CN112263323A - 一种阻抗测量装置及消融设备、生成阻抗图谱的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及消融设备技术领域，提供了一种阻抗测量装置及消融设备、生成阻抗图谱的方法，该阻抗测量装置，包括至少一对分段式电极针，以及与所述的分段式电极针相连的检测电路；所述分段式电极针包括绝缘针体、设于所述针体的端部表面的导电部以及嵌于所述针体内的导线，所述导线用以连接所述导电部；所述导电部至少设有三个，所述导电部所述针体表面沿轴向相间设置；所述分段式电极相互平行设置；所述检测电路包括电压参考电路，高压开关阵列电路，电流采样电路，以及控制电路；能够通过分段式电极将消融靶区细化，能够获得区域阻抗并形成消融靶区的阻抗图谱，通过阻抗图谱方便操作人员直观的观察消融靶区内阻抗分布情况。

Description

一种阻抗测量装置及消融设备、生成阻抗图谱的方法
技术领域
本发明涉及消融设备技术领域，具体涉及一种阻抗测量装置及消融设备、生成阻抗图谱的方法。
背景技术
随着生物电磁学技术的不断发展，采用高压电脉冲治疗肿瘤技术逐渐被认可和接受。现有的高压脉冲消融设备多采用微秒脉冲或纳秒脉冲。微秒脉冲脉宽为微秒(uS)级别，电场等级为1.5-2.0KV/cm,主要以破坏细胞膜至细胞凋亡原理为主，脉宽调节范围10-100uS，电压调节范围500-3000V，消融范围限制在3cm内，双针针距控制在2.2cm内。而纳秒脉冲技术的脉宽为纳秒(nS)级别，电场强度等级在10KV/cm以上，主要以破坏细胞核、线粒体至细胞凋亡原理为主。固定脉宽300nS左右，脉宽不可调，消融范围限制在3cm内。
在使用以上消融设备对组织进行消融的过程中，需要实时反馈组织的消融范围和边界，以及实时识别消融靶区的阻抗变化。消融范围大多通过影像直接观测，而对于消融靶区的阻抗则是在释放消融脉冲的过程中直接测量，或在释放消融脉冲的间隙中通过恒流源和电压采样来确认，或是通过恒压源和电流采样来确认。这种间接测量的方式，多直接利用消融电极来获得电压和电流。
由于现有电极的放电段多是一整块的，测出来的阻抗仅仅是一个数值，并不能反应消融靶区内阻抗的分布情况，因此该方法获取的消融靶区内阻抗的信息有限，急需一种阻抗测量装置及消融设备、生成阻抗图谱的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述通过现有消融电极针检测消融靶区的阻抗的方式存在缺陷，提供了一种阻抗测量装置及消融设备、生成阻抗图谱的方法。
为实现上述目的，本发明在第一方面提供了：一种阻抗测量装置，包括至少一对分段式电极针，以及与所述的分段式电极针相连的检测电路；所述分段式电极针包括绝缘针体、设于所述针体的端部表面的导电部以及嵌于所述针体内的导线，所述导线用以连接所述导电部；所述导电部至少设有三个，所述导电部所述针体表面沿轴向相间设置；所述检测电路包括：电压参考电路，用于产生脉冲电压；高压开关阵列电路，包括多个高压继电器，高压继电器与所述导线一一对应并相连，用以连接所述电压参考电路和所述导电部；电流采样电路，串接在所述导电部上，用以在所述导电部导通时采集其电流大小；以及控制电路，用以控制电压参考电路调制脉冲电压、控制高压开关阵列电路内高压继电器的通断，并接受电流采样电路采集的电流大小、计算阻抗值。
本发明进一步优选方案为：所述导电部为导电环，所述导电环嵌在所述针体的表面；所述导电环的宽度均相等。
本发明进一步优选方案为：所述针体内还设有用于支撑所述针体的针芯。
本发明进一步优选方案为：所述电压参考电路包括直流电源、开关驱动电路、闸流管电路、储能电路以及隔离变压器。
本发明进一步优选方案为：所述的阻抗测量装置还包括显示屏，所述显示屏与所述控制电路相连，用以根据所检测阻抗值在消融靶区的影像上通过像素的色彩和明暗显示出来并形成消融靶区的阻抗图谱。
本发明在第二方面提供了一种消融设备，包括如第一方面所述的阻抗测量装置，所述电压参考电路的直流电源为高压可调直流电源，所述消融设备通过高压可调直流电源调制消融脉冲和用于检测阻抗的参考电压。
