CN111408045B - 一种用于深部肿瘤的中频交变电场治疗装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于深部肿瘤的中频交变电场治疗装置，属于医疗设备技术领域。其包括电极贴片、工作电路、温度检测电路和电流检测电路，工作电路包括电源模块、控制模块、信号发生模块以及功率放大模块，温度检测电路包括设于电极贴片上的热敏电阻，信号发生模块包括直接数字频率合成模块、数模转换器、模拟合成电路、有源滤波电路以及信号放大电路。本装置具有温度检测和电流检测电路，可有效采集设备的工作状态，具有完善的安全保护功能，并能够输出大功率电场，可用于深层肿瘤的治疗。此外，本装置采用独特的周期式工作方式，能够在保证治疗效果的前提下减小发热。

Description

一种用于深部肿瘤的中频交变电场治疗装置

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，特别是指一种用于深部肿瘤的中频交变电场治疗装置。

背景技术

脑胶质瘤是源于神经上皮组织的恶性肿瘤，俗称“脑癌”。脑胶质瘤是最常见的颅内原发性肿瘤，国外临床统计表明，颅内原发性肿瘤的发病率为21/10万，胶质瘤约占60％。国内文献报道脑胶质瘤约占颅内肿瘤的35.26％～60.96％。目前最常用的治疗方法为手术加放化疗，由于脑胶质瘤呈浸润性生长，手术往往难以全切。又由于其为放射抗拒性肿瘤，且对大多化疗药耐受，总体疗效不佳，尤其是高分级胶质瘤，具有高度间变的生长特点，术后复发快，预后差，严重威胁人类健康。

肿瘤治疗电场(tumor treating fields)通过干扰破坏细胞的有丝分裂过程，对肿瘤治疗有具有良好的效果。目前，全球只有诺沃库勒(Novocure)有限公司开发的NOVOTTF-100A中频交变电场肿瘤治疗设备用于临床，国内暂无相关成熟的产品上市。

现有的中频交变电场肿瘤治疗设备存在以下问题：

1、现有设备产生的电场强度较弱，只能用于浅层肿瘤的治疗，不适合于深部肿瘤的治疗。

2、电极贴片在治疗过程中会出现发热的情况，具有烫伤患者的风险。

3、现有设备工作异常时可能出现输出电流过大的问题，可能危害人体健康。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种用于深部肿瘤的中频交变电场治疗装置，该装置可适用于深部肿瘤的治疗，并具有安全防护的功能。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于深部肿瘤的中频交变电场治疗装置，包括电极贴片和工作电路，此外，还包括电极温度检测电路、功放温度检测电路、电流检测电路以及风扇，所述工作电路包括电源模块、控制模块、信号发生模块以及功率放大模块，所述风扇为功率放大模块散热，所述电极温度检测电路包括设于电极贴片上的热敏电阻，所述功放温度检测电路包括设于功率放大模块上的热敏电阻，所述信号发生模块包括直接数字频率合成模块、数模转换器、模拟合成电路、有源滤波电路以及信号放大电路；所述电源模块用于为工作电路提供电源，所述控制模块输出基准频率给直接数字频率合成模块，并输出一个用于调幅的数字信号给数模转换器，直接数字频率合成模块根据基准频率产生中频模拟信号，模拟合成电路将中频模拟信号和数模转换器输出的模拟信号进行合成，产生所需振幅的中频信号，有源滤波电路对模拟合成电路输出的中频信号进行滤波，信号放大电路对有源滤波电路输出的信号进行信号放大，功率放大模块对信号放大电路输出的信号进行功率放大并传输至电极贴片上；所述电极温度检测电路通过相应的热敏电阻感应电极贴片的温度，并把相应的温度检测信号反馈至控制模块，所述功放温度检测电路通过相应的热敏电阻感应功率放大模块的温度，并把相应的温度检测信号反馈至控制模块，所述电流检测电路用于检测功率放大模块输出信号的电流大小，并将电流检测信号反馈至控制模块；

所述电极温度检测电路和功放温度检测电路中，热敏电阻一端接地，另一端通过第一RC滤波器连接3V电源，并通过第二RC滤波器连接运算放大器的正输入端，运算放大器的正输入端还通过LC滤波器连接5V电源，运算放大器的输出端通过第三RC滤波器连接至所述控制模块，运算放大器的负输入端接地，并通过一电阻连接至运算放大器的输出端；第二、第三RC滤波器分别并联有一保护电路，所述保护电路为一对反向串联的稳压二极管；

