波，激发人体内特定位置的氢原子核由低能级跃迁至高能级，高能级的氢原子核跃迁回低能级发出电磁波，或者，收发转接开关控制成像用射频电磁波收发两用线圈处于接收状态，成像用射频电磁波收发两用线圈接收从人体发出的电磁波并通过收发转换开关传输至计算机，计算机进行图像处理形成核磁共振影像，核磁共振影像中包括人体的形态信息、温度信息和功能信息，从而实时监测治疗靶区的温度及周边组织的温度，通过形态信息和功能信息实时监测治疗效果。
成像用射频电磁波收发两用线圈可发射并接收脉冲射频电磁波用以核磁共振温度成像、结构成像和功能成像，或者发射持续的电磁波用于大范围射频热疗；每次脉冲射频电磁波的持续时间为0.001～1秒；每次连续的电磁波的持续时间长于1秒。
成像用射频电磁波收发两用线圈、收发转接开关、治疗用交变磁场线圈、第一和第二梯度磁场线圈、主磁体以及屏蔽线圈，均为中空的共轴圆筒形。
第一梯度磁场线圈、第二梯度磁场线圈、治疗用交变磁场线圈、治疗用射频电磁波发射线圈及成像用射频电磁波收发两用线圈均装用温度传感器，温度传感器与计算机连接，监测系统各部件温度。
第一梯度磁场线圈和第二梯度磁场线圈中分别有三个子线圈，每一个子线圈都单独与梯度磁场功率放大器连接。
梯度磁场功率放大器激励第一和第二梯度磁场线圈产生任意方向的梯度变化磁场，或者产生水平轴方向变化的交变磁场；梯度磁场功率放大器激励治疗用交变磁场线圈产生水平轴方向的交变磁场。
人体内温度变化会引起体内水分子自旋-晶格弛豫时间、自旋-自旋弛豫时间、水分子扩散系数、质子共振频率等物理量的改变，这些信号由成像用射频电磁波收发两用线圈采集后送入计算机，分析形成核磁共振温度图像，核磁共振影像中包括人体的形态信息、温度信息和功能信息。
为了得到人体内金属附近的核磁共振信号，收发转换开关的转换时间需达到微秒量级，小于10微秒。
患者床能够在三个空间维度上移动，与核磁共振成像系统配合，从而可以将治疗靶区精确定位在照射中心。
每对治疗用射频电磁波发射线圈同时工作，或者只有单个工作。
本发明的组合的核磁共振成像和电磁感应及射频治疗系统的控制方法，组合的核磁共振成像和电磁感应及射频治疗系统包括成像模式和治疗模式，根据需要预先编制好脉冲序列，使用过程中由计算机运行预先编制好的脉冲序列，可以在治疗模式中间隔地进行成像模式：
A.治疗模式：
1)选择电磁感应治疗或射频治疗；
2)射频治疗：计算机控制射频电磁波功率源，激励一对或单个治疗用射频电磁波发射线圈发射射频电磁波，为人体小范围射频热疗；计算机控制收发转接开关，收发转接开关控制成像用射频电磁波收发两用线圈处于发射状态，射频电磁波功率源激励成像用射频电磁波收发两用线圈连续发射射频电磁波，为人体大范围加热；
3)电磁感应治疗：计算机通过梯度磁场功率放大器控制治疗用交变磁场线圈产生交变磁场；计算机通过梯度磁场功率放大器，控制第一和第二梯度磁场线圈产生交变磁场，与治疗用交变磁场线圈产生的交变磁场相位相同，增加治疗靶区交变磁场的强度，或者产生与治疗用交变磁场线圈的磁场反相变化的磁场以减小对靶区外组织的影响。
B.成像模式：
1)计算机通过梯度磁场功率放大器，控制第一和第二梯度磁场线圈产生梯度变化的磁场，选择性激发成像的层面和磁共振信号的空间编码；
2)计算机控制收发转接开关，收发转接开关控制成像用射频电磁波收发两用线圈处于发射状态，射频功率放大器激励成像用射频电磁波收发两用线圈发射射频电磁波，激发人体内特定位置的氢原子核进入高能级，高能级氢原子核跃迁至低能级发出电磁波；
3)收发转接开关控制成像用射频电磁波收发两用线圈处于接收状态，成像用射频电磁波收发两用线圈接收从人体发射的电磁波并通过收发转换开关传输至计算机；