本发明进一步优选方案为：所述电压参考电路包括两组开关驱动电路、闸流管电路、储能电路以及隔离变压器，其中一组配合所述高压可调直流电源生成微秒脉冲，另一组配合所述高压可调直流电源生成纳秒脉冲。
本发明在第三方面提供了一种生成阻抗图谱的方法，使用了如第一方面所述阻抗测量装置来检测阻抗，所述生成阻抗图谱的方法包括：通过所述阻抗测量装置测得与各个导电部相对应的分段阻抗；将与各个导电部相对应的分段阻抗值转化成图形或图像；在所述显示屏上显示与各个分段阻抗值相对应的图形或图像。
本发明进一步优选方案为：与各个导电部相对应的分段阻抗是由第一分段阻抗、第二分段阻抗和第三分段阻抗按照各个分段阻抗的面积比例转换获得；所述第一分段阻抗为R1，是通过两个分段式电极针间相正对的导电部获得；所述第二分段阻抗和第三分段阻抗分别为R2和R3，是通过两个分段式电极针间相错位的导电部获得。
本发明进一步优选方案为：与所述第一分段阻抗、所述第二分段阻抗和第三分段阻抗相对应的面积分别为S1、S2和S3；与各个导电部相对应的分段阻抗
Figure BDA0002712527070000021
按照以下公式转换
Figure BDA0002712527070000022
其中S4是S2和S1的交叉面积，S5是S3和S1的交叉面积。
综上所述，本发明具有以下有益效果：通过分段式电极能够将原来电极间的阻抗划分成多段，经过优化过程得到阻抗数集，将消融靶区的组织阻抗的变化分辨率提高了数倍倍，但是由于人体组织非匀质，而且组织内存在血管等与其他组织生物电阻率有明显差异的管状组织，使得组织的阻抗测量有方向性的影响，为了减少单个方向测量阻抗对整个阻抗的偏差，所以引入按照倾斜角±θ方向(即错位测量)施加电场的方法用来修正完善生物组织阻抗，而且并不增加电极针的制造难度。而获得和实际阻抗偏差最小的阻抗，能更加真实的反应实际阻抗，从而给治疗参数的选定提供更准确的依据。同时，在治疗(消融)过程中定期测量阻抗，然后根据阻抗的变化调整到最佳的治疗参数，以期实现更好的治疗效果。
附图说明
图1是实施例1中所述分段式电极针的结构示意图。
图2是图1中A-A处的截面图。
图3是实施例1中所述分段式电极针在轴向上的截面图。
图4是实施例2中所述阻抗测量装置及消融设备的结构框图。
图5是阻抗检测示意图。
图6是对应分段阻抗的示意图。
其中：100、针体；200、导电部；300、导线；400、针芯；410、针尖。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
如图1-3所示，本实施例中提供了一种分段式电极针，包括绝缘针体100、设于所述针体100的端部表面的导电部200以及嵌于所述针体100内的导线300，所述导线300与导电部200一一对应并相连。所述导电部200至少设有三个，所述导电部200沿所述针体100表面依次轴向等距设置，即相邻的两个导电部200之间的间距均相等。
在本实施例中，所述导电部200为导电环，导电环和导线300均设有六个。所述导电环嵌在所述针体100的表面内有一定的深度，并且导电环裸露在外的表面与针体100的表面保持齐平，保持电极针外侧壁在视觉感官上的一致性。六个导电环的宽度均相等，相邻的导电环之间的间距均相等。
为了保持电极针具有一定的柔韧度，在所述针体100内还设有用于支撑所述针体100的针芯400。所述针芯400位于所述针体100的轴心处，所述针芯400的端部露出所述针体100并形成针尖410。所述导线300以针芯400为中心于所述针体100内圆周均布，且导线300位于针芯400和导电环之间。导线300从电极针末端向首端的针尖410延伸，并在途中一一向外弯曲，与针体100表面的导电环一一相连。
实施例2：
如图4所示，本实施例中提供了一种阻抗测量装置及应用该装置的消融设备。该阻抗测量装置，包括至少一对如实施例1中任一项所述的分段式电极针，与所述的分段式电极针相连的检测电路，以及用于显示阻抗分布的显示屏。
本实施例中，所述检测电路主要包括电压参考电路、高压开关阵列电路、电流采样电路和控制电路。
