CN113288414B - 一种基于小信号扫描检测的自适应宽频微波肿瘤消融仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于小信号扫描检测的自适应宽频微波肿瘤消融仪，所述宽频自适应微波消融仪包括宽频信号源、宽频功率放大器、定向耦合器、输出功率检测模块、反射功率检测模块、中控单元、宽频微波消融天线和显示模块等；所述宽频信号源、宽频功率放大器、定向耦合器和宽频微波消融天线依次连接；所述定向耦合器与输出功率检测模块和反射功率检测模块相接；所述输出功率检测模块、反射功率检测模块、宽频信号源和显示模块均与中控单元相接。中控单元根据输出功率检测模块和反射功率检测模块反馈的信息，实时调整宽频信号源的输出频率和输出功率，实现肿瘤的自适应消融。

Description

一种基于小信号扫描检测的自适应宽频微波肿瘤消融仪
技术领域
本发明涉及肿瘤的微波热消融领域，特别涉及一种基于小信号扫描检测的自适应宽频微波肿瘤消融仪。
背景技术
微波消融是目前极具前景的一种肿瘤治疗技术，其原理是通过插入人体的微波消融天线辐射高频电磁波，引起病变组织中的极性分子尤其是水分子发生高频振动，产生大量的摩擦热，使得病变组织中的肿瘤细胞温度上升到60℃而近乎瞬间发生凝固性坏死。微波消融具有升温快，热效率高，受血液流动影响较小，受组织炭化影响小和微创、安全的优点，已经成为了恶性肿瘤的常规治疗手段。
微波消融仪是微波消融治疗的核心部件之一，微波消融仪输出微波消融天线所需频率的大功率信号。低频的消融频率消融范围更大，而高频的消融圆度更大，同时升温更迅速。然而，目前的微波消融仪工作在单一频率，无法实时更改消融频率。在进行微波消融的时候，组织的介电常数和电导率会随时间改变，导致最优的消融频率也会随着时间而改变。当天线工作在非最优的消融频率，会导致反射系数过大，造成能量的损耗和消融效率的降低。现有的技术采用环形器或者同轴隔离模块[欧来成,司涛.微波消融治疗仪[P].江苏省：CN212234674U,2020-12-29.][任立宏,蒋文科,王桂华,古善智,王祝盈,陈小林,任长学.微波消融针及微波消融治疗仪[P].湖南省：CN212346715U,2021-01-15.]来隔离反射功率，但是天线与消融组织的失配还是存在，无法从源头上减少反射的功率，导致消融效率的降低。同时，这些技术无法实时调整消融形状，具有单一的消融形状。因此，单一的消融频率无法满足微波消融的需求，同时，在进行微波消融的时候需要实时检测出最优的消融频率。因此，宽带的微波消融具有更大的灵活性，可以从源头减少反射功率导致的后向加热，也可以根据肿瘤的形状进行适形消融。
发明内容
本发明克服了上述的缺陷和不足，提出一种基于小信号扫描检测的自适应宽频微波肿瘤消融仪，包含宽频主机、宽频微波消融天线、基于回波检测的小信号扫描功能、智能自适应频率选择功能，使得一次布针能实现最优消融频率检测和宽频带的自适应消融。
本发明至少通过如下技术方案之一实现。
一种基于小信号扫描检测的自适应宽频微波肿瘤消融仪，包括宽频信号源、宽频功率放大器、定向耦合器、中控单元、输出功率检测模块、反射功率检测模块、宽频微波消融天线；
所述宽频信号源、宽频功率放大器、定向耦合器和宽频微波消融天线依次连接；宽频微波消融天线连接定向耦合器直通端；
所述定向耦合器耦合端通过输出功率检测模块与中控单元连接；所述定向耦合器隔离端通过反射功率检测模块与中控单元连接；所述输出功率检测模块检测宽频功率放大器的输出功率，所述反射功率检测模块检测宽频微波消融天线反射的功率；
所述中控单元与宽频信号源连接，对宽频信号源进行控制，使得宽频信号源发射出所需的工作频率、幅度大小的微波激励信号。
优选的，所述输出功率检测模块和反射功率检测模块均包括检波器等器件，输出功率检测模块和反射功率检测模块将输入的微波信号通过检波器转换成低频率电压或电流值，并由模拟/数字转换电路转换成数字信号，以此换算出被测微波信号功率的大小。
优选的，所述中控单元通过软件协议对宽频信号源进行控制，使得宽频信号源发射出所需的工作频率、幅度大小的微波激励信号。
优选的，所述中控单元根据输出功率检测模块和反射功率检测模块反馈的信息，实时调整宽频信号源的输出功率和输出频率。
优选的，所述中控单元的调整包括以下步骤：
1).启动小功率信号进行扫描，通过对比输出功率检测模块得到的输出功率和反射功率检测模块得到的反射功率，得到最优的消融频点；
2).关闭小信号扫描，在最优消融频点启动大功率信号进行微波消融；
3).消融一段时间后，关闭大功率信号，控制宽频信号源在宽频带内输出小信号再次进行快速扫描检测，通过对比输出功率和反射功率，再得到最优的消融频点；
4).控制宽频信号源工作在最优的消融频点，然后在该频点启动大功率进行微波消融，消融一段时间后关闭大功率信号。