4)梯度磁场功率放大器、梯度线圈、射频功率源、射频线圈和收发转换开关按照特定的脉冲序列协同工作，重复以上过程，采集足够信号送至计算机；
5)计算机进行图像处理形成核磁共振影像，核磁共振影像中包括人体的形态信息、温度信息和功能信息，从而通过温度信息实时监测治疗靶区温度及周边组织温度，通过形态信息和功能信息实时监测治疗效果。
本发明的优点：
本发明的系统将治疗用射频电磁波发射线圈、成像用射频电磁波收发两用线圈、治疗用交变磁场线圈和梯度磁场线圈结合，包括成像模式和治疗模式两种模式；在治疗模式中，间隔地进行成像模式，实时监测治疗靶区温度及周边组织温度，并可实时监测治疗效果；从而解决了目前电磁感应及射频治疗缺点中的一些，并且在治疗模式中，选择电磁感应治疗或者射频治疗。
附图说明
图1为本发明的组合的核磁共振成像和电磁感应及射频治疗系统的示意图。
图2为本发明的组合的核磁共振成像和电磁感应及射频治疗系统中的一个实施例的治疗用交变磁场线圈、第一和第二梯度磁场线圈的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，本实施例的组合的核磁共振成像和电磁感应及射频治疗系统包括：
计算机1、核磁共振谱仪2、屏蔽线圈3、主磁体4、第一和第二梯度磁场线圈5A和5B、治疗用交变磁场线圈6、一对治疗用射频电磁波发射线圈8A和8B、成像用射频电磁波收发两用线圈9、患者床10、梯度磁场功率放大器21、射频功率放大器22和收发转换开关23；
其中，患者床10的上方为中心轴19，人体放置在患者床10上，位于中心轴19上；以中心轴为公共轴，从内至外依次为共轴的成像用射频电磁波收发两用线圈、治疗用交变磁场线圈、主磁体和屏蔽线圈；
在成像用射频电磁波收发两用线圈的内侧中部安装有一个或成对的治疗用射频电磁波发射线圈，可拆卸，每一对治疗用射频电磁波发射线圈关于中心轴对称，并且连线垂直于中心轴；
第一和第二梯度磁场线圈与治疗用交变磁场线圈的半径相同且共轴，分别位于治疗用交变磁场线圈的两侧；
第一和第二梯度磁场线圈以及治疗用交变磁场线圈均用中空导线绕制而成，中空导线内有冷却水流过，三个线圈之间用绝缘管相连，三个线圈分别单独与梯度功率放大器相连；
治疗用射频电磁波发射线圈连接至射频功率放大器，射频功率放大器连接至核磁共振谱仪，核磁共振谱仪连接至计算机；
成像用射频电磁波收发两用线圈连接至收发转换开关，收发转换开关控制成像用射频电磁波收发两用线圈处于发射状态或者接收状态，在发射状态下，收发转换开关连接至射频功率放大器，或者在接收状态下，收发转换开关连接至计算机；
第一和第二梯度磁场线圈分别连接至梯度磁场功率放大器，梯度磁场功率放大器连接至核磁共振谱仪，核磁共振谱仪连接至计算机；治疗用交变磁场线圈连接至梯度磁场功率放大器。
治疗用交变磁场线圈6、第一和第二梯度磁场线圈5A和5B的示意图如图2所示。
本实施例的组合的核磁共振成像和电磁感应及射频治疗系统的控制方法，组合的核磁共振成像和电磁感应及射频治疗系统包括成像模式和治疗模式，在治疗模式中间隔地进行成像模式：
A.治疗模式：
1)选择电磁感应治疗或射频治疗；
2)电磁感应治疗包括3种方案，射频治疗包括两种方案；
3)电磁感应治疗前需在治疗靶区植入金属支架、热籽、纳米金属颗粒、磁流体等磁介质；
4)电磁感应治疗1：计算机通过梯度磁场功率放大器控制治疗用交变磁场线圈产生交变磁场；
5)电磁感应治疗2：计算机通过梯度磁场功率放大器，控制第一和第二梯度磁场线圈产生交变磁场，与治疗用交变磁场线圈产生的交变磁场相位相同，增加治疗靶区交变磁场的强度；
