CN114983551B - 组织消融装置以及电化学阻抗测量装置 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种组织消融装置以及电化学阻抗测量装置，本申请通过对参与目标组织的电化学反应的法拉第电流以及所述第一输出端与所述第二输出端之间的电压差进行实时检测，可以根据电化学阻抗拟合函数得到相应的目标组织的电化学阻抗参数，从而可以根据目标组织的电化学阻抗参数得到目标组织在消融过程中产生的气泡量，以便于对输出的高压脉冲信号进行反馈控制，及时控制产生的气泡量。本申请可以在输出高压脉冲信号以进行组织消融的同时，就能够得到对应的气泡析出情况，无需生成额外的检测信号，工作效率较高。

Description

组织消融装置以及电化学阻抗测量装置
技术领域
本申请属于组织消融技术领域，尤其涉及一种组织消融装置以及电化学阻抗测量装置。
背景技术
目前，经血管导管消融作为一种用于治疗心律失常的有效方法，得到广泛的认可。消融的目的是破坏潜在的心律失常组织，阻止异常电信号传播或破坏心脏组织的异常电信号传导。
脉冲电场消融是近年来兴起的一种基于物理能量因子的新型组织消融手段，其主要利用不可逆电穿孔原理，通过高压脉冲电场作用于细胞，使细胞膜产生不可逆的穿孔，从而使细胞逐渐坏死，最终实现组织消融的目的。由于组织电特性不同，因而脉冲电场消融具有较好的组织选择性。如心肌组织对高压脉冲电场较为敏感，而神经组织则对脉冲电场耐受度较高，因此，通过合理地选择高压脉冲电场的强度，则可实现选择性的组织消融，如靠近神经和血管位置的肿瘤组织消融等。
但实际上，脉冲电场消融在产生不可逆电穿孔的过程中，组织仍然存在一定的发热，特别是不可逆电穿孔的脉冲参数（主要是脉冲电压、脉冲宽度和脉冲间隔时间等）直接影响着电极和组织的发热与温升。在脉冲电场房颤消融治疗中，电极所产生的热量可能导致血液中气泡的产生，从而带来严重的患者中风风险。除电极发热的因素外，血液放电时气泡析出更为主要的原因还在于电极与血液（作为电解液）间所产生的电化学反应，在电极与血液界面发生电化学反应时，将产生氢气或氧气的析出。
同时，脉冲电场消融过程中产生气泡的影响因素较多，不仅与脉冲能量和脉冲参数有关，还与血液微量成分、血液流速等相关，因而要控制脉冲电场消融过程中的气泡，最关键的并不是放电能量或脉冲参数的调节，而是气泡产生的脉冲能量阈值监测，或微量气泡的实时在线监测。只要能监测出微量气泡的产生，就可以很方便地对脉冲能量和脉冲参数进行调节，以控制气泡的进一步产生，防止对患者的生命安全造成影响，但目前还没有一种可以对脉冲电场消融过程中的血液微量气泡产生进行实时监测的方法。
发明内容
本申请的目的在于提供一种组织消融装置以及电化学阻抗测量装置，旨在解决传统的脉冲电场消融存在的无法对微量气泡实时监测的问题。
本申请实施例的第一方面提供了一种组织消融装置，包括：高压脉冲模块，被配置为根据脉冲控制信号生成相应的高压脉冲信号，并通过所述高压脉冲模块的第一输出端和第二输出端向目标组织施加所述高压脉冲信号，所述第一输出端用于与第一电极连接，所述第二输出端用于与第二电极连接；法拉第电流检测模块，设置在所述高压脉冲模块与所述第一电极和所述第二电极之间，被配置为基于流经所述第一电极和所述第二电极的电流，生成对应采样信号；差分采样模块，与所述高压脉冲模块的第一输出端和第二输出端连接，被配置为根据所述第一输出端和所述第二输出端的电压变化分别生成并输出第一反馈电压和第二反馈电压；电压处理模块，与所述差分采样模块连接，被配置为根据所述第一反馈电压和所述第二反馈电压生成并输出电压反馈信号，所述电压反馈信号与所述第一输出端与所述第二输出端之间的电压差相对应；高频采样模块，分别与所述电压处理模块和所述法拉第电流检测模块连接，被配置为根据所述电压反馈信号和所述采样信号生成并输出对应的数字反馈信号；主控模块，分别与所述高压脉冲模块和所述高频采样模块连接，被配置为根据接收到的所述数字反馈信号得到法拉第电流和所述第一输出端与所述第二输出端之间的电压差，并根据所述法拉第电流和所述第一输出端与所述第二输出端之间的电压差以及电化学阻抗拟合函数得到所述目标组织的电化学阻抗参数以用于生成对应的所述脉冲控制信号，其中，所述电化学阻抗拟合函数通过基于所述目标组织的等效电路模型进行脉冲电场消融模拟实验时得到的电参数拟合得到。
