CN109925594A - 一种电化学针阵加热设备及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种电化学针阵加热设备，所述设备包括电极探针和针阵加热控制主机，针阵加热控制主机包括主控模块、加热模块、针阵电极交换模块、人机操作界面、通信接口、储能模块和数据存储中心，加热模块分别与主控模块、针阵电极交换模块连接，电极探针与针阵电极交换模块连接，人机操作界面、通信接口、储能模块和数据存储中心并接后与主控模块连接，加热模块包括分别与针阵电极交换模块连接的直流加热模块、交流加热模块、脉冲加热模块和高频加热模块，其中直流加热模块和高频加热模块分别与主控模块连接，交流加热模块和脉冲加热模块并接后与主控模块连接。本发明操作方便，有效对血液、组织进行加热，形成良好的热疗作用。

Description

一种电化学针阵加热设备及其控制方法

技术领域

本发明医疗器械领域，具体涉及一种电化学针阵加热设备及其控制方法。

背景技术

目前拥有手术、化疗、放疗、生物治疗等多种抗肿瘤手段，而且近来针对肿瘤特异性分子药物——分子靶向制剂陆续问世，使肿瘤的治疗有了新的发展，但是对于中晚期肿瘤患者的治疗仍需要更大的进展和突破。有必要探索新的、毒副作用小的治疗方法，或者在目前治疗手段的基础上增加一些辅助手段，不仅使疗效有所提高，且毒副反应有所减轻，患者生存质量改善。而热疗正是这样一种治疗方法。

肿瘤组织与正常组织血管结构及微循环显著不同，肿瘤血管丰富，但扭曲扩张、杂乱无章，血流阻力大，容易形成血栓、闭塞；肿瘤血管神经感受器不健全，对温度敏感性差。因此，肿瘤组织的血流量只有邻近正常组织血流量的1% ～ 15%，肿瘤越大，血流量越低。同样加热，肿瘤组织要高于周围正常组织3-7℃。

医学研究证实，免疫细胞的作战能力会随体温升高而增强，同时，高体温也使血液中的铁离子浓度减少，造成病原体生长所需微量铁离子供给不足，进而抑制病原体发育。这些才是抗病的主力，药物只是外援。与正常细胞相比，肿瘤细胞更怕高温。发烧时，体内温度高出正常组织5℃～10℃，可能杀死隐藏于人体内不为人知的肿瘤细胞。

据国外专家研究报道，肿瘤细胞在人体发烧到39.6度的高温下，肿瘤细胞就会全部死掉。 小肠要负责消化，必须经常活动，自然会比较温热，从事实可知，癌症并不容易发生在温度高的器官上。 人体容易罹癌的器官如食道、肺、胃、大肠、直肠、卵巢、子宫………等都是中间呈空洞的器官，有空洞的器官，细胞会比较少，体温也比较容易下降，所以比较容易罹癌；至于乳房因突出身体外面，也是温度比较低的器官，故乳癌发生率也较高。 当然，癌症是因免疫力下降而形成，当然与血液有关连，也可以说它的发生与血液循环不佳有密切关系。 就某个层面来说，发烧其实能提高免疫力，而免疫力就是白血球的运作能力，实际上只要体温上升1度，免疫力就能提高5－6倍。一旦身体冰冷，血液循环会变差，体内细胞的代谢也会变差，体温每下降1度，代谢就会减少约12％，免疫力也会降低30％。

目前，临床上根据治疗方式的不同，将肿瘤热疗分为全身热疗和局部热疗。局部热疗包括浅部热疗、深部热疗和腔内热疗。目前的热疗方式无法做到精准加热，带来的副作用是加热区域过大导致体温高于38.5℃，或持续低烧不退，或伴有发疹、剧烈头痛、关节痛、痉挛、脱水等症状时，影响正常组织的生理功能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种电化学针阵加热设备，有效对血液、组织进行加热，形成良好的热疗作用。

为了解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：

一种电化学针阵加热设备，所述设备包括电极探针和针阵加热控制主机，针阵加热控制主机包括主控模块、加热模块、针阵电极交换模块、人机操作界面、通信接口、储能模块和数据存储中心，加热模块分别与主控模块、针阵电极交换模块连接，电极探针与针阵电极交换模块连接，人机操作界面、通信接口、储能模块和数据存储中心并接后与主控模块连接。

所述加热模块包括分别与针阵电极交换模块连接的直流加热模块、交流加热模块、脉冲加热模块和高频加热模块，其中直流加热模块和高频加热模块分别与主控模块连接，交流加热模块和脉冲加热模块并接后与主控模块连接。