5).循环步骤1)～步骤4)，直到小功率检测得反射系数都达到一定值以上停止工作。
优选的，所述反射系数通过计算输出功率检测模块的功率和反射功率检测模块的功率的差值得到。
优选的，还包括显示模块，所述显示模块的输入端与中控单元显示输出端连接，用于显示宽频自适应微波消融仪的工作状态。
优选的，所述定向耦合器采用的型号为YKDC800/2700-30Q300。
优选的，所述软件协议为根据连接输出功率检测模块和反射功率检测模块端口输入的数字信号，发送数字信号到宽频信号源进行频率和功率的控制。
优选的，所述功率采用的型号为AD8318。
与现有的技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明结构简单；
(2)本发明可以实现宽频的微波消融，消融效率高；
(3)本发明可以有效抑制因为反射过大而引起的后向加热
(4)本发明在消融的同时可以实时检测输出功率和反射功率，从而判断消融效果；
(5)本发明在消融的同时可以检测最优的消融频率；
(6)本发明可以根据实际消融情况实现自适应的微波消融。
附图说明
图1为本发明的基于小信号扫描检测的自适应宽频微波肿瘤消融仪结构示意图；
图2为本发明的基于小信号扫描检测的自适应宽频微波肿瘤消融仪内部功率检测模块的原理图；
图3为本发明的基于小信号扫描检测的自适应宽频微波肿瘤消融仪工作流程图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体的实施例对本发明的具体实施作进一步说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1所示为本实施例的一种基于小信号扫描检测的自适应宽频微波肿瘤消融仪，包括宽频信号源1、宽频功率放大器2、定向耦合器3、中控单元4、输出功率检测模块5、反射功率检测模块6、宽频微波消融天线7和显示模块8。
所述宽频信号源1、宽频功率放大器2、定向耦合器3和宽频微波消融天线7依次连接。
所述宽频功率放大器2连接定向耦合器3输入端，宽频微波消融天线7连接定向耦合器3直通端。宽频信号源1产生的信号经过宽频功率放大器2放大后输入到定向耦合器3的输入端，在定向耦合器3的直通端输出到宽频微波消融天线7。
所述定向耦合器3耦合端通过输出功率检测模块5连接至中控单元4；所述定向耦合器3隔离端通过反射功率检测模块6连接至中控单元4。
输出功率检测模块5通过检测定向耦合器3输入端耦合到耦合端的信号来检测输入到宽频微波消融天线7的功率，反射功率检测模块通过检测定向耦合器3输出端耦合到隔离端的信号来检测从宽频微波消融天线7反射的功率。
所述中控单元4的控制输出端与宽频信号源1连接；所述输出功率检测模块5检测宽频功率放大器2的输出功率，所述反射功率检测模块6检测宽频微波消融天线7反射的功率，通过计算功率的差值，可以实时测量出天线在消融频点的反射系数。
所述宽频功率放大器2具有宽频带，高增益的特点，放大宽频信号源1输出的小功率信号至所需要的消融大功率信号或检测小功率信号。所述中控单元4对宽频信号源1进行控制，使得宽频信号源1发射出所需的工作频率、幅度大小的微波激励信号。
如图2所示，所述输出功率检测模块5和反射功率检测模块6，主要由内置的检波器等器件组成，输出功率检测模块5和反射功率检测模块6主要将输入的微波信号，通过检波器9转换成低频率电压或电流值，并由模拟/数字转换电路10等方式，通过采样、保持、量化和编码转换成数字信号，以此换算出被测微波信号功率的大小，可以便捷地实时了解消融的情况，而不需要人工或自动的切换来进行反射系数的测量，实现消融和检测的同时进行。
所述中控单元4通过软件协议，根据连接输出功率检测模块5和反射功率检测模块6端口输入的数字信号，发送数字信号到宽频信号源1进行频率和功率的控制，使得宽频信号源1发射出特定工作频率、幅度大小的微波激励信号，实现激励信号的自适应快速切换。
如图3所示，所述中控单元4首先启动小功率信号(10mw以下)扫描，通过输出功率检测模块5和反射功率检测模块6得到宽带内的输出功率和反射功率，计算出宽带内的反射系数。若宽带内的反射系数均高于-5dB以上，则微波消融结束，微波消融仪停止工作。若宽带内的反射系数存在-5dB以下的频点，则从这些频点中选取最优的消融频点，在最优频点处启动大功率信号(20W以上)进行微波消融。
烧蚀进行一段时间后(比如3-5秒钟)，关闭大功率信号，再次启动小功率信号扫描。通过输出和反射功率检测模块得到宽带内的输出功率和反射功率，计算出宽带内的反射系数。若宽带内的反射系数均高于-5dB以上，则微波消融结束，微波消融仪停止工作。若宽带内的反射系数存在-5dB以下的频点，则从这些频点中选取最优的消融频点，在最优频点处启动大功率信号，再次进行微波消融。如此循环，直到小功率检测反射系数均达到-5dB以上，微波消融结束，微波消融仪停止工作，实现了宽带的自适应消融，同时增加了消融的效率，抑制了因为大功率反射而形成的后向加热。
