CN110123437A - 一种单极型纳米刀治疗装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单极型纳米刀治疗装置，通过设置单个消融电极、若干中性电极和脉冲发生器，采用电场能量，利用不可逆性电穿孔实现组织消融目的，通过施加高强度外部电场致使细胞膜发生永久性通透，破坏细胞内稳态，消融时间较短，且不受血流的影响，可以在血管周围产生完整的细胞死亡，由于消融的是活细胞，能保留细胞基质和细胞周围结构，大血管和胆管在结构和功能上仍然保持完整，本发明设置单个消融电极，降低了穿刺难度，也降低了患者的创伤，采用若干中性电极调整电场分布，为电流提供返回回路，设置脉冲发生器为消融电极和中性电极之间施加超过阈值的电场强度，可以提高单次消融的体积，从而减少消融的次数，进一步缩短消融治疗时间。

Description

一种单极型纳米刀治疗装置

技术领域

本发明涉及肿瘤组织消融技术领域，特别是指一种单极型纳米刀治疗装置。

背景技术

纳米刀消融术是一种非热消融技术，它是利用不可逆性电穿孔实现组织消融目的。不可逆电穿孔是指通过施加高强度外部电场致使细胞膜发生永久性通透的过程。外部电场引起的跨膜电位，导致细胞膜内形成无数个纳米级微孔，破坏了细胞内稳态。如果所施加的电场超过某一阈值，将导致细胞膜结构和细胞内稳态永久性破坏，引起免疫反应，从而导致细胞调亡。

多极型纳米刀肿瘤消融装置需要多电极针平行穿刺进入肿瘤，以提高电场强度，使电场在肿瘤组织中分布均匀。纳米刀消融时，要根据肿瘤的形态来布针，严格控制2根(或多根)消融电极的间距，其杀灭范围在2根(或多根)电极针之间，因此需要沿肿瘤周边布针。从不开刀微创消融的各项肿瘤物理消融来看，纳米刀消融穿刺的难度比热消融术穿刺的难度大得多。纳米刀具有消融时间短的优势，但布针难度大时间长，使这一优势难以发挥。为了解决这一难题，有人在一根电极针上安装两个电极(双极型电极针)，但由于高压绝缘问题以及电场分布范围小，临床上使用较少。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种单极型纳米刀治疗装置，克服现有技术中纳米刀布针难度大时间长的问题。

基于上述目的本发明提供的一种单极型纳米刀治疗装置，包括：

单个消融电极；

若干中性电极，可通过导体与消融电极构成回路；

脉冲发生器，用于向消融电极与中性电极之间施加脉冲电压。

优选地，消融电极选用单根电极针。

优选地，脉冲发生器包括：

高速脉宽调制控制器IC₁、第一双通道栅极驱动器IC₂与第二双通道栅极驱动器IC₃，高速脉宽调制控制器IC₁的输出端口分别连接至第一双通道栅极驱动器IC₂和第二双通道栅极驱动器IC₃的输入端，高速脉宽调制控制器IC₁的软启动端口连接有触发脉冲电路，第一双通道栅极驱动器IC₂连接有三极管Q_A和三极管Q_B，且连接构成第一半桥臂，第二双通道栅极驱动器IC₃连接有三极管Q_C和三极管Q_D，且连接构成第二半桥臂；第一双通道栅极驱动器IC₂和第二双通道栅极驱动器IC₃供电端分别连接有二极管D₁和二极管D₂，第一半桥臂和第二半桥臂的结点经过电感L₁与变压器T₁的初级线圈相连接，脉冲发生器还包括二极管D₃,D₄,D₅和D₆，二极管D₃,D₄,D₅和D₆构成全波整流电路，并连接至变压器T₁的次级线圈，全波整流电路还连接有Π型LC滤波器，Π型LC滤波器连接至脉冲发生器的脉冲电压输出端。

优选地，第一双通道栅极驱动器IC₂与第二双通道栅极驱动器IC₃均选用隔离式场效应管驱动器UCC20520。

优选地，二极管D₁和二极管D₂均为自举二极管。

优选地，高速脉宽调制控制器IC₁选用UC3825型高速PWM控制器。

优选地，三极管Q_A、三极管Q_B和三极管Q_C均选用CM0025120D碳化硅功率MOSFET。

从上面所述可以看出，本发明提供的单极型纳米刀治疗装置，通过设置单个消融电极、若干中性电极和脉冲发生器，采用电场能量，利用不可逆性电穿孔实现组织消融目的，通过施加高强度外部电场致使细胞膜发生永久性通透，破坏细胞内稳态，消融时间较短，且不受血流的影响，可以血管周围产生完整的细胞死亡，由于消融的是活细胞，能保留细胞基质和细胞周围的结构，所以大血管和胆管在结构和功能上仍然保持完整，本发明设置单个消融电极，降低了穿刺难度，也降低了患者的创伤，采用若干中性电极调整电场分布，同时为电流提供返回回路，设置脉冲发生器为消融电极和中性电极之间施加超过阈值的电场强度，可以提高单次消融的体积，从而减少消融的次数，进一步缩短了消融治疗时间。