所述功率放大模块的输出端串联有采样电阻；所述电流检测电路包括隔离运算放大器、减法器以及有效值芯片，其中，采样电阻的两端均通过滤波电路与隔离运算放大器连接，隔离运算放大器产生放大信号，并输出给减法器进一步将正弦交流信号进行放大，有效值芯片将放大后的正弦交流信号转换为稳定的直流信号，并反馈给控制模块；

所述控制模块根据电极温度检测电路反馈的温度T1、功放温度检测电路反馈的温度T2以及电流检测电路反馈的信号I，执行如下控制动作：

(1)当T2＞40℃时，控制风扇打开，当T2≤40℃时，控制风扇关闭；

(2)当满足条件一时，通过控制输出给数模转换器的信号的大小，使功率放大模块的输出电压从最低电压开始逐级递增至最高电压，在最高电压保持一段时间后，再逐级递减至最低电压，如此周期式运作；

(3)当满足条件二且不满足条件一时，通过控制输出给数模转换器的信号的大小，将功率放大模块的当前输出电压逐级降低至最低电压；

(4)当满足条件三且不满足条件二时，通过控制输出给数模转换器的信号的大小，使功率放大模块的输出电压直接降低至最低电压；

(5)当满足条件四时，通过控制输出给数模转换器的信号的大小，将功率放大模块的当前输出电压降一级；

(6)当满足条件五时，停止向数模转换器输出信号；

(7)当在最高电压下检测到I≤100mA或T2≤38℃时，提示装置故障；

其中，条件一为：25℃＜T1＜40℃且48℃＜T2＜60℃

条件二为：25℃＜T1＜42℃且48℃＜T2＜70℃

条件三为：25℃＜T1＜43℃且48℃＜T2＜80℃

条件四为：I＞900mA

条件五为：T1＞43℃、T2＞80℃，或I＞1200mA。

进一步的，所述最低电压为50V，最高电压为128V，每级增/减6V；所述周期式运作中，升至最高电压后保持7分钟，除此之外在每级电压下均保持0.5分钟。

进一步的，所述采样电阻两端之间还连接有限压保护电路，所述有效值芯片的输出端也连接有限压保护电路，所述限压保护电路为一对反向串联的稳压二极管。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

1、本发明中，信号发生模块输出的信号并非直接提供给电极贴片，而是经过功率放大模块的放大后再给到电极贴片，从而能够有效提升治疗电场的强度，具有治疗深部肿瘤的能力。

2、本发明装置进一步设置了电极温度检测电路、功放温度检测电路以及电流检测电路，能够有效监控装置的工作状态，配合相应的控制程序，可以对电极温度过高、电流输出过大等情况进行及时处理，有效地保护了使用者的人身安全，提高了装置的安全性。

3、本发明采用周期式运作的方式输出电压，这种方式既不影响治疗效果，同时又能减小发热，使输出电压的升降具有平稳缓冲。

附图说明

图1是本发明实施例中中频交变电场肿瘤治疗装置的原理框图。

图2和图3分别是本发明实施例中信号发生模块的原理框图和电原理图。

图4和图5分别是本发明实施例中温度检测电路的原理框图和电原理图。

图6和图7分别是本发明实施例中电流检测电路的原理框图和电原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，一种用于深部肿瘤的中频交变电场治疗装置，包括电极贴片和工作电路，此外，还包括电极温度检测电路、功放温度检测电路、电流检测电路以及风扇，电极温度检测电路和功放温度检测电路的结构相同。其中：

所述工作电路包括电源模块、控制模块、信号发生模块以及功率放大模块，所述风扇为功率放大模块散热，所述电极温度检测电路包括设于电极贴片上的热敏电阻，所述功放温度检测电路包括设于功率放大模块上的热敏电阻，所述信号发生模块包括直接数字频率合成模块、数模转换器、模拟合成电路、4阶有源滤波电路以及信号放大电路；所述电源模块用于为工作电路提供电源，所述控制模块输出基准频率给直接数字频率合成模块，并输出一个用于调幅的数字信号给数模转换器，直接数字频率合成模块根据基准频率产生中频模拟信号，模拟合成电路将中频模拟信号和数模转换器输出的模拟信号进行合成，产生所需振幅的中频信号，4阶有源滤波电路对模拟合成电路输出的中频信号进行滤波，信号放大电路对4阶有源滤波电路输出的信号进行信号放大，功率放大模块对信号放大电路输出的信号进行功率放大并传输至电极贴片上；所述电极温度检测电路通过相应的热敏电阻感应电极贴片的温度，并把相应的温度检测信号反馈至控制模块，所述功放温度检测电路通过相应的热敏电阻感应功率放大模块的温度，并把相应的温度检测信号反馈至控制模块，所述电流检测电路用于检测功率放大模块输出信号的电流大小，并将电流检测信号反馈至控制模块。