其中一实施例中，所述法拉第电流检测模块包括第一采样电阻、第二采样电阻、第一差分电压采样单元和第二差分电压采样单元；所述第一采样电阻串联在所述第一输出端与所述第一电极之间，所述第二采样电阻串联在所述第二输出端与所述第二电极之间，所述第一差分电压采样单元分别与所述第一采样电阻的两端以及所述高频采样模块连接，所述第二差分电压采样单元分别与所述第二采样电阻的两端以及所述高频采样模块连接，所述第一差分电压采样单元用于采集所述第一采样电阻两端的第一电压差，所述第二差分电压采样单元用于采集所述第二采样电阻两端的第二电压差，所述采样信号包括所述第一电压差和所述第二电压差；所述高频采样模块被配置为基于所述第一电压差和所述第二电压差生成并输出对应的所述数字反馈信号，所述主控模块被配置为基于所述数字反馈信号以及所述第一采样电阻的阻值和所述第二采样电阻的阻值得到参与所述目标组织的电化学反应的法拉第电流。
其中一实施例中，所述法拉第电流检测模块包括第一电流采样探头和第二电流采样探头，所述第一电流采样探头设置在所述第一输出端与所述第一电极之间导线上并与所述高频采样模块电连接，所述第二电流采样探头设置在所述第二输出端与所述第二电极之间导线上并与所述高频采样模块电连接；所述第一电流采样探头被配置为基于流经所述第一输出端与所述第一电极之间导线的电流生成并向所述高频采样模块输出第一电流反馈信号，所述第二电流采样探头被配置为基于流经所述第二输出端与所述第二电极之间导线的电流生成并向所述高频采样模块输出第二电流反馈信号，所述采样信号包括所述第一电流反馈信号和所述第二电流反馈信号；所述高频采样模块被配置为基于所述第一电流反馈信号和所述第二电流反馈信号生成并输出对应的数字反馈信号，所述主控模块被配置为基于所述数字反馈信号得到参与所述目标组织的电化学反应的法拉第电流。
其中一实施例中，所述差分采样模块包括第一采样支路和第二采样支路，所述第一采样支路连接在所述第一输出端与所述电压处理模块之间，所述第二采样支路连接在所述第二输出端与所述电压处理模块之间；所述第一采样支路被配置为生成所述第一反馈电压，所述第二采样支路被配置为生成所述第二反馈电压。
其中一实施例中，所述第一采样支路包括第一宽带分压单元和第一单端放大单元；所述第一宽带分压单元分别与所述第一输出端和所述第一单端放大单元连接，所述第一单端放大单元还与所述电压处理模块连接，所述第一单端放大单元被配置为根据所述第一宽带分压单元分压得到的电压生成所述第一反馈电压。
其中一实施例中，所述第二采样支路包括第二宽带分压单元和第二单端放大单元；所述第二宽带分压单元分别与所述第一输出端和所述第二单端放大单元连接，所述第二单端放大单元还与所述电压处理模块连接，所述第二单端放大单元被配置为根据所述第二宽带分压单元分压得到的电压生成所述第二反馈电压。
其中一实施例中，所述第一采样支路还包括第一保护单元，所述第二采样支路还包括第二保护单元，所述第一保护单元连接在所述第一宽带分压单元和所述第一单端放大单元之间，所述第二保护单元连接在所述第二宽带分压单元和所述第二单端放大单元之间；所述第一保护单元和所述第二保护单元被配置为分别限制传输至所述第一单端放大单元和所述第二单端放大单元的电压的幅值。
其中一实施例中，所述电压处理模块包括相互连接的差分放大单元和第三保护单元，所述差分放大单元还与所述差分采样模块连接，所述差分放大单元被配置为根据所述第一反馈电压和所述第二反馈电压生成所述电压反馈信号，所述第三保护单元还与所述高频采样模块连接，所述第三保护单元被配置为限制传输至所述高频采样模块的电压的幅值。
其中一实施例中，所述高频采样模块包括依次连接的滤波整形单元、量程选择单元、AD转换单元和采样处理单元，所述滤波整形单元分别与所述电压处理模块和所述法拉第电流检测模块连接，所述采样处理单元与所述主控模块连接以及所述量程选择单元连接；所述滤波整形单元被配置为将接收到的所述电压反馈信号和所述采样信号按照设定的量程进行转换得到对应的模拟信号，所述AD转换单元被配置为根据预设频率对所述模拟信号进行采样得到数字信号；所述采样处理单元被配置为根据所述AD转换单元输出的所述数字信号生成相应的数字反馈信号并根据所述数字反馈信号配置所述量程选择单元的量程。
