CN113633370B - 一种高频复合电场消融系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高频复合电场消融系统，包括高频复合电场发生控制装置、电源模块和消融电极模块，所述高频复合电场发生控制装置包括复合电场控制模块、高频电场发生模块、射频电流场发生模块、信号输出连接器，所述消融电极模块包括至少两个消融电极，所述消融电极模块被配置为将高频复合电场的能量作用于消融组织，所述高频复合电场发生控制装置被配置为通过复合电场控制模块可选择地控制所述高频电场发生模块或射频电流场发生模块以产生相应的高频电场信号或射频电流场信号，经由所述信号输出连接器送至所述消融电极模块。本发明复杂度低、操作简便、效率高，可一次实现高频脉冲电场治疗与射频电流场加热的叠加或复合式治疗，实现组织的彻底消融。

Description

一种高频复合电场消融系统

技术领域

本发明涉及生物医学工程领域，尤其涉及一种高频复合电场消融系统。

背景技术

恶性肿瘤、血管粥样硬化、心率失常、良性组织增生、动静脉畸形等发病率逐年提高，对人类健康的威胁越来越大，传统的治疗方法如外科手术、放疗、化疗等在治疗过程中也日趋成熟，但它们都不可避免地会对机体正常功能造成较大的创伤，且在治疗的成功率上仍有待提高。随着科学技术的发展，特别是医学影像技术如核磁共振成像、超声成像等的进步，微创治疗手术有了长足发展，越来越受欢迎。但是该方法仍然有着各自的缺陷，难以对病灶组织实现精准治疗，更好提高治愈率，保护正常组织不受损伤。

射频消融利用的是射频电流场对病灶组织进行加热治疗，相比于微波和激光消融，具有成本低、易于控制的特点，被广泛应用于动脉粥样硬化、肿瘤、心率失常等疾病的治疗，但是目前市场射频消融治疗仅限于将病灶烧死，损伤正常组织，复发率较高，难以实现一次治疗长期有效，并且射频消融受组织物性影响较大。

高频电场消融利用的是高频脉冲电场在一定频率下能对组织细胞膜进行不可逆电穿孔，使得细胞膜破裂凋亡，来对病灶区域的消融治疗，中高频(100-300kHz)、低场强(1-5V/cm)交变电场能够通过电场力干扰肿瘤细胞纺锤体微管合成，导致染色体分离异常，杀死肿瘤细胞。高场强的高频电场能够对组织细胞进行不可逆电穿孔，杀伤细胞。但是在消融过程中，电场强度受电极分布以及插针位置的影响很大，导致组织中电场分布不均匀，消融不彻底。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种高频复合电场消融系统及控制方法，一方面克服单纯高频电场消融作用不彻底，存在残留的问题，同时克服射频消融对组织物性的依赖。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何克服单纯高频电场消融作用不彻底，存在残留的问题，同时克服射频消融对组织物性的依赖。

为实现上述目的，本发明提供了一种高频复合电场消融系统，包括高频复合电场发生控制装置、电源模块和消融电极模块，其中，所述高频复合电场发生控制装置包括复合电场控制模块、高频电场发生模块、射频电流场发生模块、信号输出连接器，所述电源模块被配置为提供电源至所述高频复合电场发生控制装置，所述消融电极模块包括至少两个消融电极，所述消融电极模块被配置为将高频复合电场的能量作用于消融组织，所述高频复合电场发生控制装置被配置为通过所述复合电场控制模块可选择地控制所述高频电场发生模块或射频电流场发生模块以产生相应的高频电场信号或射频电流场信号，经由所述信号输出连接器送至所述消融电极模块。

进一步地，所述消融电极模块的形式包括消融探针、消融导管和消融球囊中的一种或多种。

进一步地，所述消融电极模块还包括一个或多个温度传感器，所述温度传感器被配置为监测消融过程中的组织实时温度。

进一步地，所述高频复合电场包括高频脉冲电场和高频的射频电流场。

进一步地，所述消融电极中的每一个被配置为可独立控制传输所述高频复合电场的能量信号。

进一步地，所述复合电场控制模块包括控制器单元、电场选择控制单元、数据采集单元、显示控制单元和电极选择控制单元，其中，所述显示控制单元被配置为设置系统参数传输至所述控制器单元，所述控制器单元被配置为控制所述高频电场发生模块和射频电流场发生模块工作，并通过所述数据采集单元实时采集消融过程中的消融参数，以实时精准控制所述高频复合电场的消融过程，所述高频电场发生模块被配置为发出电压幅值、频率、相位实时可调的高频脉冲信号，以实现消融组织的电穿孔，所述射频电流场发生模块被配置为实时发出适当强度的射频电流场信号，以实现消融组织精准射频加热。

