CN113017822A - 一种功率控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及组织消融设备技术领域，特别涉及一种功率控制系统，包括心电监控模块，连接心电数据采集设备，输出对应控制信号，并在预设的心电图数据阈值范围内切断功率输出；数字调制器模块，连接心电监控模块，根据心电监控模块输出的控制信号，将预设的功率曲线和载波合成，并输出相对应的高低脉冲波形；脉冲放大器模块，连接所述数字调制器模块，调节输出电压，控制输出功率大小；消融导管，连接脉冲放大器模块，输出组织消融脉冲场；通过改变电场持续时间和强度，在保证电穿孔效果的情况下，减少对神经和其他组织的刺激。通过改善局部电场强度，对电场进行提前控制，以达到减少传输过程中能量的功率。

Description

一种功率控制系统
技术领域
本发明涉及组织消融设备技术领域，特别涉及一种功率控制系统。
背景技术
心房颤动(房颤)是最常见的心律失常，其发病率约为2％，且随着年龄增加其发病率逐渐升高。房颤最严重的并发症是血栓栓塞，可导致卒中、心肌梗死等，其中脑卒中是房颤死亡最常见的并发症。
治疗房颤的方法有两大类，即药物治疗和非药物治疗。根据中华医学会心电生理和起搏分会发表《心房颤动：目前的认识和治疗建议-2015》目前房颤的药物治疗主要包括：控制心室率、恢复并维持窦性心律和抗血栓治疗。其中药物治疗又包括抗心律失常治疗和抗凝治疗，抗心律失常治疗的目的是预防房颤的发生、控制房颤时快心率和去除房颤并维持窦性心率。常用药物有心律平、地高辛、倍他乐克、可达龙等。抗凝治疗的目的是防止心房内形成附壁血栓，预防心房内附壁血栓脱落造成其他脏器柱栓塞，特别是脑栓塞，常用药物是华法林。
房颤非药物治疗包括消融治疗、外科手术治疗和起搏治疗等，其适用于药物方法治疗房颤效果不佳或不适合药物治疗的病人，成功的消融治疗和外科手术治疗可以治愈房颤。
目前，导管消融是房颤患者恢复和维持窦性心律的有效手段。导管消融以射频能量为主，但也有其他能源(包括冷冻、超声和激光消融等)。然而，这些基于热/冷能量传导方式的消融具有一定局限性，其对消融区域组织的破坏缺乏选择性，且依赖于导管对消融组织的贴靠力，所以可能对邻近的食管、冠状动脉和膈神经等造成损伤。导致手术围术期存在一定并发症，且因为导管贴靠效果和病灶深度等原因，部分患者会复发。据报道，射频消融的复发率在20～40％,冷冻消融的复发率在10～30％；
近年来，国内外已经开始探索脉冲电场消融在心脏消融领域中的应用，并且取得了可喜的结果。与传统能量不同，脉冲电场能量通过瞬间放电在细胞膜上形成不可逆的微孔，造成细胞凋亡，达到非热消融的目的，也被称为不可逆电穿孔。目前，电穿孔消融已被用作一种破坏恶性肿瘤组织的有效手段。脉冲电场消融理论上可在不加热组织的情况下损伤心肌细胞，并具有细胞/组织选择性，保护消融组织周围关键结构。
脉冲消融其原理为通过短暂的直流高压脉冲可以在数厘米范围内形成几百伏特的电场，这个电场可以细胞膜上产生破坏形成穿孔。如果在细胞膜处形成的电场大于阈值，则形成的电穿孔不可逆，保持气孔的开放。从而导致细胞坏死或凋亡。因此，脉冲消融是一种非热生物学消融，与射频，冷冻，微波，超声不同。能够有效避免血管，神经，食道的损伤。
从现有临床结果和文献报道看，脉冲消融尚未解决高压电场施加在消融组织上，形成的电场对周围神经和其他细胞造成的电场干扰。虽然手术过程中会对病人进行全身麻醉，但病人依然会感觉到疼痛。此外对于电场消融过程中，需要对不同组织进行不同电场施加，消融过程中的组织变化也需要对电场能量的动态调节。
为了减少对组织细胞损伤，需要一种系统，能够在消融设备使用时能精准有效的控制功率将高压脉冲施加到组织上。
发明内容
针对现有技术的不足和缺陷，提供一种功率控制系统，其通过改变电场持续时间和强度，在保证电穿孔效果的情况下，减少对神经和其他组织的刺激，既能通过瞬间放电在细胞膜上形成不可逆的微孔，造成细胞凋亡，达到非热消融的目的，又能在不加热组织的情况下损伤心肌细胞，并具有细胞/组织选择性，保护周围关键结构。
为实现上述目的，本发明提供以下技术方案。
一种功率控制系统，包括：
心电监控模块，连接心电数据采集设备，根据心电数据采集设备所采集的心电图数据，输出对应控制信号，并在预设的心电图数据阈值范围内切断功率输出；