本申请实施例的第二方面提供了一种电化学阻抗测量方法，应用于组织消融装置，用于获取目标组织的电化学阻抗参数，所述电化学阻抗测量方法包括：通过电极对对所述目标组织施加高压脉冲信号；在该电极对侧获取法拉第电流和该电极对之间的电压差；根据所述法拉第电流、所述电压差以及电化学阻抗拟合函数得到所述目标组织对应的所述电化学阻抗参数；其中，所述电化学阻抗拟合函数通过基于所述目标组织的等效电路模型进行脉冲电场消融模拟实验时得到的电参数拟合得到。
其中一实施例中，所述电化学阻抗拟合函数通过基于所述目标组织的等效电路模型进行脉冲电场消融模拟实验时得到的电参数拟合得到包括：建立所述目标组织的等效电路模型；通过所述等效电路模型进行多次脉冲电场消融模拟实验，将实验得到的所述法拉第电流、所述电压差以及所述等效电路模型的电化学阻抗参数进行曲线拟合，得到所述电化学阻抗拟合函数。
其中一实施例中，所述通过所述等效电路模型进行多次脉冲电场消融模拟实验，将实验得到的所述法拉第电流、所述电压差以及所述等效电路模型的电化学阻抗参数进行曲线拟合，得到所述电化学阻抗拟合函数包括：在施加不同的所述高压脉冲信号或设置不同的所述等效电路模型的情况下，获取多组对应的数字反馈信号；根据各组所述数字反馈信号得到对应的所述法拉第电流和所述电压差；将各组所述法拉第电流、所述电压差以及对应的所述等效电路模型的电化学阻抗参数进行曲线拟合，得到所述电化学阻抗拟合函数。
本申请实施例与现有技术相比存在的有益效果是：通过对参与目标组织的电化学反应的法拉第电流以及所述第一输出端与所述第二输出端之间的电压差进行实时检测，可以根据电化学阻抗拟合函数得到相应的目标组织的电化学阻抗参数，从而可以根据目标组织的电化学阻抗参数得到目标组织在消融过程中产生的气泡量，以便于对输出的高压脉冲信号进行反馈控制，及时控制产生的气泡量。本申请可以在输出高压脉冲信号以进行组织消融的同时，就能够得到对应的气泡析出情况，无需生成额外的检测信号，工作效率较高。本申请还可以在电化学阻抗参数中的数据超过安全阈值时，即气泡析出过量时，及时停止高压脉冲信号的输出，保障病人安全。
附图说明
图1为本申请第一实施例提供的组织消融装置的原理示意图；
图2为本申请第一实施例提供的法拉第电流检测模块的原理示意图；
图3为本申请第一实施例提供的电流波形示意图；
图4为本申请另一实施例提供的法拉第电流检测模块的原理示意图；
图5为本申请另一实施例提供的耦合线圈的结构示意图；
图6为本申请另一实施例提供的电流采样探头的等效电路示意图；
图7为本申请第一实施例提供的差分采样模块及电压处理模块的原理示意图；
图8为本申请第一实施例提供的差分采样模块的电路示意图；
图9为本申请另一实施例提供的保护单元的原理示意图；
图10为本申请另一实施例提供的保护单元的电路示意图；
图11为本申请第一实施例提供的差分放大单元的电路示意图；
图12为本申请第一实施例提供的高频采样模块的原理示意图；
图13为本申请第二实施例提供的电化学阻抗测量方法的流程图；
图14为本申请第二实施例提供的等效电路模型的示意图；
图15为本申请第二实施例提供的获取电化学阻抗拟合函数的具体流程图；
图16为图15中步骤S220的具体流程图；
图17为本申请第三实施例提供的生物阻抗测量方法的流程图；
图18为图17中步骤S500的具体流程图；
图19为硬阈值函数和软阈值函数的示意图。
上述附图说明：100、高压脉冲模块；110、第一电极；120、第二电极；200、差分采样模块；210、第一采样支路；211、第一宽带分压单元；212、第一单端放大单元；220、第二采样支路；221、第二宽带分压单元；222、第二单端放大单元；230、第一保护单元；240、第二保护单元；300、电压处理模块；310、差分放大单元；320、第三保护单元；400、法拉第电流检测模块；410、第一差分电压采样单元；420、第二差分电压采样单元；430、第一电流采样探头；440、第二电流采样探头；451、耦合线圈；452、负载单元；500、高频采样模块；510、滤波整形单元；520、量程选择单元；530、AD转换单元；540、采样处理单元；550、光纤传输模块；600、主控模块；700、辅助电源；800、目标组织；900、人机交互模块。