附图说明

图1为本发明实施例的结构框图；

图2为本发明实施例的脉冲发生器电路示意图；

图3为本发明实施例的使用时的技术方案示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

肿瘤消融治疗技术是指在图像引导下，将射频、微波、冷冻、激光、电场等能量极精准穿刺至肿瘤靶区，实施精准微创消融术，原位灭活肿瘤，是全新的精准微创手术。热消融通过对组织进行加热或冷冻，来破坏肿瘤细胞，目前临床广泛应用的物理消融技术包括氩氦刀冷冻消融，射频、微波和激光热消融等。这些消融技术尽管疗效确切，但其主要缺点是对组织的破坏是无选择性的，即在消融区内除肿瘤组织外，正常的组织器官如血管、神经、胆管、胰管等均受到完全破坏。此缺点是导致消融术后出现并发症的主要原因，如临床常见的消融术后大出血、胆管系统损伤、肠管穿孔和神经功能障碍等。此外，由于血流会带走热量，热消融效果受到血液灌注影响严重。而且热消融是导致组织坏死，不易排出体外。

与热消融术相比，纳米刀消融具有三个优势。首先，消融时间很短，在1min内即可创建直径约为3cm的消融区域。其次，由于纳米刀消融为非热消融，不受血流的影响，可以血管周围产生完整的细胞死亡。第三，纳米刀消融的是活细胞，它在理论上保留的细胞基质和细胞周围的结构，所以大血管和胆管在结构和功能上仍然保持完整。

根据不同的肿瘤，脉冲电场强度为1.5kV/cm，脉冲宽度为20～1000μs。脉冲幅度决定单次消融的体积，幅度单次消融的体积越大。

本发明提供一种单极型纳米刀治疗装置，包括单个消融电极、若干中性电极和脉冲发生器，其中中性电极通过导体与消融电极构成回路，脉冲发生器用于向消融电极与中性电极之间施加脉冲电压。

本发明通过设置单个消融电极、若干中性电极和脉冲发生器，采用电场能量，利用不可逆性电穿孔实现组织消融目的，通过施加高强度外部电场致使细胞膜发生永久性通透，破坏细胞内稳态，消融时间较短，且不受血流的影响，可以血管周围产生完整的细胞死亡，由于消融的是活细胞，能保留细胞基质和细胞周围的结构，所以大血管和胆管在结构和功能上仍然保持完整，本发明设置单个消融电极，降低了穿刺难度，也降低了患者的创伤，采用若干中性电极调整电场分布，同时为电流提供返回回路，设置脉冲发生器为消融电极和中性电极之间施加超过阈值的电场强度，可以提高单次消融的体积，从而减少消融的次数，进一步缩短了消融治疗时间。

如图1所示，展示了中性电极数量为两个时的单极型纳米刀治疗装置连接关系。

在本发明的实施例中，采用一根电极针作为消融电极，采用可贴在患者皮肤上的电极作为中性电极，中性电极的数量根据患者肿瘤大小与位置选择，用于调整电场分布，同时为电流提供返回回路。

在本发明的实施例中，脉冲发生器如图2所示，包括：

高速脉宽调制控制器IC₁、第一双通道栅极驱动器IC₂与第二双通道栅极驱动器IC₃，高速脉宽调制控制器IC₁的输出端口分别连接至第一双通道栅极驱动器IC2和第二双通道栅极驱动器IC₃的输入端，高速脉宽调制控制器IC₁的软启动端口连接有触发脉冲电路，第一双通道栅极驱动器IC₂连接有三极管Q_A和三极管Q_B，且连接构成第一半桥臂，第二双通道栅极驱动器IC₃连接有三极管Q_C和三极管Q_D，且连接构成第二半桥臂；第一双通道栅极驱动器IC₂和第二双通道栅极驱动器IC₃供电端分别连接有二极管D₁和二极管D₂，电容C₁、C₂、C₃、C₄、C₅、C₆为滤波电容，第一半桥臂和第二半桥臂的结点经过电感L₁与变压器T₁的初级线圈相连接，脉冲发生器还包括二极管D₃,D₄,D₅和D₆，二极管D₃,D₄,D₅和D₆构成全波整流电路，并连接至变压器T₁的次级线圈，全波整流电路还连接有Π型LC滤波器，Π型LC滤波器连接至脉冲发生器的脉冲电压输出端，Π型LC滤波器由电容C₈、C₉和电感L₁连接构成。