上述装置中：

1、电源管理模块：

1)将通过适配器输入的市电转化为12VDC电源分别供给控制主机模块、DC-DC模块和充电电池；

2)将充电电池输出的12VDC电源分别供给控制主机模块和DC-DC模块。

2、DC-DC模块：将电源管理模块输出的12VDC电源转化为±36VDC电源供给功率放大模块。

3、充电电池：

1)接通市电时，将电源管理模块输出的12VDC电源储存起来；

2)非接通市电时，输出12VDC电源供给电源管理模块；

3)通过电压反馈信号传递给控制主机模块，实时监测充电电池电量情况；

4)具有电池保护功能，防止过冲、过放等造成电池损伤，提高电池的使用寿命。

4、功率放大模块的结构为公知常识，此处不再赘述。

如图2和3所示，所述信号发生模块包括直接数字频率合成模块、数模转换器、模拟合成电路、4阶有源滤波电路以及信号放大电路；所述电源模块用于为工作电路提供电源，所述控制模块输出基准频率给直接数字频率合成模块，并输出一个用于调幅的数字信号给数模转换器，直接数字频率合成模块根据基准频率产生中频模拟信号，模拟合成电路将中频模拟信号和数模转换器输出的模拟信号进行合成，产生所需振幅的中频信号，4阶有源滤波电路对模拟合成电路输出的中频信号进行滤波，信号放大电路对4阶有源滤波电路输出的信号进行信号放大，功率放大模块对信号放大电路输出的信号进行功率放大并传输至电极贴片上；所述温度检测电路通过热敏电阻感应电极贴片的温度，并把温度检测信号反馈至控制模块，所述电流检测电路用于检测功率放大模块输出的信号电流，并将电流检测信号反馈至控制模块。

如图4和5所示，电极温度检测电路和功放温度检测电路中，热敏电阻一端接地，另一端通过第一RC滤波器连接3V电源，并通过第二RC滤波器连接运算放大器的正输入端，运算放大器的正输入端还通过LC滤波器连接5V电源，运算放大器的输出端通过第三RC滤波器连接至所述控制模块，运算放大器的负输入端接地，并通过一电阻连接至运算放大器的输出端；第二、第三RC滤波器分别并联有一保护电路，所述保护电路为一对反向串联的稳压二极管。

该温度检测电路具有如下优点：

1)稳定性高。

a.基于稳压二极管的反向伏安特性，在反向电压低于反向击穿电压时，其反向电阻很大，反向漏电流极小。但当反向电压临近反向电压的临界值时，反向电流骤然增大，即击穿。故将一对稳压二极管反向串联，构成保护模块，可对与之并联的电路起到过压保护作用，当电路过压时，稳压二极管首先击穿短路，且其两端的电压基本稳定在击穿电压附近。

b.采用多个滤波电路，对输入信号、输出信号、各个电源的输出电压起到稳定作用。

c.采用电流源代替传统电源，其内阻相对负载阻抗很大，负载阻抗波动对电流大小的影响不明显，能够输出恒定的电流，提高整个电路的稳定性。

2)精度高、温度感应速度快。

选用高精度热敏电阻，具有稳定性好、阻值精度高、体积小、重量轻、热感应速度块、灵敏度高等特点，实现对温度的精准测量。

3)功耗低。

供电电源A、B的输出电压均较低，并采用了低功耗的运算放大器，大大降低了整个温度检测电路的功耗。

所述功率放大模块的输出端串联有采样电阻；如图6和7所示，所述电流检测电路包括隔离运算放大器、减法器以及有效值芯片，其中，采样电阻的两端均通过滤波电路与隔离运算放大器连接，隔离运算放大器产生8倍的放大信号，并输出给减法器进一步将正弦交流信号进行放大，有效值芯片将放大后的正弦交流信号转换为稳定的直流信号，并反馈给控制模块。