具体实施方式
为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
图1示出了本申请第一实施例提供的组织消融装置的原理示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
一种组织消融装置，包括高压脉冲模块100、差分采样模块200、电压处理模块300、法拉第电流检测模块400、高频采样模块500和主控模块600。
高压脉冲模块100被配置为根据脉冲控制信号生成相应的高压脉冲信号，并通过高压脉冲模块100的第一输出端V1和第二输出端V2向目标组织800施加高压脉冲信号，第一输出端V1用于与第一电极110连接，第二输出端V2用于与第二电极120连接，目标组织800可以是生物组织，高压脉冲信号的幅值范围为0.5V~5kV，脉冲宽度为0.5us～200us，第一电极110和第二电极120可以是电极针。法拉第电流检测模块400设置在高压脉冲模块100与第一电极110和第二电极120之间，被配置为基于流经第一电极110和第二电极120的电流差值，生成对应采样信号，电流差值与参与目标组织800的电化学反应的法拉第电流IF相对应。差分采样模块200与高压脉冲模块100的第一输出端V1和第二输出端V2连接，被配置为根据第一输出端V1和第二输出端V2的电压变化分别生成并输出第一反馈电压和第二反馈电压。电压处理模块300与差分采样模块200连接，被配置为根据第一反馈电压和第二反馈电压生成并输出电压反馈信号，电压反馈信号与第一输出端V1与第二输出端V2之间的电压差相对应。高频采样模块500分别与电压处理模块300和法拉第电流检测模块400连接，被配置为根据电压反馈信号和采样信号生成并输出对应的数字反馈信号。主控模块600分别与高压脉冲模块100和高频采样模块500连接，被配置为根据接收到的数字反馈信号得到法拉第电流IF和第一输出端V1与第二输出端V2之间的电压差，并根据法拉第电流IF和第一输出端V1与第二输出端V2之间的电压差以及电化学阻抗拟合函数得到目标组织800的电化学阻抗参数以用于生成对应的脉冲控制信号。主控模块600可以是工控机、单片机或微控制器。其中，电化学阻抗拟合函数可以通过基于目标组织800的等效电路模型进行脉冲电场消融模拟实验时得到的电参数拟合得到。
需要说明的是，在高压脉冲信号施加到目标组织800上时，电极会在血液中放电，同时在电极的表面会发生氧化还原反应，从使气泡析出，改变目标组织800的电化学阻抗参数。根据电化学理论，在氧化还原反应过程中，穿过电极与血液的电子数与化学反应的程度有关，其反应物的消耗和气体等产物的生成量有关，若目标组织800发生了电化学反应，例如氧化还原反应，则会使得流经第一电极110的电流与流经第二电极120的电流之间存在差值，该电流差值即为参与目标组织800的电化学反应的法拉第电流IF。因此，根据法拉第电流IF、第一输出端V1和第二输出端V2之间的电压差以及电化学阻抗拟合函数得到的电化学阻抗参数能够很好地反应出气泡析出量，从而可以在电化学阻抗参数中的部分数据超出预设阈值时，主控模块600可以实时生成相应的脉冲控制信号，对高压脉冲信号进行调节或停止输出高压脉冲信号。
本实施例中，如图1所示，还包括辅助电源700，辅助电源700分别与电压处理模块300、法拉第电流检测模块400、高频采样模块500和主控模块600连接，辅助电源700被配置为生成多级工作电压，可以为电压处理模块300、法拉第电流检测模块400、高频采样模块500和主控模块600供电。
本实施例中，如图1所示，还包括人机交互模块900，人机交互模块900与主控模块600连接。人机交互模块900可以是触控屏、实体按键等设备，用于向主控模块600录入相关参数以及显示主控模块600的组织消融装置和得到的目标组织800的电化学阻抗参数。