6)电磁感应治疗3：计算机通过梯度磁场功率放大器，控制第一和第二梯度磁场线圈产生交变磁场，产生与治疗用交变磁场线圈的磁场反相变化的磁场以减小对靶区外组织的影响；
7)射频治疗1：计算机控制射频功率放大器，激励一对治疗用射频电磁波发射线圈发射射频电磁波，为人体小范围射频加热治疗；
8)射频治疗2：计算机控制射频功率放大器，激励单个治疗用射频电磁波发射线圈发射射频电磁波，为人体浅表小范围射频加热治疗；
9)射频治疗3：计算机控制收发转接开关，收发转接开关控制成像用射频电磁波收发两用线圈处于发射状态，射频功率放大器激励成像用射频电磁波收发两用线圈连续发射射频电磁波，为人体大范围加热；
B.成像模式：
1)计算机通过梯度磁场功率放大器，控制第一和第二梯度磁场线圈产生梯度变化的磁场，选择成像激发的层面和磁共振信号的空间编码；
2)计算机控制收发转接开关，收发转接开关控制成像用射频电磁波收发两用线圈处于发射状态，射频功率放大器激励成像用射频电磁波收发两用线圈发射射频电磁波，激发人体内特定位置的氢原子核进入高能级，高能级氢原子核跃迁至低能级发出电磁波；
3)收发转接开关控制成像用射频电磁波收发两用线圈处于接收状态，成像用射频电磁波收发两用线圈接收从人体发射的电磁波并通过收发转换开关传输至计算机；
4)梯度磁场功率放大器、梯度线圈、射频功率源、射频线圈和收发转换开关按照特定的脉冲序列协同工作，重复以上过程，采集足够信号送至计算机；
5)计算机进行图像处理形成核磁共振影像，核磁共振影像中包括人体的形态信息、温度信息和功能信息，从而通过温度信息实时监测治疗靶区温度及周边组织温度，通过形态信息和功能信息实时监测治疗效果。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种组合的核磁共振成像和电磁感应及射频治疗系统，其特征在于，所述系统包括：患者床、治疗用射频电磁波发射线圈、成像用射频电磁波收发两用线圈、治疗用交变磁场线圈、第一和第二梯度磁场线圈、主磁体、屏蔽线圈、收发转换开关、核磁共振谱仪、射频功率放大器、梯度磁场功率放大器和计算机；其中，
中心轴位于患者床上方；
以中心轴为公共轴，从内至外依次为共轴的成像用射频电磁波收发两用线圈、治疗用交变磁场线圈、主磁体和屏蔽线圈；
在成像用射频电磁波收发两用线圈的内壁表面的中部安装有治疗用射频电磁波发射线圈；
治疗用射频电磁波发射线圈可拆卸；
治疗用射频电磁波发射线圈的数量为单个或多个成对安装，每一对治疗用射频电磁波发射线圈关于中心轴对称，并且连线垂直于中心轴；
第一和第二梯度磁场线圈与治疗用交变磁场线圈的半径相同且共轴，分别位于治疗用交变磁场线圈的两侧；
治疗用射频电磁波发射线圈连接至射频功率放大器，射频功率放大器连接至核磁共振谱仪，核磁共振谱仪连接至计算机；
成像用射频电磁波收发两用线圈连接至收发转换开关，收发转换开关控制成像用射频电磁波收发两用线圈处于发射状态或者接收状态，在发射状态下，成像用射频电磁波收发两用线圈通过收发转换开关连接至射频功率放大器，或者在接收状态下，成像用射频电磁波收发两用线圈通过收发转换开关连接至计算机；
第一和第二梯度磁场线圈分别连接至梯度磁场功率放大器，梯度磁场功率放大器连接至核磁共振谱仪，核磁共振谱仪连接至计算机；
治疗用交变磁场线圈连接至梯度磁场功率放大器；
屏蔽线圈屏蔽内部磁场；
组合的核磁共振成像和电磁感应及射频治疗系统包括成像模式和治疗模式，在治疗模式中间隔地进行成像模式；治疗模式包括射频治疗和电磁感应治疗；
在射频治疗中，计算机控制射频功率放大器，激励治疗用射频电磁波发射线圈发射射频电磁波；