进一步的，所述采样电阻两端之间还连接有限压保护电路，所述有效值芯片的输出端也连接有限压保护电路，所述限压保护电路为一对反向串联的稳压二极管。

该装置具有以下优点：

1)输出中频较大功率的交流信号。通过信号发生模块与功率放大模块，能够实现输出100-300kHz、±70V、有效值2A的交流信号，产生交变电场，用于深部肿瘤的治疗。

2)稳定性好。

a.在满足系统性能和功能指标的前提下，精简设计系统结构，避免其组成元件过多，导致系统失效的可能性增大；

b.在反馈电路中，反馈环外面采用小电阻或扼流圈给容性负载提供一个缓冲，以提高电路的稳定性；

c.在没有屏蔽系统内部的导线连接处均设有滤波。

3)抗干扰能力强。信号发生模块中采用的4阶有源滤波电路，能够有效抑制干扰，得到平坦的响应特性。

4)低功耗。

a.采用低功耗的单片机作为控制主机模块的核心。同时，在满足性能要求的前提下，选用低功耗的元器件，使电路整体功耗降低；

b.在治疗状态下，大功率元器件均正常运行；在非治疗状态下，大功率元器件暂时停止运行，由此可降低其功耗。

所述控制模块根据电极温度检测电路反馈的温度T1、功放温度检测电路反馈的温度T2以及电流检测电路反馈的信号I，执行如下控制动作：

(1)当T2＞40℃时，控制风扇打开，当T2≤40℃时，控制风扇关闭；

(2)当满足条件一时，通过控制输出给数模转换器的信号的大小，使功率放大模块的输出电压从最低电压开始逐级递增至最高电压，在最高电压保持一段时间后，再逐级递减至最低电压，如此周期式运作；

(3)当满足条件二且不满足条件一时，通过控制输出给数模转换器的信号的大小，将功率放大模块的当前输出电压逐级降低至最低电压；

(4)当满足条件三且不满足条件二时，通过控制输出给数模转换器的信号的大小，使功率放大模块的输出电压直接降低至最低电压；

(5)当满足条件四时，通过控制输出给数模转换器的信号的大小，将功率放大模块的当前输出电压降一级；

(6)当满足条件五时，停止向数模转换器输出信号；

(7)当在最高电压下检测到I≤100mA或T2≤38℃时，提示装置故障；

其中，条件一为：25℃＜T1＜40℃且48℃＜T2＜60℃

条件二为：25℃＜T1＜42℃且48℃＜T2＜70℃

条件三为：25℃＜T1＜43℃且48℃＜T2＜80℃

条件四为：I＞900mA

条件五为：T1＞43℃、T2＞80℃，或I＞1200mA。

进一步的，所述最低电压为50V，最高电压为128V，每级增/减6V；所述周期式运作中，升至最高电压后保持7分钟，除此之外在每级电压下均保持0.5分钟。

进一步的，所述采样电阻两端之间还连接有限压保护电路，所述有效值芯片的输出端也连接有限压保护电路，所述限压保护电路为一对反向串联的稳压二极管。

上述实施例中，控制模块可以采用型号为STM32F103VET6的单片机，控制模块的所有控制动作均可通过本领域技术人员公知的简单编程实现，此处不再赘述。此外，电流检测电路中，隔离运算放大器可采用型号为AMC1300B的精密隔离放大器，有效值芯片可采用型号为AD637JRZ的高精度直流转换器。该电流检测电路可将100k-300kHz的中频信号转换成稳压直流信号。

总之，本装置具有温度检测和电流检测电路，可有效采集设备的工作状态，具有完善的安全保护功能，并能够输出大功率电场，可用于深层肿瘤的治疗。此外，本装置采用独特的周期式工作方式，能够在保证治疗效果的前提下减小发热。