在本发明的实施例中，第一双通道栅极驱动器IC2与第二双通道栅极驱动器IC3均选用隔离式场效应管驱动器UCC20520，该驱动器是一款单输入、双通道栅极驱动器，其峰值拉电流为4A，峰值灌电流为6A，用于驱动高达5MHz的碳化硅功率MOSFET。输入侧与输出侧隔离电压为5.7kV_RMS，浪涌抗扰度高达12.8kV，共模瞬态抗扰度(CMTI)的最小值为100V/ns，二极管D1和二极管D2均为自举二极管，为IC₂和IC₃的V_DDA提供电源，高速脉宽调制控制器IC₁选用UC3825型高速PWM控制器，三极管Q_A、三极管Q_B和三极管Q_C均选用CM0025120D碳化硅功率MOSFET，可提供高速切换，开关的时间小于0.1μs，导通电阻为25mΩ，漏-源击穿电压为1200V，脉冲电流高达250A，触发脉冲电路可选用数字电路或单片机。

即高速脉宽调制(PWM)控制器IC₁的输出端口OUT_A、OUT_B发送两路相位相差180°的PWM信号，分别送给IC₂和IC₃的输入端PWM端，其连接方式是IC₁的OUT_A与IC₂的PWM相连接，IC₁的OUT_B与IC₃的PWM相连接。

当触发脉冲为高电平，IC₁的输出端口OUT_A、OUT_B发送PWM信号，经过全桥变换后，在输出端有脉冲输出。当触发脉冲为低电平，IC₁的输出端口OUT_A、OUT_B发送PWM信号，因此输出端无脉冲输出。

通过设置变压器T₁可将原边电压按照匝数比进行升压，并在原边和副边之间实现电气隔离。

在使用本发明提供的单极型纳米刀治疗装置时，如图3所示，在图像引导下，将消融电极的电极针插入肿瘤内，用一个或多个电极贴在周围的皮肤上作为中性电极，与消融电极构成回路，在消融电极和中性电极之间施加脉冲电压。虽然图中给出施加脉冲的极性，但所施加的脉冲可以单向波、双向波或高频调制波。由于人体组织是导体，需要电流来维持电压，根据肿瘤的形态确定电极针插入的位置，同时调整中性电极的粘贴位置和个数来改变电场的分布，使整个肿瘤都受到超过阈值电场强度(1.5kV/cm)。由于中性电极与电极针的距离较远，因此，需要比多电极型更高的电压。本发明中提供的脉冲发生器电路结构，克服了现有技术中当电场范围增大时，无法将电场强度提高到超过阈值1.5kV/cm的难题，从而使单极型纳米刀成为可能。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、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 (7)

1.一种单极型纳米刀治疗装置，其特征在于，包括：

单个消融电极；

若干中性电极，可通过导体与所述消融电极构成回路；

脉冲发生器，用于向所述消融电极与所述中性电极之间施加脉冲电压。

2.根据权利要求1所述的单极型纳米刀治疗装置，其特征在于，所述消融电极选用单根电极针。

3.根据权利要求1所述的单极型纳米刀治疗装置，其特征在于，所述脉冲发生器包括：

高速脉宽调制控制器IC₁、第一双通道栅极驱动器IC₂与第二双通道栅极驱动器IC₃，所述高速脉宽调制控制器IC₁的输出端口分别连接至所述第一双通道栅极驱动器IC₂和所述第二双通道栅极驱动器IC₃的输入端，所述高速脉宽调制控制器IC₁的软启动端口连接有触发脉冲电路，所述第一双通道栅极驱动器IC₂连接有三极管Q_A和三极管Q_B，且连接构成第一半桥臂，所述第二双通道栅极驱动器IC₃连接有三极管Q_C和三极管Q_D，且连接构成第二半桥臂；所述第一双通道栅极驱动器IC₂和所述第二双通道栅极驱动器IC₃供电端分别连接有二极管D₁和二极管D₂，所述第一半桥臂和所述第二半桥臂的结点经过电感L₁与变压器T₁的初级线圈相连接，所述脉冲发生器还包括二极管D₃,D₄,D₅和D₆，所述二极管D₃,D₄,D₅和D₆构成全波整流电路，并连接至所述变压器T₁的次级线圈，所述全波整流电路还连接有Π型LC滤波器，所述Π型LC滤波器连接至所述脉冲发生器的脉冲电压输出端。

4.根据权利要求3所述的单极型纳米刀治疗装置，其特征在于，所述第一双通道栅极驱动器IC₂与第二双通道栅极驱动器IC₃均选用隔离式场效应管驱动器UCC20520。

5.根据权利要求3所述的单极型纳米刀治疗装置，其特征在于，所述二极管D₁和二极管D₂均为自举二极管。

6.根据权利要求3所述的单极型纳米刀治疗装置，其特征在于，所述高速脉宽调制控制器IC₁选用UC3825型高速PWM控制器。

7.根据权利要求3所述的单极型纳米刀治疗装置，其特征在于，所述三极管Q_A、三极管Q_B和三极管Q_C均选用CM0025120D碳化硅功率MOSFET。