CN111938803A - 低温等离子消融功率控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种低温等离子消融功率控制方法及系统，涉及消融医疗器械技术领域，上述控制方法包括如下步骤：根据激发介质特征参数，计算维持设定厚度等离子体薄层所需的能量平均输出功率及激发等离子体所需的能量最佳瞬时输出功率；基于所述平均输出功率及瞬时输出功率，生成脉冲功率信号；检测等离子体的激发状态，并根据上述激发状态控制脉冲功率信号的输出状态，通过将等离子消融仪中射频能量输出单元的功率输出模式由恒定功率输出转化为脉冲功率输出，在保证安全性的前提下有效缩短消融电极端头等离子体的激发时间，提升激发效率；通过预先的参数存储设置，消融手术过程中用户可快速调节得到适宜的瞬时输出功率，高效便捷，可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及消融医疗器械技术领域，更具体地说，它涉及一种低温等离子消融功率控制方法及系统。
背景技术
在医学领域中，等离子射频消融技术已经应用得十分广泛，等离子消融技术是以100~120KHz超低频率射频能量激发介质（NaCl）产生等离子体，靠射频技术产生的能量打断分子键，将蛋白质等生物大分子直接裂解成O2，CO2，N2等气体，从而完成对组织的切割、打孔、消融、皱缩和止血等多种操作。
利用等离子射频消融系统完成上述治疗的关键在于等离子体的激发，现有技术中，利用100KHz超低频率的稳定电场，将Nacl等电解液激发成低温等离子体，在电极前形成厚度为100微米的等离子体薄层。在100KHz超低频稳定电场下，等离子体中的粒子——正负离子，会获得更长的加速时间，粒子加速运动最终形成带有足够动能的高速带电粒子。
上述现有技术，在实际应用中却存在着诸多问题，例如，当等离子消融电极插入到患者病灶位置所在的组织时，为了减轻患者的痛苦并缩短微创治疗所需的时间，我们总是希望能够在短时间内激发获得上述等离子体，以便快速实现对病灶组织的消融或凝固处理。但是，根据现有技术的启示，为了在短时间内获得高速等离子体，则必然需要提高等离子体薄层中的电场能量，例如提升射频能量的频率，如提高至500KHz，而上述频率的提升会使得离子处于往复运动状态，加速分子摩擦进而产生较强的热效应，治疗时容易对正常的人体组织造成损伤。显然，如何在短时间内完成等离子体的激发并且降低热效应，是当前亟待解决的问题。
发明内容
针对实际运用中存在的问题，本发明目的一在于提出一种低温等离子消融功率控制方法，主要针对等离子消融系统的激发功率进行更为合理有效的控制，进而在短时间内激发出消融所需的等离子体，目的二在于提供一种实现上述方法的等离子消融系统，具体方案如下：
一种低温等离子消融功率控制方法，包括如下步骤：
S100,根据激发介质特征参数，计算维持设定厚度等离子体薄层所需的能量平均输出功率，以及激发等离子体所需的能量最佳瞬时输出功率；
S200,基于所述平均输出功率及瞬时输出功率，生成脉冲功率信号；
S300,检测等离子体的激发状态，并根据上述激发状态控制脉冲功率信号的输出状态。
通过上述技术方案，将等离子消融仪的能量激发方式由现有的恒定功率输出改为脉冲式功率输出，在保证平均功率不变的前提下提升等离子体的激发效率，能够在短时间内于消融电极端头激发出等离子体并且不产生过大的热效应，而后根据等离子体的激发效果调节能量输出方式，使消融电极端头能够维持设定厚度的等离子体薄层，利于后期消融治疗作业的开展。
进一步的,所述步骤S100中，计算激发等离子体所需的能量最佳瞬时输出功率包括：
S110，基于设定的安全温度范围，计算并生成允许的最大能量瞬时输出功率P1以及持续时间t1；
S120，基于激发介质特征参数，计算并生成激发等离子体所需的最小能量瞬时输出功率P2以及持续时间t2；