本实施例中，如图2所示，法拉第电流检测模块400包括第一采样电阻CSR1、第二采样电阻CSR2、第一差分电压采样单元410和第二差分电压采样单元420。第一采样电阻CSR1串联在第一输出端V1与第一电极110之间，第二采样电阻CSR2串联在第二输出端V2与第二电极120之间，第一差分电压采样单元410分别与第一采样电阻CSR1的两端以及高频采样模块500连接，第二差分电压采样单元420分别与第二采样电阻CSR2的两端以及高频采样模块500连接，第一差分电压采样单元410用于采集第一采样电阻CSR1两端的第一电压差，第二差分电压采样单元420用于采集第二采样电阻CSR2两端的第二电压差。在一示例中，第一差分电压采样单元410和第二差分电压采样单元420均为采用运算放大器的差分放大电路。高频采样模块500被配置为基于第一电压差和第二电压差生成并输出对应的数字反馈信号，主控模块600被配置为基于数字反馈信号以及第一采样电阻CSR1的阻值和第二采样电阻CSR2的阻值得到参与目标组织800的电化学反应的法拉第电流IF。
具体地，主控模块600可以从数字反馈信号中得到第一电压差和第二电压差，在第一采样电阻CSR1和第二采样电阻CSR2的阻值为已知参数的情况下，可以计算出分别流经第一采样电阻CSR1和第二采样电阻CSR2的第一电流I1和第二电流I2，第一电流I1等于流经第一电极110的电流，第二电流I2等于流经第二电极120。例如，当第一电流I1为输出电流，第二电流I2为输入电流时，第一电流I1、第二电流I2和法拉第电流IF的波形如图3所示，将第一电流I1和第二电流I2相减，可得到相应的法拉第电流IF。
另一实施例中，如图4所示，法拉第电流检测模块400包括第一电流采样探头430和第二电流采样探头440，第一电流采样探头430设置在第一输出端V1与第一电极110之间导线上并与高频采样模块500电连接，第二电流采样探头440设置在第二输出端V2与第二电极120之间导线上并与高频采样模块500电连接。
其中，第一电流采样探头430被配置为基于流经第一输出端V1与第一电极110之间导线的电流生成并向高频采样模块500输出对应的第一电流反馈信号，第二电流采样探头440被配置为基于流经第二输出端V2与第二电极120之间导线的电流生成并向高频采样模块500输出对应的第二电流反馈信号，采样信号包括第一电流反馈信号和第二电流反馈信号。高频采样模块500被配置为基于第一电流反馈信号和第二电流反馈信号生成并输出对应的数字反馈信号，主控模块600被配置为基于数字反馈信号得到两条导线上的电流，从而可以得到参与目标组织的电化学反应的法拉第电流。
通过采用第一电流采样探头430和第二电流采样探头440与导线进行耦合的方式对电流进行检测，可以减少对相关采样电参数、电路的影响，不影响组织消融装置的正常工作。
在一示例中，如图5所示，第一电流采样探头430和第二电流采样探头440结构相同，均包括耦合线圈451和负载单元452，耦合线圈451可以套设在第一输出端V1或第二输出端V2的导线上，耦合线圈451的输出端与负载单元452连接，负载单元452还与高频采样模块500连接，耦合线圈451被配置为根据导线的电流生成相应的感应电流，负载单元452被配置为根据感应电流生成并输出对应的电流反馈信号，即第一电流采样探头430的负载单元452输出第一电流反馈信号，第二电流采样探头440的负载单元452输出第二电流反馈信号。
具体地，耦合线圈451和负载单元452的等效电路图如图6所示，耦合线圈451具体可以是自积分式罗可夫斯基线圈，在等效电路图中耦合线圈451包括依次串联的等效电源M、等效电感L1和等效电阻RC，负载单元452可以是负载电阻R16。耦合线圈451可以套设在对应导线上且耦合线圈451的两个感应电流输出端（等效电源M的一端和等效电阻RC的一端）分别与负载单元452的两端连接，以将感应电流输出至负载单元452，负载单元452的两端均与高频采样模块500连接，当感应电流流经负载单元452时，高频采样模块500可以对负载单元452两端的电压（电流反馈信号）进行采样，以得到对应的电流反馈信号，并根据电流反馈信号生成并输出对应的数字反馈信号。