进一步地，所述高频电场发生模块被配置为发出峰值在0-6kV/cm之间的高频脉冲电场信号，并且脉冲个数、脉冲频率、脉冲相位、电场强度实时可控。

进一步地，所述高频电场发生模块采用DDS、嵌入式系统定时和PWM中的一种对控制输出信号进行调制。

进一步地，所述电场选择控制单元采用快速电子开关控制技术，通过所述控制器单元实现对高频脉冲电场与射频电流场切换控制，从而将高频脉冲电场能量与射频电流场能量实时精准作用于消融组织。

进一步地，所述射频电流场发生模块被配置为通过所述控制器单元进行快速功率控制、温度控制和能量控制中的一种或多种。

本发明的有益效果在于：复杂度低、操作简便、效率高，能够实现一次插针或者一次植入导管或球囊，即可实现高频脉冲电场的不可逆电穿孔与射频电流场加热，实现组织的彻底消融与精准射频消融，提高肿瘤、心血管、炎症等相关急病的治愈率。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的高频复合电场消融系统的结构示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的高频电场发生模块的结构示意图；

图3是本发明的一个较佳实施例的射频电流场发生模块的结构示意图；

图4a是本发明的一个较佳实施例的消融探针的结构示意图；

图4b是本发明的一个较佳实施例的消融导管的结构示意图；

图4c是本发明的一个较佳实施例的消融球囊的结构示意图。

其中，1-复合电场控制模块，2-高频电场发生模块，3-射频电流场发生模块，4-消融电极模块，5-信号输出连接器，6-电源模块，11-控制器单元，12-电场选择控制单元，13-数据采集单元，14-显示控制单元，15-电极选择控制单元，21-高频信号驱动单元，22-高频脉冲信号调制单元，23-高频功放单元，24-高频隔离输出单元，31-射频信号调制单元，32-基频信号驱动单元，33-射频功放单元，34-射频隔离输出单元，41-消融电极，42-绝缘部，43-温度传感器。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

本发明根据已有研究，充分考虑了高频电场在组织中的作用机理以及射频电流场的加热原理，将二者有机的结合起来，克服两种消融方式的缺点，创造性的提出了高频复合电场消融系统的设计。首先通过高频电场对组织细胞进行破坏或细胞膜的电穿孔，破碎组织细胞，使得细胞质与水分流出，改变消融组织的物性；然后再使用射频电流场对消融组织进行射频加热，因为高频电场的作用对组织性质的改变，将大大提高射频的效率，同时射频能量产生的热的作用，将形成连续性的消融灶，一方面克服单纯高频电场作用不彻底，存在残留的问题，同时克服射频消融对组织物性的依赖。

实施例1

本实施例中的一种高频复合电场消融系统的结构示意图参照图1，复合电场控制模块1首先控制电场选择控制单元12选择高频电场发生模块2，并且根据组织实际消融需求控制高频电场的工作方式，包括脉冲频率、脉冲作用时间、脉冲幅值、脉冲相位等，对消融组织细胞进行不可逆电穿孔，使得组织细胞破碎，改变消融组织物性。再控制电场选择控制单元12选择射频电流场发生模块3工作，实时精准地控制射频电流场的能量，控制消融组织内部的温度场，提高消融效果。

如图1所示，高频复合电场消融系统包括高频复合电场发生控制装置和消融电极模块4，其中高频复合电场发生控制装置还包括复合电场控制模块1、高频电场发生模块2、射频电流场发生模块3、信号输出连接器5。

如图2所示，高频电场发生模块2主要包括高频信号驱动单元21、高频脉冲信号调制单元22、高频功放单元23、高频隔离输出单元24。工作过程中，复合电场控制模块1控制高频信号驱动单元21，产生相应频率的高频脉冲信号，同时控制高频脉冲信号调制单元22对其进行高频脉冲信号输出频率、相位调制后，传输到高频功放单元23进行功率放大，通过高频隔离输出单元24经过信号输出连接器5输出到消融电极模块4。