S130，根据上述P1、P2以及t1、t2生成用于表征瞬时输出功率与持续时间之间对应关系的曲线；
S140，基于用户选定于上述曲线范围内生成最佳瞬时输出功率P0。
通过上述技术方案，能够在最短的时间内确认出等离子消融仪瞬时输出功率的安全区间，而后由用户根据手术现场的实际情况于上述安全区间内选定瞬时输出功率，由此提升等离子体激发效率的同时保证消融手术的安全性。
进一步的,所述检测等离子体的激发状态，包括：
检测电极端头的温度，根据所述温度的变化判定等离子是否稳定激发。
通过上述技术方案，能够方便地采集到电极端头等离子体的激发状态。
进一步的,步骤S300中，所述根据上述激发状态控制脉冲功率信号的输出状态，包括：
S310，当检测到电极端头的等离子体稳定激发后，将输入的脉冲功率信号转变为恒定功率信号；
S320，基于设定的平均输出功率恒定输出能量至电极端头。
通过上述技术方案，能够在电极端头激发出等离子体后迅速地改变能量的输出方式，便于在电极端头形成稳定的等离子体薄层，利于后续消融步骤的开展。
进一步的,步骤S300，还包括：
S330，存储等离子体激发状态与脉冲功率信号之间的关联关系；
S340，检测电极端头的等离子体激发状态，基于其与脉冲功率信号之间的关联关系，实时修正调节所述脉冲功率信号。
通过上述技术方案，使得等离子消融仪的功率输出能够基于设定的标准数据，根据消融手术中的实际情况进行适应性调节，利于消融手术的开展，提升消融效果。
进一步的,所述步骤S100，还包括：
S101，建立激发介质特征参数、等离子体薄层厚度、平均输出功率以及最佳瞬时输出功率之间的关联关系表；
S102，基于上述关联关系表，选定平均输出功率及其对应的两端点值；
S103，自上述两端点值的中间值输出功率，直至等离子体被激发，获取用时最短或输出频率最低的脉冲输出功率作为所述最佳瞬时输出功率。
通过上述技术方案，可以在安全区间内快速锁定用时最短或输出频率最低的脉冲输出功率作为瞬时输出功率，利于提升等离子体的激发效率。
一种等离子消融功率控制系统，设置于等离子消融仪中，配置有能量输出控制单元，所述能量输出控制单元包括：
存储模块，用于存储激发介质特征参数、等离子体薄层厚度、平均输出功率以及最佳瞬时输出功率之间的关联关系数据；
数据处理模块，基于上述平均输出功率及瞬时输出功率，根据设定算法计算生成脉冲功率信号；
控制信号输出模块，配置为与等离子消融仪中的射频能量输出单元控制连接，且与所述数据处理模块信号连接，接收并响应于所述脉冲功率信号，生成并输出功率控制信号。
通过上述技术方案，将相关关联数据事先存储在存储模块中，在使用时可以快速地调取相关的数据进行处理，在数据处理模块中配置设定的算法，根据限定条件计算平均输出功率对应的瞬时输出功率，将恒定输出功率改为脉冲输出功率，有利于等离子体的高效准确激发。
进一步的,所述能量输出控制单元还配置有反馈调节模块，所述反馈调节模块包括：
激发状态检测子模块，配置于所述数据处理模块中，与电极端头的测温元件信号连接，接收并响应于所述测温元件输出的测温信号，判定电极端头等离子体的激发状态；
激发状态调节子模块，配置于所述数据处理模块中，与所述激发状态检测子模块及控制信号输出模块信号连接，接收并根据电极端头等离子体的激发状态，输出功率控制信号。
通过上述技术方案，在消融治疗过程中，可以根据消融电极端头的温度判定等离子体的激发状态，并根据上述激发状态调节射频能量输出单元的输出功率，以适应于现场消融治疗的需要。
进一步的,所述数据处理模块与等离子消融仪的人机交互单元信号连接；
所述数据处理模块还配置有瞬时输出功率适配子模块，所述瞬时输出功率适配子模块基于存储模块中配置的关联关系数据，生成并输出一瞬时输出功率适配范围至所述人机交互单元，并根据人机交互单元的输入信号调节控制信号输出模块的功率控制信号。
通过上述技术方案，用户能够根据系统提供的安全功率输出范围，自行选择相应的瞬时输出功率。