数字调制器模块，连接所述心电监控模块，根据心电监控模块输出的控制信号，将预设的功率曲线和载波合成，并输出相对应的高低脉冲波形；
脉冲放大器模块，连接所述数字调制器模块，调节输出电压，控制输出功率大小；
消融导管，连接脉冲放大器模块，输出组织消融脉冲场。
在其中一个实施例中，所述数字调节器模块的载波为100Hz至1MHz范围内的一个固定频率的三角波或者锯齿波。
在其中一个实施例中，所述预设的功率曲线为正弦周期曲线、高斯函数曲线、指数衰减周期曲线的任一种
在其中一个实施例中，所述脉冲放大器模块与消融导管之间设置有矩阵开关模块，所述矩阵开关适配多种电压输入和多个消融导管，至少有一个电压输入和一个输出将能量传递到消融导管。
在其中一个实施例中，所述脉冲放大器模块包括多个脉冲放大子模块，各脉冲放大子模块并联，且分别通过所述矩阵开关独立连接至电极。
在其中一个实施例中，所述消融导管为至少有一个电极消融通道的消融导管。
在其中一个实施例中，还包括功率监测反馈模块，所述功率监测反馈模块设置于所述矩阵开关模块和数字调节器模块之间，对电路输出状态实时监测。
与现有技术相比本发明有益效果为：本发明通过改变电场持续时间和强度，在保证电穿孔效果的情况下，减少对神经和其他组织的刺激。通过改善局部电场强度，对电场进行提前控制，以达到减少传输过程中能量的功率。
附图说明
图1为本发明的系统模块示意图；
图2为本发明数字调制器模块的一波形合成示意图；
图3为本发明数字调制器模块的另一波形合成示意图；
图4为本发明数字调制器模块的又一波形合成示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细阐述。
如图1、2所示，一种功率控制系统，包括：
心电监控模块50，连接心电数据采集设备，根据心电数据采集设备所采集的心电图数据，输出对应控制信号，并在预设的心电图数据阈值范围内切断功率输出。
数字调制器模块10，连接所述心电监控模块50，根据心电监控模块50采样出的信号进行数字信号处理，计算出功率曲线，再和载波进行合成，并输出相对应的高低脉冲波形。数字调制器是由微控制为核心组成控制单元，不限制使用ARM芯片,DSP芯片,FPGA芯片和其他SOC片上系统。其作用是通过PID等控制算法根据反馈的信号，动态实时调节输出脉冲波形和功率值。
脉冲放大器模块20，连接所述数字调制器模块10，调节输出电压，控制输出功率大小。脉冲放大器模块20由高功率晶体管或者IGBT等器件组成模拟电路，有输入和输出的端口。
消融导管40，连接脉冲放大器模块20，输出组织消融脉冲场。
本发明通过心电监控模块50检测到心在不应期内，不会发生跳动时，输出脉冲功率控制信号，使数字调制器模块10调制合成脉冲波。如图2所示的一个实施例中，调制过程中的波形为预设的功率图形，为一个正弦波，前期功率逐渐变大达到峰值后逐渐变小。这样的好处是一开始消融不至于有很大的脉冲信号刺激人体，让组织有一定的适应时间。之后通过较大的功率得到比较好的电穿孔效果，再缓慢降低，逐渐进入第二个周期。预设功率波形可以有许多种，可以正弦的周期信号，也可以是非周期信号。
当然，在如图3所示的另一个实施例中，功率值图形也可以是高斯函数式功率值图形。其所产生的脉冲功率从小变大再变小，可以提高脉冲消融的可靠性。在消融过程如果导管与组织接触不良，或者系统有故障情况下，低功率脉冲可以有效保护系统，并减少对人体组织刺激。
在如图4所示的再一个实施例中，功率值图形也可以是呈指数衰减的，开始的功率大，之后逐渐变小。这样的好处是，在心脏不应期时能够快消融，之后用平缓的功率进行电穿孔效果的巩固。
其中，所述波形只是描述功率，电压随时间的关系并非是真正的消融的电场信号。这些功率信号通过和100Hz至1MHz范围内的一个固定频率的三角波或者锯齿波做调制便能输出脉宽可变的脉冲信号。这些信号通过不同的占空比改变中的晶体管导通或者关断的时间来调整输出功率。
本发明通过改变电场持续时间和强度，在保证电穿孔效果的情况下，减少对神经和其他组织的刺激。通过改善局部电场强度，对电场进行提前控制，以达到减少传输过程中能量的功率。使用时，通过改变电场持续时间和强度，在保证电穿孔效果的情况下，减少对神经和其他组织的刺激。通过改善局部电场强度，对电场进行提前控制，以达到减少传输过程中能量的功率，提高手术效率，减少手术过程中的时间。