如图3所示，射频电流场发生模块3主要包括射频信号调制单元31、基频信号驱动单元32、射频功放单元33、射频隔离输出单元34。工作过程中，复合电场控制模块1控制射频信号调制单元31，调整射频输出功率，基频信号驱动单元32用于产生具有一定频率的基频驱动信号，传输到射频功放单元33进行射频功率放大产生射频能量信号，通过射频隔离输出单元34经过信号输出连接器5输出到消融电极模块4。

如图4a至图4c所示，消融电极模块4主要包括消融探针(图4a)、消融导管(图4b)、消融球囊(图4c)等三种形式，其中每种形式的消融电极模块4中包含有绝缘部42(消融探针和消融导管中特定距离的绝缘隔离段或者消融球囊的表面绝缘层)、消融电极41、微细的温度传感器43，在消融过程中，绝缘部42将所有消融电极41隔离成特定位置，在高频电场消融过程中产生所需的均匀的高频电场强度，便于控制，同时在射频电流场消融过程中，隔离不同的电极，在电极直接形成电流回路，在电极附近产生稳定的射频电流场对消融组织进行加热，实现射频消融。同时在消融电极模块4的内部特定位置布置有多个微细的温度传感器43，用于在消融过程中实时精准的监测消融过程中的温度，实现精准加热控制。

本实施例中的一种高频复合电场消融系统的工作原理如下：

高频复合电场分别为高频电场和高频的射频电流场，本实施例中充分利用了高频电场与高频的射频电流场对组织进行消融的优势，并且克服了两者的缺点，将其有机的结合起来，实现组织的彻底消融与提高治愈率的作用。

本实施例中，高频电场能够在消融过程中对组织细胞膜进行电穿孔，破碎细胞，改变了组织的物性，但是高频电场在组织中分布不均匀，导致消融不彻底，并且组织在高频电场破坏细胞后，细胞内的物质留出，能够使得组织电特性变得均匀，盐离子溶度等组织物性的变化，有利于提高射频电流场的加热效率，提高消融率。因此，再使用射频电流场对组织进行加热，同时通过精准的控制射频电流场加热的温度，实现精准与更彻底消融目的。

本实施例中为了适合不同消融环境与场合，还提供了介入穿刺用的高频复合电场消融探针如图4a所示，腔道导管介入的高频复合电场消融导管如图4b所示，经球囊介入的高频复合电场消融球囊如图4c所示等消融电极模块4形式。并且在消融电极模块4的消融探针、消融导管、消融球囊中的特定位置，可选地设置一个或多个温度传感器(例如热电偶)，用于监测消融过程中的组织实时温度数据，或用于精准消融中的反馈控制。

实施例2

本实施例中的一种高频复合电场消融系统的结构示意图参照图1，高频复合电场消融系统包括高频复合电场发生控制装置和消融电极模块4，其中高频复合电场发生控制装置还包括复合电场控制模块1、高频电场发生模块2、射频电流场发生模块3、信号输出连接器5。

其中，复合电场控制模块1包括控制器单元11、电场选择控制单元12、数据采集单元13、显示控制单元14和电极选择控制单元15。

系统工作时，复合电场控制模块1中的显示控制单元14根据消融组织的特性，设置消融参数，输入到控制器单元11进行参数处理后，根据控制算法的输出来控制电场选择控制单元12选择消融的电场发生模块与控制信号传输路径。控制器单元11控制高频电场发生模块2或者射频电流场发生模块3发生相应功率的高频复合电场信号，通过信号输出连接器5输出。电场选择控制单元12采用快速电子开关控制技术，通过控制器单元11实现对高频脉冲电场与射频电流场切换控制，将高频脉冲电场能量与射频电流场能量实时精准作用于消融组织。控制器单元11可以是满足控制要求的微控制器单元(Microcontroller Unit,MCU)、数字信号处理器单元(Digital Signal Processor,DSP)、工控机等中的一种或多种的组合。