进一步的,所述能量输出控制单元中还配置有预警中断模块，所述预警中断模块包括设置于射频能量输出单元与电极端头之间的继电器装置以及控制上述继电器装置通断的通断触发器，所述通断触发器与所述测温元件的测温信号输出端信号连接，当测温信号超过设定范围时控制所述继电器装置断开连接。
通过上述技术方案，当消融电极端头的温度过高时，系统可以自主关断射频能量输出单元与电极端头之间的电连接，保证消融手术的安全性。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
通过将等离子消融仪中射频能量输出单元的功率输出模式由恒定功率输出转化为脉冲功率输出，在保证安全性的前提下有效缩短了消融电极端头等离子体的激发时间，提升了激发效率；并且，通过预先的参数存储设置，使得消融手术过程中用户可以快速得到适宜的瞬时输出功率，且可以根据需要实时调节消融参数，高效便捷，可靠性高。
附图说明
图1为本发明低温等离子消融功率控制方法的示意图；
图2为计算激发等离子体所需的能量最佳瞬时输出功率的方法示意图；
图3为选定最佳瞬时输出功率的方法示意图；
图4为根据激发状态控制脉冲功率信号输出状态的方法示意图；
图5为本等离子消融仪与消融电极的配合示意图；
图6为等离子消融功率控制系统的整体框架示意图；
图7为等离子消融功率控制系统外围控制组件框架示意图。
附图标记：1、能量输出控制单元；10、存储模块；11、数据处理模块；111、瞬时输出功率适配子模块；12、控制信号输出模块；13、反馈调节模块；131、激发状态检测子模块；132、激发状态调节子模块；14、预警中断模块；141、通断触发器；142、继电器装置；2、射频能量输出单元；3、测温元件；4、人机交互单元；5、等离子消融仪；6、电极端头。
具体实施方式
人体是由许多有机和无机物质构成的复杂结构，体液中含有大量的电介质，如离子、水、胶体微粒等，人体主要依靠离子移动传导电流。等离子消融技术就是利用人体中的离子形成等离子体薄层，解离靶组织中构成细胞成分的分子键，造成组织凝固性坏死，形成消融或切割的治疗效果。
在实践中，为了产生设定厚度的等离子体薄层，通常是在钛金治疗头，即消融电极（双极或多极形成电压差）上施加具备设定参数的电能，上述电能由等离子消融仪5通过电导线传导至消融电极上，由此在消融电极端头6周围形成一个高度聚集的等离子体区。显然，当消融电极深入到人体病灶部位时，快速地激发出等离子体并维持设定厚度的等离子体薄层，对消融手术的顺利进行有着至关重要的作用。
下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。
一种低温等离子消融功率控制方法，如图1所示，主要包括如下步骤：
S100,根据激发介质特征参数，计算维持设定厚度等离子体薄层所需的能量平均输出功率，以及激发等离子体所需的能量最佳瞬时输出功率；
S200,基于所述平均输出功率及瞬时输出功率，生成脉冲功率信号；
S300,检测等离子体的激发状态，并根据上述激发状态控制脉冲功率信号的输出状态。
上述步骤S100中，激发介质即人体内的电介质，也可以是在消融时由外部输入至人体内的电介质，如生理盐水等。不同的激发介质特征参数对应有不同的激发临界点，维持不同厚度等离子体薄层所需的能量平均输出功率也是不同的，上述平均输出功率可以在实验状态下得到并记录。
详述的,如图2所示，所述步骤S100中，计算激发等离子体所需的能量最佳瞬时输出功率包括：
S110，基于设定的安全温度范围，计算并生成允许的最大能量瞬时输出功率P1以及持续时间t1；
S120，基于激发介质特征参数，计算并生成激发等离子体所需的最小能量瞬时输出功率P2以及持续时间t2；
S130，根据上述P1、P2以及t1、t2生成用于表征瞬时输出功率与持续时间之间对应关系的曲线；
S140，基于用户选定于上述曲线范围内生成最佳瞬时输出功率P0。
