CN111529059A - 一种移动式纳秒脉冲消融仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种移动式纳秒脉冲消融仪,包括底部装有万向轮的柜体,其特征在于,所述柜体的内部设有用于生成纳秒脉冲的脉冲发生系统,柜体的外部设有用于将纳秒脉冲递送到负载上的脉冲输出系统;所述的脉冲输出系统包括固定在柜体上的摇臂以及与摇臂末端固定的电极针接线盒,所述的电极针接线盒上设有电极针,所述的摇臂内设有传输线变压器,所述传输线变压器的一端与脉冲输送系统的输出端电连接,另一端与电极针接线盒电连接。本发明的消融仪,能够直接用于纳秒脉冲电场消融过程,使用方便,结构紧凑,具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于脉冲消融技术领域,尤其是涉及一种可应用于肿瘤组织消融的移动式纳秒脉冲消融仪。
背景技术
癌症是目前威胁人类寿命的主要因素,临床上,手术切除被认为是治疗某些恶性肿瘤的唯一手段。随着生物电磁领域的发展,脉冲电场消融技术作为一种非热消融手段受到学界的广泛关注。以细胞膜系统不可逆电穿孔为基础,分子生物学与医学影像学为辅助,脉冲电场消融技术通过向肿瘤组织递送高频高压短脉冲,使肿瘤组织处于强电场中,当细胞膜上出现持续性微孔时,细胞内部物质流出,细胞稳定性被破坏,递送脉冲区域细胞大量死亡,达到消融目的。
公开号为CN110179534A的中国专利文献公开了一种纳米刀消融电极,包括握持部,可滑动的安装在所述握持部内的推动部,与所述推动部的一端相连接的电极针,与所述电极针电连接的供电部,该发明通过可伸缩的电极针的设置,使电极针的暴露长度可调,以适应不同尺寸肿瘤的消融治疗。
目前用于临床的脉冲电场消融的纳米刀(Nanoknife),生成脉冲宽度在微秒级,临床使用过程中,由于脉宽较长,能量的持续性注入会导致电流泄漏到消融区域附近的肌肉组织中,诱发肌肉动作电位,出现肌肉震颤,造成治疗过程中电极针的移动和脱落,影响消融效果且可能造成周边组织的机械损伤。
为避免上述情况的发生,通常需在治疗前注射大量的肌松剂并对患者进行麻醉,风险性较大。纳秒脉冲电场消融的脉宽在纳秒级,脉冲峰值电压相同情况下,所需能量更少且能量更集中,肌肉震颤显著降低。
发明内容
本发明的目的是针对现有的脉冲电场消融设备存在的问题,提供了一种移动式纳秒脉冲消融仪,可用于向肿瘤组织递送高频高压纳秒脉冲信号,达到消融肿瘤组织的效果。
一种移动式纳秒脉冲消融仪,包括底部装有万向轮的柜体,所述柜体的内部设有用于生成纳秒脉冲的脉冲发生系统,柜体的外部设有用于将纳秒脉冲递送到负载上的脉冲输出系统;
所述的脉冲输出系统包括固定在柜体上的摇臂以及与摇臂末端固定的电极针接线盒,所述的电极针接线盒上设有电极针,所述的摇臂内设有传输线变压器,所述传输线变压器的一端与脉冲输送系统的输出端电连接,另一端与电极针接线盒电连接。
本发明的消融仪可采用市电进行供电,脉冲发生系统输出的纳秒脉冲信号通过传输线变压器及电极针递送到负载上,实现纳秒脉冲电场的消融,通过在柜体底部安装万向轮,使得该消融仪接在平坦的地面上自由移动,利于操作和运输。
所述的脉冲发生系统包括控制模块、充电模块和储能模块,其中,所述的控制模块用于控制产生脉冲并控制产生脉冲的参数,所述的充电模块用于给储能模块充电,所述的储能模块用于储存激发脉冲的能量并产生脉冲。
所述的充电模块包括:
调压器,由所述控制模块设定充电电压,用于按设定向全桥整流输出交流电压;
全桥整流,用于将交流电压整流为等压直流电压后输入谐振充电电路;
谐振充电电路,用于给储能模块充电,包括二极管、谐振电感、谐振电容、IGBT和升压变压器;通过所述控制模块调整IGBT的通断,调整输出脉宽、脉冲间隔及频率。
所述的储能模块包括:
空气火花开关,用于产生纳秒脉冲,包括高压极、触发极和低压极,当高压极与触发极、触发极与低压极间的电压高于击穿电压时,空气火花开关导通;
触发电路,用于为所述空气火花开关的触发极提供电势;
储能电容,用于存储所述充电模块输出的电能,与所述空气火花开关的高压极相连。
所述的摇臂为不锈钢材料的中空管,具有三个自由度,可在任意角度固定,能够在任意角度对肿瘤组织进行治疗。摇臂用于将传输线变压器限制在其内部。