本实施例中，如图7所示，差分采样模块200包括第一采样支路210和第二采样支路220，第一采样支路210连接在第一输出端V1与电压处理模块300之间，第二采样支路220连接在第二输出端V2与电压处理模块300之间；第一采样支路210被配置为生成第一反馈电压，第二采样支路220被配置为生成第二反馈电压。
差分采样模块200可以对双极性的高压脉冲信号进行差分采样，同时通过两个独立的采样支路分别对第一输出端V1和第二输出端V2的电压进行采样，可以避免第一输出端V1和第二输出端V2之间相互影响，可以获得较为准确的相应的第一反馈电压和第二反馈电压。
本实施例中，第一采样支路210包括第一宽带分压单元211和第一单端放大单元212；第一宽带分压单元211分别与第一输出端V1和第一单端放大单元212连接，第一单端放大单元212还与电压处理模块300连接，第一单端放大单元212被配置为根据第一宽带分压单元211分压得到的电压生成第一反馈电压。第二采样支路220包括第二宽带分压单元221和第二单端放大单元222；第二宽带分压单元221分别与第一输出端V1和第二单端放大单元222连接，第二单端放大单元222还与电压处理模块300连接，第二单端放大单元222被配置为根据第二宽带分压单元221分压得到的电压生成第二反馈电压。
需要说明的是，由于高压脉冲信号的电压幅值过高，因此需要第一宽带分压单元211和第二宽带分压单元221对其进行分压，同时为了能够在不失真的情况下地获取第一输出端V1和第二输出端V2的电压信号，第一宽带分压单元211和第二宽带分压单元221的带宽较高，高频信号和低频信号均可以通过第一宽带分压单元211或第二宽带分压单元221传输至第一单端放大单元212或第二单端放大单元222。第一单端放大单元212和第二单端放大单元222可以分别将经过分压后的第一输出端V1和第二输出端V2的电压以一定倍数进行放大，得到第一反馈电压和第二反馈电压。第一单端放大单元212和第二单端放大单元222的放大倍数可根据实际情况进行配置，本实施例不对其进行限制。本实施例中，第一单端放大单元212和第二单端放大单元222可达到70MHz的增益带宽积（Gain-Bandwidth Product；GBWP），可以得到200V/μs的压摆率和6.3nV/√Hz的低噪声电压。
其中，第一宽带分压单元211包括第一低频阻抗分压单元和第一高频阻抗分压单元，第一低频阻抗分压单元分别与第一输出端V1和第一单端放大单元212连接，第一高频阻抗分压单元与第一低频阻抗分压单元并联。第二宽带分压单元221包括第二低频阻抗分压单元和第二高频阻抗分压单元，第二低频阻抗分压单元分别与第一输出端V1和第二单端放大单元222连接，第二高频阻抗分压单元与第二低频阻抗分压单元并联。第一低频阻抗分压单元用于对第一输出端V1的低频信号进行分压，第二低频阻抗分压单元用于对第二输出端V2的低频信号进行分压，第一高频阻抗分压单元用于对第一输出端V1的高频信号进行分压，第二高频阻抗分压单元用于对第二输出端V2的高频信号进行分压。本实施例中，即使高压脉冲信号的电压幅值为5kV，通过第一宽带分压单元211和第二宽带分压单元221的分压，最终分压得到的最大电压仍不超过5V，同时还能保留第一输出端V1和第二输出端V2的电压变化情况。
在一示例中，如图8所示，第一低频阻抗分压单元包括依次串联的电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4，电阻R1与第一输出端V1连接，电阻R4与第一单端放大单元212连接。第一高频阻抗分压单元包括依次串联的电容C1、电容C2、电容C3和电容C4，电容C1、电容C2、电容C3和电容C4分别与电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4一一对应且相互并联。电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4均为高频无感电阻，电容C1、电容C2、电容C3和电容C4均为低等效电感的电容。