所述电极探针包括基准针和电极针，该基探针和电极针分别与针阵电极交换模块连接。

所述基准探针设置一组，电极针设置至少一组。

所述通信接口为固定网络接口、无线网络接口或物联网接口。

所述主控模块的主控芯片为单片机、数字信号处理系统芯片DSP或嵌入式系统芯片。

一种电化学针阵加热设备的控制方法，包括以下步骤：

将电极探针插入指定血管中，对不同部位的电极探针进行编号，电极探针与所插入的血管组织构成电流回路；

启动针阵加热控制主机，使相应编号的电极探针导电，根据不同的加热量，调整不同电极探针的电压或电流，从而使得电极探针所在区域的血液、组织发热，形成热疗作用。

所述方法还包括：通过电极探针加热过程中，实时检测电极探针所在区域的温度，当温度超过设定值后，停止针阵加热控制主机，暂停加热。

本发明通过电极探针的灵活布置，形成多种加热模式，能够有效可以准确加热达到位置的电极探针所包围的血管或组织，电极探针及血管组织构成电流回路，电源的能量大部分在血管组织转换为热量，加热患病血管组织，并通过血管向周围扩散。

热疗过程可以是动脉侧或静脉侧单边加热，也可以动脉静脉间平行加热、交叉加热或集中加热等模式，根据患病组织情况精准的施加热量，实现热疗过程热影响区域缩到最小，对已经植入患病区域组织的电极探针在进行加热治疗时，可对一组或多组电极探针同时进行不同模式的加热。

热疗实施过程电流、电压、功率数据实时显示，将传统大区域热疗转换成精准的小区域热疗，同时连接组织测温设备，电子实时监护设备，被热疗的组织区域可量化，并可形成统一的加热标准，并具有加热部位准确、加热效率高、热影响区域小、多种途径抑制或消灭肿瘤细胞、副作用极低、治疗成本低等优点。

附图说明

图1是本发明实施例针阵加热控制主机框图；

图2是本发明实施例针阵植入肿瘤周围血管对肿瘤部位进行加热示意图；

图3是本发明实施例针阵植入肿瘤周围血管对通过血管转移的肿瘤细胞进行加热示意图；

图4是本发明实施例遏制沿血管生长的肿瘤细胞的加热位置示意图；

图5是本发明实施例动脉区域探针间加热模式与静脉区域探针间加热模式示意图；

图6是本发明实施例动脉区域与静脉区域平行位置加热模式示意图；

图7是本发明实施例动脉区域与静脉区域交叉位置加热模式示意图；

图8是本发明实施例动脉区域与静脉区域集中电极加热模式示意图；

图9是本发明实施例在肿瘤区域进行脉冲式加热温度曲线图；

图10是本发明实施例肿瘤及其周围区域的温度分布曲线图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，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。

如附图1所示，本发明揭示了一种电化学针阵加热设备，包括电极探针和针阵加热控制主机，针阵加热控制主机包括主控模块、加热模块、针阵电极交换模块、人机操作界面、通信接口、储能模块和数据存储中心，加热模块分别与主控模块、针阵电极交换模块连接，电极探针与针阵电极交换模块连接，人机操作界面、通信接口、储能模块和数据存储中心并接后与主控模块连接。利用加热模块对电板探针进行加热。电极探针包括基准针和电极针，该基探针和电极针分别与针阵电极交换模块连接。基准探针设置一组，电极针设置至少一组，通过多组电极针，可以实现不同的加热模式，满足需求。对于电极探针的具体数量，在此并无限定，可根据实际需要灵活设置，通过针阵电极交换模块实现加热功能调节。

加热模块包括分别与针阵电极交换模块连接的直流加热模块、交流加热模块、脉冲加热模块和高频加热模块，其中直流加热模块和高频加热模块分别与主控模块连接，交流加热模块和脉冲加热模块并接后与主控模块连接。

通过设置不同类型的加热模块，一方面实现加热电源类型的切换，另一方面实现电极探针的组合，同时可实现电极探针共享更多的加热模块。直流加热模块，可实现恒电流输出模式，也可以实现恒电压输出模式，同时具有过电流保护功能，功率过载保护功能。交流加热模块，实现低于500Hz频率的交流电流，可实现恒电流输出模式，也可以实现恒电压输出模式，同时具有过电流保护功能，功率过载保护功能。脉冲加热模块，实现低于500Hz频率的脉冲电流，可实现恒定频率模式，可以实现恒定占空比输出模式，也可以实现恒定峰值输出模式，同时具有过电流保护功能，功率过载保护功能。高频加热模块，实现高于5000Hz频率的脉冲电流，可实现恒定频率模式，可以实现恒定占空比输出模式，可以实现恒定峰值输出模式，也可以组合成脉冲群输出模式，同时具有过电流保护功能，功率过载保护功能。