所述的电极针为外部套设有聚四氟乙烯绝缘管的不锈钢针,所述不锈钢针的直径优选为0.9~1.1mm,也可以根据需要设置为其他直径;不锈钢针的前端部分伸出绝缘管,伸出长度优选为7~15mm,也可以根据需要设置为其他长度,不锈钢针的后端设有与电极针接线盒插接的插头。
电极针用于插入治疗组织,进行纳秒脉冲治疗,电极针的数量优选为两根,也可以根据需要设置为其它数量。
所述电极针接线盒的材质为聚四氟乙烯,所述的电极针接线盒上设有与不锈钢针后端的插头相配的电极插口。
优选地,所述的柜体采用不锈钢材料,可屏蔽系统内部产生的电磁干扰,不会对其他医疗器械造成影响。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
1、本发明可通过控制模块的设定,将市电经调压、整流、逆变、升压后经空气火花开关输出纳秒脉冲信号,并通过传输线变压器及电极针递送到负载上,实现纳秒脉冲电场消融;
2、本发明在使用过程中通过控制面板直接控制输出脉冲的频率、递送脉冲的次数,通过控制输入系统的电压、LGBT通断的时间间接控制输出脉冲的幅值、脉宽;发生紧急情况时,快速停止按键可以一键停止设备工作;
3、本发明使用市电作为电压源,简单易得,在装置内部完成调压、整流、逆变、升压经空气火花开关输出指数型脉冲信号,结构紧凑、布局合理;
4、本发明装置使用与负载阻抗匹配的传输线变压器,将指数型纳秒脉冲信号传输到负载上,且具有最高的能量传输效率;
5、本发明装置的电极针使用可插拔设计,便于手术过程中的安置和更换。
附图说明
图1为本发明的侧面结构示意图;
图2为本发明的电路框图;
图3为本发明的谐振充电电路电路图;
图4为本发明的空气火花开关结构示意图;
图5为本发明的电极针结构示意图;
图6为本发明在实验过程中输出波形的示意图。
图中:1-电极针接线盒;2-摇臂;3-电极针;4-传输线变压器;5-控制面板;6-空气火花开关;7-储能电容;8-全桥整流;9-谐振充电电路;10-触发电路;11-变压器;12-调压器;13-柜体;14-万向轮;15-谐振电感;16-二极管;17-第一谐振电容;18-第二谐振电容;19-第一IGBT;20-第二IGBT;21-高压极;22-触发极;23-低压极;24-绝缘套;25-电极针放电区域。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述,需要指出的是,以下所述实施例旨在便于对本发明的理解,而对其不起任何限定作用。
如图1所示,一种移动式纳秒脉冲消融仪,主要包括脉冲发生器、传输系统和移动系统。脉冲发生器用于纳秒脉冲的生成,传输系统用于将生成的纳秒脉冲递送到负载上,移动系统使得本设备可以在平坦的地面上移动。
其中,脉冲发生器各部分被固定在不锈钢的柜体13中,包括控制模块、充电模块和储能模块,具体地,控制模块包括控制面板5;储能模块包括空气火花开关6、储能电容7和触发电路10;充电模块包括全桥整流8、谐振充电电路9、变压器11和调压器12。
传输系统位于柜体13的上部,包括电极针接线盒1、摇臂2、可插拔式的电极针3和传输线变压器4。
移动系统位于柜体13的底部,包括4个万向轮14。
具体地,如图2所示,市电输出到控制面板5和调压器12,操作者在控制面板5上设定调压器12输出电压、IGBT开关通断时间、输出脉冲频率、输出脉冲个数。
具体地,调压器12按设定向全桥整流8输出交流电压,全桥整流8将交流电压整流为等压直流电压后输入谐振充电电路9,谐振充电电路9输出初级微秒脉冲为储能模块充电。
进一步地,如图3所示,谐振电感15限制电路中充电电流的大小和充电时间,保护IGBT;二极管16消除电路中产生的震荡电流;控制面板5控制第一IGBT19接通,第一谐振电容17为第二谐振电容18充电;第一IGBT19断开,第二IGBT20接通,第二谐振电容18放电,为储能模块充电。
具体地,从谐振充电电路9输出的信号经变压器11升压后进入储能电容7和触发电路10。
进一步地,如图4所示,储能电容7为空气火花开关高压极21提供电势,触发电路10为空气火花开关触发极22提供电势,当空气火花开关的高压极21和触发极22间电压高于空气击穿电压时,高压极21、触发极22导通,高压极21、触发极22电势相同,导致触发极22与低压极23间电压高于空气击穿电压,产生纳秒脉冲信号。信号从低压极23进入传输线变压器4。