所述自适应宽频微波消融仪工作频率包含了915-2450MHz常用的微波消融频率范围，以及其它频率范围。
作为另一优选的实施例，所述中控单元4的显示输出端还连接显示模块8，所述显示模块8显示宽频自适应微波消融仪的工作状态，方便工作人员更清晰地了解消融状况。
作为另一优选的实施例，所述定向耦合器3可以采用的型号为YKDC800/2700-30Q300。
作为另一优选的实施例，所述检波器9可以采用的型号为AD8318。
综上所述，本发明的一种基于小信号扫描检测的自适应宽频微波肿瘤消融仪，结构简单，可以实现宽频的微波消融，在消融的同时可以实时检测输出功率和反射功率，得到最优的消融频率，实现自适应的微波消融，使大部分的微波能量辐射到肿瘤中，转换为热能，提高了消融的效率。同时，由于天线的反射功率减少，同轴线内部形成的热量会减少，进而通过外导体传到组织中的沿同轴线的热量会减少。因此，可以有效抑制消融过程中因为反射过大而形成的后向加热。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于小信号扫描检测的自适应宽频微波肿瘤消融仪，其特征在于：包括宽频信号源、宽频功率放大器、定向耦合器、中控单元、输出功率检测模块、反射功率检测模块、宽频微波消融天线；
所述宽频信号源、宽频功率放大器、定向耦合器和宽频微波消融天线依次连接；宽频微波消融天线连接定向耦合器直通端；
所述定向耦合器耦合端通过输出功率检测模块与中控单元连接；所述定向耦合器隔离端通过反射功率检测模块与中控单元连接；所述输出功率检测模块检测宽频功率放大器的输出功率，所述反射功率检测模块检测宽频微波消融天线反射的功率；
所述中控单元与宽频信号源连接，对宽频信号源进行控制，使得宽频信号源发射出所需的工作频率、幅度大小的微波激励信号；
所述输出功率检测模块和反射功率检测模块均包括检波器，输出功率检测模块和反射功率检测模块将输入的微波信号通过检波器转换成低频率电压或电流值，并由模拟/数字转换电路转换成数字信号，以此换算出被测微波信号功率的大小；
所述中控单元的调整包括以下步骤：
1）.启动小功率信号进行扫描，通过对比输出功率检测模块得到的输出功率和反射功率检测模块得到的反射功率，得到最优的消融频点；
2）.关闭小信号扫描，在最优消融频点启动大功率信号进行微波消融；
3）.消融一段时间后，关闭大功率信号，控制宽频信号源在宽频带内输出小信号再次进行快速扫描检测，通过对比输出功率和反射功率，再得到最优的消融频点；
4）.控制宽频信号源工作在最优的消融频点，然后在该频点启动大功率进行微波消融，消融一段时间后关闭大功率信号；
5）.循环步骤1）~步骤4），直到小功率检测得反射系数都达到一定值以上停止工作；所述中控单元首先启动10mw以下的小功率信号扫描，通过输出功率检测模块和反射功率检测模块得到宽带内的输出功率和反射功率，通过计算输出功率检测模块的功率和反射功率检测模块的功率的差值得到反射系数；若宽带内的反射系数均高于-5dB以上，则微波消融结束，微波消融仪停止工作；若宽带内的反射系数存在-5dB以下的频点，则从这些频点中选取最优的消融频点，在最优频点处启动20W以上的大功率信号进行微波消融。
2.根据权利要求1所述的一种基于小信号扫描检测的自适应宽频微波肿瘤消融仪，其特征在于：所述输出功率检测模块和反射功率检测模块均包括检波器，输出功率检测模块和反射功率检测模块将输入的微波信号通过检波器转换成低频率电压或电流值，并由模拟/数字转换电路转换成数字信号，以此换算出被测微波信号功率的大小。
3.根据权利要求2所述的一种基于小信号扫描检测的自适应宽频微波肿瘤消融仪，其特征在于：所述中控单元通过软件协议对宽频信号源进行控制，使得宽频信号源发射出所需的工作频率、幅度大小的微波激励信号。
4.根据权利要求3所述的一种基于小信号扫描检测的自适应宽频微波肿瘤消融仪，其特征在于：所述中控单元根据输出功率检测模块和反射功率检测模块反馈的信息，实时调整宽频信号源的输出功率和输出频率。
5.根据权利要求1~4任一项所述的一种基于小信号扫描检测的自适应宽频微波肿瘤消融仪，其特征在于：还包括显示模块，所述显示模块的输入端与中控单元显示输出端连接，用于显示宽频自适应微波消融仪的工作状态。
6.根据权利要求3所述的一种基于小信号扫描检测的自适应宽频微波肿瘤消融仪，其特征在于：所述软件协议为根据连接输出功率检测模块和反射功率检测模块端口输入的数字信号，发送数字信号到宽频信号源进行频率和功率的控制。
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