上述技术方案能够在最短的时间内确认出等离子消融仪5瞬时输出功率的安全区间，而后由用户根据手术现场的实际情况于上述安全区间内选定瞬时输出功率，由此提升等离子体激发效率的同时保证消融手术的安全性。
优化的,所述步骤S100，如图3所示，还包括：
S101，建立激发介质特征参数、等离子体薄层厚度、平均输出功率以及最佳瞬时输出功率之间的关联关系表；
S102，基于上述关联关系表，选定平均输出功率及其对应的两端点值；
S103，自上述两端点值的中间值输出功率，直至等离子体被激发，获取用时最短或输出频率最低的脉冲输出功率作为所述最佳瞬时输出功率。
上述步骤S101中，关联关系表对应存储于相应的存储器中，在使用时直接调用对应的关系数据，能够快速地得到系统响应，获取到最佳的参数。
上述技术方案可以在安全区间内快速锁定用时最短或输出频率最低的脉冲输出功率作为瞬时输出功率，利于提升等离子体的激发效率。
上述步骤S200,基于所述平均输出功率及瞬时输出功率，生成脉冲功率信号。一般而言，脉冲波平均输出功率为峰值功率、脉冲宽度、重复频率三者的乘积，当平均输出功率确定后，则对应的调整后三者的参数即可。
在本发明中,检测等离子体的激发状态包括：检测电极端头6的温度，根据所述温度的变化判定等离子是否稳定激发。在实践中，上述电极端头6的温度检测可以通过设置于电极端头6的热电偶实现。通过上述技术方案能够方便地采集到电极端头6等离子体的激发状态。
详述的,步骤S300中，所述根据上述激发状态控制脉冲功率信号的输出状态，如图4所示，包括：
S310，当检测到电极端头6的等离子体稳定激发后，将输入的脉冲功率信号转变为恒定功率信号；
S320，基于设定的平均输出功率恒定输出能量至电极端头6。
上述技术方案能够在电极端头6激发出等离子体后迅速地改变能量的输出方式，便于在电极端头6形成稳定的等离子体薄层，利于后续消融步骤的开展。
为了使得等离子消融仪5的功率输出能够基于设定的标准数据，根据消融手术中的实际情况进行适应性调节，利于消融手术的开展，提升消融效果，进一步的,步骤S300还包括：
S330，存储等离子体激发状态与脉冲功率信号之间的关联关系；
S340，检测电极端头6的等离子体激发状态，基于其与脉冲功率信号之间的关联关系，实时修正调节所述脉冲功率信号。
本发明方案的原理及有益效果在于：
将等离子消融仪5的能量激发方式由现有的恒定功率输出改为脉冲式功率输出，在保证平均功率不变的前提下提升等离子体的激发效率，能够在短时间内于消融电极端头6激发出等离子体并且不产生过大的热效应，而后根据等离子体的激发效果调节能量输出方式，使消融电极端头6能够维持设定厚度的等离子体薄层，利于后期消融治疗的开展。
为实现上述等离子消融功率控制方法，本发明还提出了一种等离子消融功率控制系统，设置于等离子消融仪5中，如图6和图7所示，配置有能量输出控制单元1，所述能量输出控制单元1主要包括：存储模块10、数据处理模块11以及控制信号输出模块12。
存储模块10用于存储激发介质特征参数、等离子体薄层厚度、平均输出功率以及最佳瞬时输出功率之间的关联关系数据，在实际应用中，上述存储模块10可以采用与处理器相连接的存储芯片及其相关数据输入输出接口电路实现。
数据处理模块11基于上述平均输出功率及瞬时输出功率，根据设定算法计算生成脉冲功率信号。在本发明中，上述数据处理模块11可以采用单片机或专用DSP芯片实现，将对应的算法配置于上述DSP芯片中，根据输入数据进行计算，而后快速输出结果。为了快速获取相关关联数据，本发明中，上述数据处理模块11与所述存储模块10通过有线或无线的方式数据连接。
控制信号输出模块12配置为与等离子消融仪5中的射频能量输出单元2控制连接，且与所述数据处理模块11信号连接，接收并响应于所述脉冲功率信号，生成并输出功率控制信号。在实际应用中，等离子消融仪5的射频能量输出单元2由隔离变压线圈以及多级放大电路组成，并由微处理器，即数据处理模块11控制能量的输出。由于等离子消融仪5中的射频能量输出单元2在现有技术中已经有许多应用，在此不再赘述。