脉冲电场消融具有以下特点：(1)脉冲电场消融可保留细胞外基质。基于热传导的消融技术依赖于凝固性坏死，并且将凝固性坏死一直延伸到细胞致死温度。冷冻消融虽然可使细胞外基质免于直接消融，但其对于细胞的破坏无选择性，可对靶血管的结构产生影响。但脉冲电场消融在其消融区域内可保持组织基质的完整性，避免冠状动脉、膈神经等邻近组织受损伤。(2)消融阈值具有组织特异性，从而可特异性消融某些特定组织(比如心肌)。心肌组织的消融阈值低于许多其他组织，在消融心肌细胞的同时可避免临近组织(食管或膈神经等)受到损伤。(3)与传统射频消融方式相比较，脉冲电场消融不需要依赖导管贴靠力便能造成广泛的心肌损伤。(4)脉冲电场消融速度极快，常以微秒为单位甚至更小。
在其中一个实施例中，所述数字调节器模块的载波为100Hz至1MHz范围内的一个固定频率的三角波或者锯齿波。
在其中一个实施例中，所述脉冲放大器模块20与消融导管40之间设置有矩阵开关模块30，所述矩阵开关适配多种电压输入和多个消融导管40，至少有一个电压输入和一个输出将能量传递到消融导管40。消融导管40通过矩阵开关和脉冲放大器模块20连接，输出组织消融脉冲场。矩阵开关可以有将输出导管的电极同时或者分时连接到脉冲放大器模块20。通过矩阵开关分时控制可以精准控制每一个电极上的输出能量大小。
矩阵开关顾名思义，指结构为行(Row)列(Column)交叉排布的开关产品，其特点为每个节点(CrossPoint)连接一个行/列，每个节点可以单独操作，通过设置节点的不同组合可以实现信号的路由。通过设置所示矩阵开关模块30，心电监控模块50检测到心在不应期内，不会发生跳动时，可以打开相应的矩阵开关，将设备切换至使能模式。在数字调制器中按照应用设定的序列，这些序列中的设定功率可随时间变化呈现不同。
在其中一个实施例中，所述矩阵可以通过在不同时间的导通或者关断状态，进行一个面的消融。这样的好处能够有效控制消融点的消融效果。
在其中一个实施例中，所述脉冲放大器模块20包括多个脉冲放大子模块，各脉冲放大子模块并联，且分别通过所述矩阵开关独立连接至电极。脉冲放大子模块为多个独立模块，这些模块可以单独工作，通过矩阵开关连接到独立电极上。这种独立模块的好处是能够能够并联输出，提高输出的功率。也能通过独立控制，提高消融效果。
在其中一个实施例中，所述消融导管40为至少有一个电极消融通道的消融导管40。即是说，所述消融导管40不限于单通道或多电极消融通道消融导管。
在其中一个实施例中，还包括功率监测反馈模块60，所述功率监测反馈模块60设置于所述矩阵开关模块30和数字调节器模块之间，对电路输出状态实时监测。
以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。

Claims (7)

1.一种功率控制系统，其特征在于，包括：
心电监控模块，连接心电传感数据采集设备，根据心电数据采集设备所采集的心电图数据，输出对应控制信号，并在预设的心电图数据阈值范围内切断功率输出；
数字调制器模块，连接所述心电监控模块，根据心电监控模块输出的控制信号，将预设的功率曲线和载波合成，并输出相对应的高低脉冲波形；
脉冲放大器模块，连接所述数字调制器模块，调节输出电压，控制输出功率大小；
消融导管，连接脉冲放大器模块，输出组织消融脉冲场。
2.根据权利要求1所述的一种功率控制系统，其特征在于：所述数字调节器模块的载波为100Hz至1MHz范围内的可调节频率的三角波或者锯齿波。
3.根据权利要求2所述的一种功率控制系统，其特征在于：所述预设的功率曲线为正弦周期曲线、高斯函数曲线、指数衰减周期曲线的任一种。
4.根据权利要求1所述的一种功率控制系统，其特征在于：所述脉冲放大器模块与消融导管之间设置有矩阵开关模块，所述矩阵开关适配多种电压输入和多个消融导管，至少有一个电压输入和一个输出将能量传递到消融导管。
5.根据权利要求4所述的一种功率控制系统，其特征在于：所述脉冲放大器模块包括多个脉冲放大子模块，各脉冲放大子模块并联，且分别通过所述矩阵开关独立连接至电极。
6.根据权利要求5所述的一种功率控制系统，其特征在于：所述消融导管至少有一个通道的消融导管系统。
7.根据权利要求3所述的一种功率控制系统，其特征在于：还包括功率监测反馈模块，所述功率监测反馈模块设置于所述矩阵开关模块和数字调节器模块之间，对电路输出状态实时监测。
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