具体地,传输线变压器4被限制在摇臂2中,摇臂2具有3个自由度,电极针接线盒1在摇臂2的末端用于连接传输线变压器4和电极针3。
进一步地,传输线变压器4与负载阻抗匹配,输出纳秒脉冲信号不会发生畸变且能量传输效率达到最高。
进一步地,如图5所示,电极针3结合B超插入待处理组织区,电极针被聚四氟乙烯的绝缘套24包被,尖端的电极针放电区域25长度为10mm。
利用本实施例中的移动式纳秒脉冲消融仪进行猪肝脏消融的实验,实验过程中,电极针经B超定位,由表皮插入猪肝脏中,调整输入电压160V,频率20Hz,利用示波器对输出波形进行观察,输出波形如图6所示,横坐标为时间(Time),纵坐标为输出的电压(OutputVoltage),图中,脉冲幅值15.3kV,半高宽脉宽10ns,下降沿(10%~90%)50ns以内。消融过程中未出现明显肌肉震颤,消融过后猪生化指标正常,肝脏出现清晰消融边界。通过调整输入电压、IGBT开关通断时间、频率,可输出脉冲幅值500~30000V,脉宽30ns~100μs,重复频率0.1~100Hz的脉冲信号。
由上述结果可见:本发明装置可输出脉冲幅值更高,脉宽范围更大,重复频率可调的指数型纳秒脉冲,使用过程中可以有效避免电流泄露产生的肌肉震颤,并具有显著消融效果,有效满足临床需求。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明,应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例,并不用于限制本发明,凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种移动式纳秒脉冲消融仪,包括底部装有万向轮的柜体,其特征在于,所述柜体的内部设有用于生成纳秒脉冲的脉冲发生系统,柜体的外部设有用于将纳秒脉冲递送到负载上的脉冲输出系统;
所述的脉冲输出系统包括固定在柜体上的摇臂以及与摇臂末端固定的电极针接线盒,所述的电极针接线盒上设有电极针,所述的摇臂内设有传输线变压器,所述传输线变压器的一端与脉冲输送系统的输出端电连接,另一端与电极针接线盒电连接。
2.根据权利要求1所述的移动式纳秒脉冲消融仪,其特征在于,所述的脉冲发生系统包括控制模块、充电模块和储能模块,其中,所述的控制模块用于控制产生脉冲并控制产生脉冲的参数,所述的充电模块用于给储能模块充电,所述的储能模块用于储存激发脉冲的能量并产生脉冲。
3.根据权利要求2所述的移动式纳秒脉冲消融仪,其特征在于,所述的充电模块包括:
调压器,由所述控制模块设定充电电压,用于按设定向全桥整流输出交流电压;
全桥整流,用于将交流电压整流为等压直流电压后输入谐振充电电路;
谐振充电电路,用于给储能模块充电,包括二极管、谐振电感、谐振电容、IGBT和升压变压器;通过所述控制模块调整IGBT的通断,调整输出脉宽、脉冲间隔及频率。
4.根据权利要求2所述的移动式纳秒脉冲消融仪,其特征在于,所述的储能模块包括:
空气火花开关,用于产生纳秒脉冲,包括高压极、触发极和低压极,当高压极与触发极、触发极与低压极间的电压高于击穿电压时,空气火花开关导通;
触发电路,用于为所述空气火花开关的触发极提供电势;
储能电容,用于存储所述充电模块输出的电能,与所述空气火花开关的高压极相连。
5.根据权利要求1所述的移动式纳秒脉冲消融仪,其特征在于,所述的摇臂为不锈钢材料的中空管,具有三个自由度。
6.根据权利要求1所述的移动式纳秒脉冲消融仪,其特征在于,所述的电极针为外部套设有聚四氟乙烯绝缘管的不锈钢针,所述不锈钢针的直径为0.9~1.1mm,不锈钢针的前端部分伸出绝缘管,伸出长度为7~15mm,不锈钢针的后端设有与电极针接线盒插接的插头。
7.根据权利要求6所述的移动式纳秒脉冲消融仪,其特征在于,所述电极针接线盒的材质为聚四氟乙烯,所述的电极针接线盒上设有与不锈钢针后端的插头相配的电极插口。
8.根据权利要求1所述的移动式纳秒脉冲消融仪,其特征在于,所述的柜体采用不锈钢材料。
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