需要指出的是，以上具体实施方式只是本专利实现方案的具体个例，没有也不可能覆盖本专利的所有实现方式，因此不能视作对本专利保护范围的限定；凡是与以上案例属于相同构思的实现方案，或是上述若干方案的组合方案，均在本专利的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于深部肿瘤的中频交变电场治疗装置，包括电极贴片和工作电路，其特征在于，还包括电极温度检测电路、功放温度检测电路、电流检测电路以及风扇，所述工作电路包括电源模块、控制模块、信号发生模块以及功率放大模块，所述风扇为功率放大模块散热，所述电极温度检测电路包括设于电极贴片上的热敏电阻，所述功放温度检测电路包括设于功率放大模块上的热敏电阻，所述信号发生模块包括直接数字频率合成模块、数模转换器、模拟合成电路、有源滤波电路以及信号放大电路；所述电源模块用于为工作电路提供电源，所述控制模块输出基准频率给直接数字频率合成模块，并输出一个用于调幅的数字信号给数模转换器，直接数字频率合成模块根据基准频率产生中频模拟信号，模拟合成电路将中频模拟信号和数模转换器输出的模拟信号进行合成，产生所需振幅的中频信号，有源滤波电路对模拟合成电路输出的中频信号进行滤波，信号放大电路对有源滤波电路输出的信号进行信号放大，功率放大模块对信号放大电路输出的信号进行功率放大并传输至电极贴片上；所述电极温度检测电路通过相应的热敏电阻感应电极贴片的温度，并把相应的温度检测信号反馈至控制模块，所述功放温度检测电路通过相应的热敏电阻感应功率放大模块的温度，并把相应的温度检测信号反馈至控制模块，所述电流检测电路用于检测功率放大模块输出信号的电流大小，并将电流检测信号反馈至控制模块；

所述电极温度检测电路和功放温度检测电路中，热敏电阻一端接地，另一端通过第一RC滤波器连接3V电源，并通过第二RC滤波器连接运算放大器的正输入端，运算放大器的正输入端还通过LC滤波器连接5V电源，运算放大器的输出端通过第三RC滤波器连接至所述控制模块，运算放大器的负输入端接地，并通过一电阻连接至运算放大器的输出端；第二、第三RC滤波器分别并联有一保护电路，所述保护电路为一对反向串联的稳压二极管；

所述功率放大模块的输出端串联有采样电阻；所述电流检测电路包括隔离运算放大器、减法器以及有效值芯片，其中，采样电阻的两端均通过滤波电路与隔离运算放大器连接，隔离运算放大器产生放大信号，并输出给减法器进一步将正弦交流信号进行放大，有效值芯片将放大后的正弦交流信号转换为稳定的直流信号，并反馈给控制模块；

所述控制模块根据电极温度检测电路反馈的温度T1、功放温度检测电路反馈的温度T2以及电流检测电路反馈的信号I，执行如下控制动作：

(1)当T2＞40℃时，控制风扇打开，当T2≤40℃时，控制风扇关闭；

(2)当满足条件一时，通过控制输出给数模转换器的信号的大小，使功率放大模块的输出电压从最低电压开始逐级递增至最高电压，在最高电压保持一段时间后，再逐级递减至最低电压，如此周期式运作；

(3)当满足条件二且不满足条件一时，通过控制输出给数模转换器的信号的大小，将功率放大模块的当前输出电压逐级降低至最低电压；

(4)当满足条件三且不满足条件二时，通过控制输出给数模转换器的信号的大小，使功率放大模块的输出电压直接降低至最低电压；

(5)当满足条件四时，通过控制输出给数模转换器的信号的大小，将功率放大模块的当前输出电压降一级；

(6)当满足条件五时，停止向数模转换器输出信号；

(7)当在最高电压下检测到I≤100mA或T2≤38℃时，提示装置故障；

其中，条件一为：25℃＜T1＜40℃且48℃＜T2＜60℃

条件二为：25℃＜T1＜42℃且48℃＜T2＜70℃

条件三为：25℃＜T1＜43℃且48℃＜T2＜80℃

条件四为：I＞900mA

条件五为：T1＞43℃、T2＞80℃，或I＞1200mA。

2.根据权利要求1所述的一种用于深部肿瘤的中频交变电场治疗装置，其特征在于，所述最低电压为50V，最高电压为128V，每级增/减6V；所述周期式运作中，升至最高电压后保持7分钟，除此之外在每级电压下均保持0.5分钟。

3.根据权利要求1所述的一种用于深部肿瘤的中频交变电场治疗装置，其特征在于，所述采样电阻两端之间还连接有限压保护电路，所述有效值芯片的输出端也连接有限压保护电路，所述限压保护电路为一对反向串联的稳压二极管。

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