计算机通过射频功率放大器控制收发转接开关，收发转接开关控制成像用射频电磁波收发两用线圈处于发射状态，射频功率放大器激励成像用射频电磁波收发两用线圈发射连续的电磁波；
在电磁感应治疗中，计算机通过梯度磁场功率放大器控制治疗用交变磁场线圈产生交变磁场；
计算机通过梯度磁场功率放大器，控制第一和第二梯度磁场线圈产生交变磁场，与治疗用交变磁场线圈所产生交变磁场的相位相同，增加靶区交变磁场的强度，或者产生与治疗用交变磁场线圈的磁场反相变化的磁场以减小对靶区外组织的影响；
在成像模式中，计算机通过梯度磁场功率放大器，控制第一和第二梯度磁场线圈产生梯度变化的磁场，从而选择成像激发的层面和控制磁共振信号的空间编码；
计算机控制射频功率放大器和收发转接开关，收发转接开关控制成像用射频电磁波收发两用线圈处于发射状态，射频功率放大器激励成像用射频电磁波收发两用线圈发射射频电磁波，激发人体内特定位置的氢原子核由低能级跃迁至高能级，高能级的氢原子核跃迁回低能级发出电磁波，或者，收发转接开关控制成像用射频电磁波收发两用线圈处于接收状态，成像用射频电磁波收发两用线圈接收从人体发出的电磁波并通过收发转换开关传输至计算机，计算机进行图像处理形成核磁共振影像，核磁共振影像中包括人体的形态信息、温度信息和功能信息，从而实时监测治疗靶区的温度及周边组织的温度。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述成像用射频电磁波收发两用线圈接发射脉冲射频电磁波，或者发射持续的电磁波；每次脉冲射频电磁波的持续时间为0.001～1秒；每次连续的电磁波的持续时间长于1秒。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述成像用射频电磁波收发两用线圈、治疗用交变磁场线圈、第一和第二梯度磁场线圈、主磁体以及屏蔽线圈，均为中空的共轴圆筒形。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，第一梯度磁场线圈和第二梯度磁场线圈中分别有三个子线圈子线圈，每一个子线圈都单独与梯度磁场功率放大器连接。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述梯度磁场功率放大器激励第一和第二梯度磁场线圈产生任意方向的梯度变化磁场，或者产生水平轴方向变化的交变磁场。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述梯度磁场功率放大器激励治疗用交变磁场线圈产生水平轴方向的交变磁场。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一梯度磁场线圈、第二梯度磁场线圈及治疗用交变磁场线圈均由中空导线绕制而成，中空导线内有冷却水流过，三个线圈之间用绝缘管相连。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一梯度磁场线圈、第二梯度磁场线圈、治疗用交变磁场线圈、治疗用射频电磁波发射线圈及成像用射频电磁波收发两用线圈均装用温度传感器，温度传感器与计算机连接。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，每对治疗用射频电磁波发射线圈同时工作，或者只有单个工作。
10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述收发转换开关的转换时间小于10微秒。
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