主控模块是控制主机的核心及数据传输枢纽，本实施例中，主控模块的主控芯片可以为单片机、数字信号处理系统芯片DSP、嵌入式系统芯片等，具体主控芯片型号可根据实际需要选取，例如本实施例中可选择现有应用较为成熟的嵌入式-微控制器32位ARM微控制器LPC2134。

所述通信接口用于连接到互联网或通过物联网与其他设备连接，实现数据互联或进行数据传输。通信接口可包括固定网络接口、无线网络接口或物联网接口等。通信接口还连接外部的测温设备，实施反馈调整加热参数。通信接口还连接实时监护设备，当监护设备发出告警信号，及时停止加热主机运作，并呼叫现场医护人员。

所述数据存储中心存储的数据内容包括有电极间电阻数据模型、电极间的电纳数据模型、血液电解质参数、人体组织部位编码、加热区域参数、加热模式参数、肿瘤状态数据、血压、脉搏心跳、环境参数、植入深度以及加热控制主机内部环境参数等信息，这些数据信息均可有本领域的技术人员根据实际需要去测试所得或根据现有技术中的资料获取所得。数据模型可由现有技术中的数据建立。

另外，储能模块，为各种加热模块提供能量，特别是脉冲加热电源需要瞬间大功率输出，储能模块在电源输入与加热模块输出中起到缓冲作用。储能模块有若干的电容或电感储能组合而成，保障有足够的能量输出，同时减少设备的工作对电源产生的影响。

如附图2所示，各个电极探针植入肿瘤周围血管对肿瘤部位进行加热示意图，位于肿瘤组织一侧血管中1号针，2号针形成前后分布，另一侧植入血管的3号针，4号针也形成前后分布。假定血液是由1号针，经2号针，经过肿瘤组织，再经4号针，最后到3号针的流向。此时在外部加热电源的作用下1号针、2号针与之间的血液构成发热源，被加热的血液对下游的肿瘤细胞起到热疗的作用；此时在外部加热电源的作用下3号针、4号针与之间的血液构成发热源，被加热的血液对从血管转移的肿瘤细胞起到热疗的作用；此时在外部加热电源的作用下1号针、2号针作为一个电极，3号针、4号针作为一个电极与之间的毛细血管及肿瘤组织构成发热源，大部分的加热功率作用在毛细血管及其周围肿瘤组织上，直接有效的对该区域内的肿瘤组织进行热疗。

如附图3所示，针阵植入肿瘤周围血管对通过血管转移的肿瘤细胞进行加热示意图 ，位于肿瘤组织附近的血管中1号针，2号针形成前后分布，另一侧植入血管的3号针，4号针也形成前后分布。假定血液是由4号针，经3号针，再经2号针，最后到1号针的流向。此时在外部加热电源的作用下4号针、3号针与之间的血液构成发热源，被加热的血液对下游的肿瘤细胞起到热疗的作用；此时在外部加热电源的作用下2号针、1号针与之间的血液构成发热源，被加热的血液对从血管转移的肿瘤细胞起到热疗的作用；此时在外部加热电源的作用下1号针、2号针作为一个电极，3号针、4号针作为一个电极与之间的血管构成发热源，大部分的加热功率作用在3号针与2号针的血管上，缩小了加热区域，直接遏制了肿瘤细胞通过该部位的血管扩散。

如附图4所示，遏制沿血管生长的肿瘤细胞的加热位置示意图，电极探针植入肿瘤组织沿线的血管两端，1号针，2号针与之间的血管构成发热源，该区域的血管加热后，提高该区域组织的免疫能力，遏制肿瘤组织诱导毛细血管生长趋势，控制肿瘤组织生长的基础。

如附图5所示，动脉区域探针间加热模式与静脉区域探针间加热模式示意图，所示的动脉1号针，2号针，3号针，4号针之间的两两形成加热电极就有6种组合工作模式。同样所示的静脉1号针，2号针，3号针，4号针之间的两两形成加热电极也有6种组合工作模式，可对动脉侧的具体的区域或静脉侧的具体区域加热，针对伴生在动脉血管侧或静脉血管侧的肿瘤细胞进行热疗的工作模式。

如附图6所示，动脉区域与静脉区域平行位置加热模式示意图，所示的动脉1号针对应静脉1号针，动脉2号针对应静脉2号针，动脉3号针对应静脉3号针，动脉4号针对应静脉4号针之间的两两形成加热电极就有4种组合工作模式。电流由探针电极流出，经过动脉血管，再经过毛细血管，再经过静脉血管，返回探针电极，加热功率作用在毛细血管及其周围组织，可对动脉侧、静脉侧覆盖的毛细血管组织的具体区域平行加热，针对生长在毛细血管组织周围的松散型肿瘤细胞进行热疗的工作模式。