同时控制器单元11根据设置参数控制电极选择控制单元15选择相应的消融电极的快速开关以及电极的极性，将信号输出连接器5输出的信号传输到对应的消融电极，进行高频复合电场消融。消融电极模块4在消融过程中可以根据消融需求进行任意快速的切换，实现精准消融的目的。在消融过程中数据采集单元13实时采集输出的高频电场的场强、电流、电压、功率、消融组织的阻抗、消融电极模块4中的微细的温度传感器采集的温度等消融参数，将其进行信息处理后，传输到控制器单元11，控制器单元11根据反馈的消融参数信息，调整控制算法的输出，从而精准地控制高频电场发生模块2发出高频信号(优选地，脉冲方波信号)的幅值、频率、相位等信息，或是射频电流场发生模块3中实时射频功率、射频电压、射频电流、射频阻抗、射频能量等消融参数，以及通过显示控制单元14实时显示，并实现精准的高频复合电场消融。显示控制单元14可以是触控显示器、触控显示屏、显示屏加按键输入中的一种或者多种的组合。

本实施例中的高频电场发生模块2如图2所示，主要包括高频信号驱动单元21、高频脉冲信号调制单元22、高频功放单元23、高频隔离输出单元24。工作过程中，复合电场控制模块1控制高频信号驱动单元21，产生相应频率的高频脉冲信号，同时控制高频脉冲信号调制单元22对其进行高频脉冲信号输出频率、相位调制后，传输到高频功放单元23进行功率放大，通过高频隔离输出单元24经过信号输出连接器5输出到消融电极模块4。高频电场发生模块2将能够发出0-6kV/cm峰值的高频脉冲电场信号，并且脉冲个数、脉冲频率、脉冲相位、电场强度实时可控，以适合不同消融场合的需求。高频电场发生模块2采用直接数字式频率合成器(Direct Digital Synthesizer,DDS)调制控制信号输出的频率与脉冲个数，也可以采用高性能的嵌入式系统定时或脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)调制控制信号输出。

本实施例中射频电流场发生模块3如图3所示，主要包括射频信号调制单元31、基频信号驱动单元32、射频功放单元33、射频隔离输出单元34。工作过程中，复合电场控制模块1控制射频信号调制单元31，调整射频输出功率，基频信号驱动单元32用于产生具有一定频率的基频驱动信号，传输到射频功放单元33进行射频功率放大产生射频消融信号，通过射频隔离输出单元34经过信号输出连接器5输出到消融电极模块4。射频电流场发生模块3的控制方式有射频快速功率控制、温度控制、能量控制等射频控制算法，可以用于不同消融组织的需求。

射频电流场发生模块3可以对其进行快速功率控制、温度控制、能量控制，且每种控制方式可以根据消融规划需求任意切换。

高频脉冲电场信号与射频电流场信号，采用抗干扰结构设计，将两种信号，通过同一个信号传输线，传输到消融电极模块4，用于实现一次插针即可实现高频脉冲电场与射频电流场联合消融。

本实施例中的消融电极模块4如图4a至图4c所示，包括了消融探针(图4a)、消融导管(图4b)、消融球囊(图4c)等三种形式，其中每种形式的消融电极模块4中包含有绝缘部42(消融探针和消融导管中特定距离的绝缘隔离段或者消融球囊的表面绝缘层)、消融电极41、微细的温度传感器43，在消融过程中，绝缘部42将所有消融电极41隔离成特定位置，在高频电场消融过程中产生所需的均匀的高频电场强度，便于控制，同时在射频电流场消融过程中，隔离不同的电极，在电极直接形成电流回路，在电极附近产生稳定的射频电流场对消融组织进行加热，实现射频消融。

本实施例中的消融探针，如图4a所示，包括多级消融探针和单级消融探针，其中多级消融探针至少包括2级由特定距离的绝缘隔离段分隔开的消融电极41，可以使用单根多级消融探针即可实现高频复合电场消融。单级消融探针在消融时至少要使用两个消融探针，插入相应的消融位置，形成特定的高频电场，在射频电流场的消融过程中，每根消融探针可以任意开关切换，实现精准消融。消融导管如图4b所示，采用了将多个复合电场消融电极41按照一定的分布，设计在消融导管前端，用于形成固定的高频电场，以及多级射频电流场，消融电极41可以是环形电极也可以是片状电极，其中片状电极可以根据消融需求选择消融方向，提高了消融过程中的自由度。消融球囊如图4c所示，将多个复合电场消融电极41按照一定的分布，设计排列在球囊表面，用于在消融组织中形成高频脉冲电场和射频电流场，可以选择控制对应电极的开关与电极信号的极性，对消融组织进行适形消融。