所述能量输出控制单元1还配置有反馈调节模块13，所述反馈调节模块13包括激发状态检测子模块131以及激发状态调节子模块132。
上述激发状态检测子模块131配置于所述数据处理模块11中，与电极端头6的测温元件3信号连接，接收并响应于所述测温元件3输出的测温信号，判定电极端头6等离子体的激发状态。在实践中，上述测温元件3优选采用热电偶以及对应的数模转换电路实现，热电偶采集到因电极端头6温度变化而产生的电压变化信号，而后经数模转换电路将上述电压变化信号转换为数字信号输送至数据处理模块11中处理。
激发状态调节子模块132配置于所述数据处理模块11中，与所述激发状态检测子模块131及控制信号输出模块12信号连接，接收并根据电极端头6等离子体的激发状态，输出功率控制信号。上述控制实质为一种闭环反馈控制，通过实时检测电极端头6的激发状态变化，即温度变化，控制能量输出控制单元1的动作。
基于上述技术方案，在消融治疗过程中，可以根据消融电极端头6的温度判定等离子体的激发状态，并根据上述激发状态调节射频能量输出单元2的输出功率，以适应于现场消融治疗的需要。
为了方便用户在安全范围内自行选择对应的瞬时输出功率，优化的，所述数据处理模块11与等离子消融仪5的人机交互单元4信号连接。上述人机交互单元4包括等离子消融仪5上设置的控制信号输入按键、触摸显示屏等。为了便于用户选择相应的参数，数据处理模块11还配置有瞬时输出功率适配子模块111，所述瞬时输出功率适配子模块111基于存储模块10中配置的关联关系数据，生成并输出一瞬时输出功率适配范围至所述人机交互单元4。而后数据处理模块11根据人机交互单元4的输入信号调节控制信号输出模块12的功率控制信号。
为了保证等离子消融仪5工作的安全性与可靠性，所述能量输出控制单元1中还配置有预警中断模块14，所述预警中断模块14包括设置于射频能量输出单元2与电极端头6之间的继电器装置142以及控制上述继电器装置142通断的通断触发器141，所述通断触发器141与所述测温元件3的测温信号输出端信号连接，当测温信号超过设定范围时控制所述继电器装置142断开连接。在一实施方式中，上述测温信号若为模拟信号，则可以利用比较器芯片与设定值做比较，当测温信号超过设定值时输出高电平信号，上述高电平信号经过放大后输出至通断触发器141，所述通断触发器141可以直接配置为继电器装置142中的电磁线圈，由此当消融电极端头6的温度过高时，系统可以自主关断射频能量输出单元2与电极端头6之间的电连接，保证消融手术的安全性。上述测温信号若为数字信号，则可以直接通过微处理器判断其与设定值之间的大小关系并输出相应的信号至通断触发器141。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种低温等离子消融功率控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S100,根据激发介质特征参数，计算维持设定厚度等离子体薄层所需的能量平均输出功率，以及激发等离子体所需的能量最佳瞬时输出功率；
S200,基于所述平均输出功率及瞬时输出功率，生成脉冲功率信号；
S300,检测等离子体的激发状态，并根据上述激发状态控制脉冲功率信号的输出状态。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于,所述步骤S100中，计算激发等离子体所需的能量最佳瞬时输出功率包括：
S110，基于设定的安全温度范围，计算并生成允许的最大能量瞬时输出功率P1以及持续时间t1；
S120，基于激发介质特征参数，计算并生成激发等离子体所需的最小能量瞬时输出功率P2以及持续时间t2；
S130，根据上述P1、P2以及t1、t2生成用于表征瞬时输出功率与持续时间之间对应关系的曲线；