如附图7所示，动脉区域与静脉区域交叉位置加热模式示意图，所示的动脉1号针对应静脉4号针，动脉2号针对应静脉3号针，动脉3号针对应静脉2号针，动脉4号针对应静脉1号针之间的两两形成加热电极就有4种组合工作模式。电流由探针电极流出，经过动脉血管，再经过毛细血管，再经过静脉血管，返回探针电极，加热功率作用在毛细血管及其周围组织，可对动脉侧、静脉侧覆盖的毛细血管组织的具体区域交叉加热，针对生长在毛细血管组织周围的聚集型肿瘤细胞进行热疗的工作模式。

如附图8所示，动脉区域与静脉区域集中电极加热模式示意图，所示的动脉1号针，2号针，3号针，4号针作为同电位电极，静脉1号针，2号针，3号针，4号针作为同电位电极，植入等电位电极数量增多，有效提高输入热功率，形成线性加热电极针阵组合工作模式，可对动脉侧与静脉侧间较大区域加热，针对分布面积较大肿瘤细胞进行热疗的工作模式。

如附图9所示，在肿瘤区域进行脉冲式加热温度曲线图，控制加热电源的工作模式，实现肿瘤区域加热到达峰值43.5℃，低谷值37.5℃的脉冲式加热模式，既能达到杀死肿瘤温度，又能快速恢复到人体舒适的体温，整个治疗过程不会产生不良生理反应。峰值的时间与低谷值得时间长度可根据治疗要求设定。可实现长期持续治疗。

如附图10所示，肿瘤及其周围区域的温度分布曲线图，针阵区域内是发热源，主要发热功率集中在肿瘤区域毛细血管组织。温度由肿瘤核心区域到周围正常组织呈正态分布，温度由肿瘤核心区向外部传递，核心区的平均温度可以达到42.8℃，周围组织温度36.8℃。本发明可实现针阵热疗对周围组织热影响区域小，能量集中等优点。

一种电化学针阵加热设备的控制方法，包括以下步骤：

将电极探针插入指定血管中，对不同部位的电极探针进行编号，电极探针与所插入的血管组织构成电流回路；

启动针阵加热控制主机，使相应编号的电极探针导电，根据不同的加热量，调整不同电极探针的电压或电流，从而使得电极探针所在区域的血液、组织发热，形成热疗作用。

所述方法还包括：通过电极探针加热过程中，实时检测电极探针所在区域的温度，当温度超过设定值后，停止针阵加热控制主机，暂停加热。

需要说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电化学针阵加热设备，其特征在于，所述设备包括电极探针和针阵加热控制主机，针阵加热控制主机包括主控模块、加热模块、针阵电极交换模块、人机操作界面、通信接口、储能模块和数据存储中心，加热模块分别与主控模块、针阵电极交换模块连接，电极探针与针阵电极交换模块连接，人机操作界面、通信接口、储能模块和数据存储中心并接后与主控模块连接。

2.根据权利要求1所述的电化学针阵加热设备，其特征在于，所述加热模块包括分别与针阵电极交换模块连接的直流加热模块、交流加热模块、脉冲加热模块和高频加热模块，其中直流加热模块和高频加热模块分别与主控模块连接，交流加热模块和脉冲加热模块并接后与主控模块连接。

3.根据权利要求2所述的电化学针阵加热设备，其特征在于，所述电极探针包括基准针和电极针，该基探针和电极针分别与针阵电极交换模块连接。

4.根据权利要求3所述的电化学针阵加热设备，其特征在于，所述基准探针设置一组，电极针设置至少一组。

5.根据权利要求4所述的电化学针阵加热设备，其特征在于，所述通信接口为固定网络接口、无线网络接口或物联网接口。

6.根据权利要求5所述的电化学针阵加热设备，其特征在于，所述主控模块的主控芯片为单片机、数字信号处理系统芯片DSP或嵌入式系统芯片。

7.一种权利要求6所述的电化学针阵加热设备的控制方法，包括以下步骤：

将电极探针插入指定血管中，对不同部位的电极探针进行编号，电极探针与所插入的血管组织构成电流回路；

启动针阵加热控制主机，使相应编号的电极探针导电，根据不同的加热量，调整不同电极探针的电压或电流，从而使得电极探针所在区域的血液、组织发热，形成热疗作用。

8.根据权利要求7所述的电化学针阵加热设备的控制方法，其特征在于，所述方法还包括：通过电极探针加热过程中，实时检测电极探针所在区域的温度，当温度超过设定值后，停止针阵加热控制主机，暂停加热。