消融电极模块4既可用于传输用于组织电穿孔的高频电场能量，还可以传输射频加热消融的射频电流场信号。

消融电极模块4采用多电极消融时，每个电极可以单独控制其能量与电极的开关，从而控制高频电场与射频电流场的分布，每个消融电极传输复合电场能量的时间、电极极性、传输能量大小等都可独立控制，实现精准消融。

高频复合电场消融系统能够实现单独的电穿孔消融。

高频复合电场消融系统还能用于单独的精准射频加热消融。

高频复合电场消融系统还能够控制输出100-300kHz的低场强交变电场消融。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种高频复合电场消融系统，其特征在于，包括高频复合电场发生控制装置、电源模块和消融电极模块，其中，所述高频复合电场发生控制装置包括复合电场控制模块、高频电场发生模块、射频电流场发生模块、信号输出连接器，

所述电源模块被配置为提供电源至所述高频复合电场发生控制装置，

所述消融电极模块包括至少两个消融电极，所述消融电极模块被配置为将高频复合电场的能量作用于消融组织，

所述高频复合电场包括高频脉冲电场和高频的射频电流场，

所述高频复合电场发生控制装置被配置为通过所述复合电场控制模块控制所述高频电场发生模块以产生相应的高频脉冲电场信号并精准地控制所述高频脉冲电场信号的幅值、频率、相位，以及控制所述射频电流场发生模块中实时射频功率、射频电压、射频电流、射频阻抗、射频能量以产生相应的射频电流场信号，所述高频复合电场的能量信号经由所述信号输出连接器送至所述消融电极模块，

所述高频复合电场消融系统被配置为通过所述高频脉冲电场对组织细胞进行破坏或细胞膜的电穿孔，破碎所述组织细胞，使得细胞质与水分流出，以改变消融组织的物性，再施加所述射频电流场对所述消融组织进行射频加热，在所述消融组织中形成连续性的消融灶。

2.如权利要求1所述的高频复合电场消融系统，其特征在于，所述消融电极模块的形式包括消融探针、消融导管和消融球囊中的一种或多种。

3.如权利要求1所述的高频复合电场消融系统，其特征在于，所述消融电极模块还包括一个或多个温度传感器，所述温度传感器被配置为监测消融过程中的组织实时温度。

4.如权利要求1所述的高频复合电场消融系统，其特征在于，所述消融电极中的每一个被配置为可独立控制传输所述高频复合电场的能量信号。

5.如权利要求1所述的高频复合电场消融系统，其特征在于，所述复合电场控制模块包括控制器单元、电场选择控制单元、数据采集单元、显示控制单元和电极选择控制单元，其中，

所述显示控制单元被配置为设置系统参数传输至所述控制器单元，

所述控制器单元被配置为控制所述高频电场发生模块和射频电流场发生模块工作，并通过所述数据采集单元实时采集消融过程中的消融参数，以实时精准控制所述高频复合电场的消融过程，

所述高频电场发生模块被配置为发出电压幅值、频率、相位实时可调的高频脉冲信号，以实现消融组织的电穿孔或低场强的交变电场治疗，

所述射频电流场发生模块被配置为实时发出适当强度的射频电流场信号，以实现消融组织精准射频加热。

6.如权利要求1所述的高频复合电场消融系统，其特征在于，所述高频电场发生模块被配置为发出峰值在0-6kV/cm之间的高频脉冲电场信号，并且脉冲个数、脉冲频率、脉冲相位、电场强度实时可控。

7.如权利要求1所述的高频复合电场消融系统，其特征在于，所述高频电场发生模块采用DDS、嵌入式系统定时和PWM中的一种对控制输出信号进行调制。

8.如权利要求5所述的高频复合电场消融系统，其特征在于，所述电场选择控制单元采用快速电子开关控制技术，通过所述控制器单元实现对高频脉冲电场与射频电流场切换控制，从而将高频脉冲电场能量与射频电流场能量实时精准作用于消融组织。

9.如权利要求5所述的高频复合电场消融系统，其特征在于，所述射频电流场发生模块被配置为通过所述控制器单元进行快速功率控制、温度控制和能量控制中的一种或多种。

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