S140，基于用户选定于上述曲线范围内生成最佳瞬时输出功率P0。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述检测等离子体的激发状态，包括：
检测电极端头(6)的温度，根据所述温度的变化判定等离子是否稳定激发。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S300中，所述根据上述激发状态控制脉冲功率信号的输出状态，包括：
S310，当检测到电极端头(6)的等离子体稳定激发后，将输入的脉冲功率信号转变为恒定功率信号；
S320，基于设定的平均输出功率恒定输出能量至电极端头(6)。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S300，还包括：
S330，存储等离子体激发状态与脉冲功率信号之间的关联关系；
S340，检测电极端头(6)的等离子体激发状态，基于其与脉冲功率信号之间的关联关系，实时修正调节所述脉冲功率信号。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S100，还包括：
S101，建立激发介质特征参数、等离子体薄层厚度、平均输出功率以及最佳瞬时输出功率之间的关联关系表；
S102，基于上述关联关系表，选定平均输出功率及其对应的两端点值；
S103，自上述两端点值的中间值输出功率，直至等离子体被激发，获取用时最短或输出频率最低的脉冲输出功率作为所述最佳瞬时输出功率。
7.一种等离子消融功率控制系统，设置于等离子消融仪(5)中，配置有能量输出控制单元(1)，其特征在于，所述能量输出控制单元(1)包括：
存储模块(10)，用于存储激发介质特征参数、等离子体薄层厚度、平均输出功率以及最佳瞬时输出功率之间的关联关系数据；
数据处理模块(11)，基于上述平均输出功率及瞬时输出功率，根据设定算法计算生成脉冲功率信号；
控制信号输出模块(12)，配置为与等离子消融仪(5)中的射频能量输出单元(2)控制连接，且与所述数据处理模块(11)信号连接，接收并响应于所述脉冲功率信号，生成并输出功率控制信号。
8.根据权利要求7所述的等离子消融功率控制系统，其特征在于，所述能量输出控制单元(1)还配置有反馈调节模块(13)，所述反馈调节模块(13)包括：
激发状态检测子模块(131)，配置于所述数据处理模块(11)中，与电极端头(6)的测温元件(3)信号连接，接收并响应于所述测温元件(3)输出的测温信号，判定电极端头(6)等离子体的激发状态；
激发状态调节子模块(132)，配置于所述数据处理模块(11)中，与所述激发状态检测子模块(131)及控制信号输出模块(12)信号连接，接收并根据电极端头(6)等离子体的激发状态，输出功率控制信号。
9.根据权利要求7所述的等离子消融功率控制系统，其特征在于，所述数据处理模块(11)与等离子消融仪(5)的人机交互单元(4)信号连接；
所述数据处理模块(11)还配置有瞬时输出功率适配子模块(111)，所述瞬时输出功率适配子模块(111)基于存储模块(10)中配置的关联关系数据，生成并输出一瞬时输出功率适配范围至所述人机交互单元(4)，并根据人机交互单元(4)的输入信号调节控制信号输出模块(12)的功率控制信号。
10.根据权利要求8所述的等离子消融功率控制系统，其特征在于，所述能量输出控制单元(1)中还配置有预警中断模块(14)，所述预警中断模块(14)包括设置于射频能量输出单元(2)与电极端头(6)之间的继电器装置(142)以及控制上述继电器装置(142)通断的通断触发器(141)，所述通断触发器(141)与所述测温元件(3)的测温信号输出端信号连接，当测温信号超过设定范围时控制所述继电器装置(142)断开连接。
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