电压参考电路，用于产生脉冲电压，通过脉冲电压来快速逐次导通(一对电极针上的)导电环。所述电压参考电路包括直流电源、开关驱动电路、闸流管电路、储能电路以及隔离变压器。直流电源为闸流管电路提供第一直流电压，而驱动电路受控于控制电路控制闸流管电路的通断将第一直流电压调制成所需波长的纳秒脉冲电压或微秒脉冲电压，该纳秒脉冲电压或微秒脉冲电压经过储能电路连接隔离变压器的一次侧，经过隔离变压器将电压提升至所需的参考电压，本实施例中参考电压以矩形波为例说生命，在该参考电压下完成对消融靶区内电流的检测。最后，再经过计算，得出对应的阻抗。
需要特别说明的是，在纳秒脉冲和微秒脉冲作为参考电压时，二者所对应的电压值是不同的。为了使检测的参考电压兼顾纳秒脉冲或微秒脉冲，在具体实施时，电压参考电路的直流电源为高压可调直流电源。在调制微秒脉冲电压时，高压可调直流电选择第一电压；在调制纳秒脉冲电压时，高压可调直流电选择第二电压。
高压开关阵列电路，包括多个高压继电器，高压继电器与所述导线一一对应并相连，用以连接所述电压参考电路和所述导电部。高压继电器受控于控制电路，仅在对应的时间段接通参考电路和其中一对导电部，使其中的一个导电部在其接受检测的期间接受一个矩形波，其中的另一个导电部在其接受检测的期间接地，通过这两个导电部在其接受检测的期间短暂的导通，获得消融靶区在这连个导电部接通期间的电流，进而计算获得阻抗，至于其余的高压继电器在此期间则均保持断开的状态。
电流采样电路，串接在所述导电部上，用以在所述导电部导通时采集其电流大小。在本实施例中，电流采样电路的电流采样端设置在隔离变压器的二次侧，采样后通过整形放大、滤波，再经过A/D转换器连接控制电路的主控板。
显示屏，通过显示屏驱动电路与控制电路的PLC相连，用以根据所检测阻抗值在消融靶区的影像上通过像素的色彩和明暗显示出来并形成消融靶区的阻抗图谱。
控制电路，用以控制电压参考电路调制脉冲电压、控制高压开关阵列电路内高压继电器的通断，并接受电流采样电路采集的电流大小、计算阻抗值，并将阻抗值转化呈图形或图像以便在显示屏上显示出来。
在本实施例中，为了精简电路，使用了同一个电路来调制用于检测阻抗的参考电压和调制用于消融高压脉冲电压。同时，为了使消融设备兼顾微秒脉冲和纳秒脉冲的功能，分别设置了两组开关驱动电路、闸流管电路、储能电路以及隔离变压器，它们共同连接了一个高压可调直流电源，高压可调直流电源通过调节到四个不同的电压区间，配合开关驱动电路、闸流管电路、储能电路以及隔离变压器输出四个不同电压的脉冲，该四个电压的分别对应用于检测阻抗微秒脉冲和纳秒脉冲，以及用于消融的微秒脉冲和纳秒脉冲。
具体地，开关驱动电路I、SiC闸流管、储能电路I和隔离变压器I配合高压可调直流电源输出微秒脉冲，隔离变压器I的二次侧通过高压开关阵列I连接分段式电极。开关驱动电路II、闸流管选择电路、储能电路II和隔离变压器II配合高压可调直流电源输出纳秒脉冲，隔离变压器II的二次侧通过高压开关阵列II连接分段式电极。这里的闸流管选择电路通过并联了多个不同参数型号的闸流管并串接开关构成的，在使用时选择闭合其中一个闸流管所对应的开关，使该闸流管接入电路，通过选择不同参数和型号的闸流管，来调制不用波长的纳秒脉冲。
阻抗测量装置具体使用过程如下：
在使用微秒脉冲来测量阻抗前，先将一对分段式电极针插入消融靶区预设位置，尽可能保持平行并使两分段式电极针上的导电部一一正对，分段式电极针的导线一一连接高压阵列开关I内的开关，控制电路向开关驱动电路I发送调制信号后，在隔离变压器I的二次侧产生微秒脉冲，此时，通过高压阵列开关I内的两组开关同时逐一闭合，保证一个脉冲经过一对导电部。
为了方便理解，结合图5对阻抗检测进行说明。隔离变压器I的二次侧产生了一段微秒脉冲包含16个矩形波，编号依次为1-16，通过控制高压阵列开关I的通断，控制每次只让一对导电部接通，获得该对导电部之间的电流，并计算出阻抗。16个矩形波流经的导电部顺序见图5。
最后通过这些阻抗数据，形成消融靶区的阻抗图谱。
本发明还提供了一种生成阻抗图谱的方法，使用了上述阻抗测量装置来检测阻抗。所述生成阻抗图谱的方法包括：先通过所述阻抗测量装置测得与各个导电部相对应的分段阻抗；再将与各个导电部相对应的分段阻抗值转化成图形或图像；最后在所述显示屏上显示与各个分段阻抗值相对应的图形或图像。
与各个导电部相对应的分段阻抗是由第一分段阻抗、第二分段阻抗和第三分段阻抗按照各个分段阻抗的面积比例转换获得。
如图6所示，以其中第一个导电部为例说明，计算其分段阻抗的过程如下。所述第一分段阻抗为R1，是通过两个分段式电极针间相正对的导电部获得。所述第二分段阻抗和第三分段阻抗分别为R2和R3，是通过两个分段式电极针间相错位的导电部获得。先通过阻抗测量装置获得R1、R2和R3，在按照以下方式获得
Figure BDA0002712527070000061
与所述第一分段阻抗、所述第二分段阻抗和第三分段阻抗相对应的面积分别为S1、S2和S3。所述分段阻抗
Figure BDA0002712527070000062
按照以下公式转换
Figure BDA0002712527070000063
其中S4是S2和S1的交叉面积，S5是S3和S1的交叉面积。
在求出每一个导电部上的
Figure BDA0002712527070000064
后，通过不同的颜色或者明暗度来表示其导电率，然后在显示屏上通过像素和明暗和色彩值显示出来。

Claims (10)

1.一种阻抗测量装置，其特征在于，包括至少一对分段式电极针，以及与所述的分段式电极针相连的检测电路；
所述分段式电极针包括绝缘针体、设于所述针体的端部表面的导电部以及嵌于所述针体内的导线，所述导线用以连接所述导电部；所述导电部至少设有三个，所述导电部所述针体表面沿轴向相间设置；所述分段式电极相互平行设置；
所述检测电路包括：
电压参考电路，用于产生脉冲电压；
高压开关阵列电路，包括多个高压继电器，高压继电器与所述导线一一对应并相连，用以连接所述电压参考电路和所述导电部；
电流采样电路，串接在所述导电部上，用以在所述导电部导通时采集其电流大小；以及
控制电路，用以控制电压参考电路调制脉冲电压、控制高压开关阵列电路内高压继电器的通断，并接受电流采样电路采集的电流大小、计算阻抗值。
2.根据权利要求1所述的阻抗测量装置，其特征在于，所述导电部为导电环，所述导电环嵌在所述针体的表面；所述导电环的宽度均相等。
3.根据权利要求1所述的阻抗测量装置，其特征在于，所述针体内还设有用于支撑所述针体的针芯。
4.根据权利要求1所述的阻抗测量装置，其特征在于，所述电压参考电路包括直流电源、开关驱动电路、闸流管电路、储能电路以及隔离变压器。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的阻抗测量装置，其特征在于，所述的阻抗测量装置还包括显示屏，所述显示屏与所述控制电路相连，用以根据所检测阻抗值在消融靶区的影像上通过像素的色彩和明暗显示出来并形成消融靶区的阻抗图谱。
6.一种消融设备，包括如权利要求1-5中所述的阻抗测量装置，其特征在于，所述电压参考电路的直流电源为高压可调直流电源，所述消融设备通过高压可调直流电源调制消融脉冲和用于检测阻抗的参考电压。
7.根据权利要求6所述的消融设备，其特征在于，所述电压参考电路包括两组开关驱动电路、闸流管电路、储能电路以及隔离变压器，其中一组配合所述高压可调直流电源生成微秒脉冲，另一组配合所述高压可调直流电源生成纳秒脉冲。
8.一种生成阻抗图谱的方法，使用了如权利要求5中所述阻抗测量装置来检测阻抗，其特征在于，所述生成阻抗图谱的方法包括：
通过所述阻抗测量装置测得与各个导电部相对应的分段阻抗；
将与各个导电部相对应的分段阻抗值转化成图形或图像；
在所述显示屏上显示与各个分段阻抗值相对应的图形或图像。
9.根据权利要求8所述的生成阻抗图谱的方法，其特征在于，与各个导电部相对应的分段阻抗是由第一分段阻抗、第二分段阻抗和第三分段阻抗按照各个分段阻抗的面积比例转换获得；
所述第一分段阻抗为R1，是通过两个分段式电极针间相正对的导电部获得；
所述第二分段阻抗和第三分段阻抗分别为R2和R3，是通过两个分段式电极针间相错位的导电部获得。
10.根据权利要求9所述的生成阻抗图谱的方法，其特征在于，与所述第一分段阻抗、所述第二分段阻抗和第三分段阻抗相对应的面积分别为S1、S2和S3；所述分段阻抗
Figure FDA0002712527060000021
按照以下公式转换
Figure FDA0002712527060000022
其中S4是S2和S1的交叉面积，S5是S3和S1的交叉面积。
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