具体地，第一单端放大单元212和第二单端放大单元222均为同相放大器电路。在一示例中，如图8所示，第一单端放大单元212包括第一运算放大器U1、第一反馈电阻R9和第二反馈电阻R10，第一运算放大器U1的正相输入端与第一宽带分压单元211连接，第一运算放大器U1的输出端与电压处理模块300连接，第一反馈电阻R9的第一端与第一运算放大器U1的输出端连接，第一反馈电阻R9的第二端与第一运算放大器U1的反相输入端连接，第二反馈电阻R10的第一端与第一运算放大器U1的反相输入端连接，第二反馈电阻R10的第二端与地端连接。第二单端放大单元222包括第二运算放大器U2、第三反馈电阻R11和第四反馈电阻R12，第二运算放大器U2的正相输入端与第二宽带分压单元221连接，第二运算放大器U2的输出端与电压处理模块300连接，第三反馈电阻R11的第一端与第二运算放大器U2的输出端连接，第三反馈电阻R11的第二端与第二运算放大器U2的反相输入端连接，第四反馈电阻R12的第一端与第二运算放大器U2的反相输入端连接，第四反馈电阻R12的第二端与地端连接。
另一实施例中，如图9所示，第一采样支路210还包括第一保护单元230，第二采样支路220还包括第二保护单元240，第一保护单元230连接在第一宽带分压单元211和第一单端放大单元212之间，第二保护单元240连接在第二宽带分压单元221和第二单端放大单元222之间。第一保护单元230和第二保护单元240被配置为分别限制传输至第一单端放大单元212和第二单端放大单元222的电压的幅值。本实施例中，第一保护单元230和第二保护单元240电路结构相同。
在一示例中，如图10所示，第一保护单元230包括分压电阻R17和击穿二极管VT1，分压电阻R17的第一端与第一宽带分压单元211连接，分压电阻R17的第二端与第一单端放大单元212连接，击穿二极管VT1的负极与分压电阻R17的第二端连接，击穿二极管VT1的正极与地端连接。当第一宽带分压单元211输出的电压的幅值过高时并大于击穿二极管VT1的击穿电压时，击穿二极管VT1被击穿，使得分压电阻R17的第二端接地，以释放电压。
本实施例中，电压处理模块300包括差分放大单元310，差分放大单元310分别与差分采样模块200和高频采样模块500连接，差分放大单元310被配置为根据第一反馈电压和第二反馈电压生成电压反馈信号。
需要说明的是，差分放大单元310可以是差分放大电路，可以根据将第一反馈电压和第二反馈电压之间的电压差以一定倍数放大，从而生成对应的电压反馈信号。
在一示例中，如图11所示，差分放大单元310包括第三运算放大器U3和第五反馈电阻R15，第三运算放大器U3的正相输入端与第一单端放大单元212连接，第三运算放大器U3的反相输入端与第二单端放大单元222连接，第五反馈电阻R15的第一端与第三运算放大器U3的输出端连接，第五反馈电阻R15的第二端与第三运算放大器U3的反相输入端连接。
另一实施例中，如图9、图10所示，电压处理模块300还包括第三保护单元320，第三保护单元320连接在差分放大单元310与高频采样模块500之间；第三保护单元320被配置为限制传输至高频采样模块500的电压幅值。第三保护单元320用于对电压反馈信号进行限幅。第一保护单元230、第二保护单元240和第三保护单元320结构相同。
本实施例中，如图12所示，高频采样模块500包括依次连接的滤波整形单元510、量程选择单元520、AD转换单元530和采样处理单元540，滤波整形单元510分别与电压处理模块300和法拉第电流检测模块400连接，采样处理单元540与主控模块600连接以及量程选择单元520连接；采样处理单元540被配置为根据AD转换单元530输出的数字信号生成相应的数字反馈信号并根据数字反馈信号配置量程选择单元520的量程。
其中，滤波整形单元510用于对电压反馈信号和采样信号进行滤波、整形，以得到畸变较小的电压反馈信号和采样信号。量程选择单元520根据设定的量程对电压反馈信号和采样信号进行变换并输出与AD转换单元530的输入量程对应的模拟信号。AD转换单元530被配置为根据预设频率对模拟信号进行采样，以用于将模拟信号转换至数字信号。采样处理单元540用于根据数字信号得到对应的数字反馈信号，并根据数字反馈信号对量程选择单元520设定的量程进行配置，以进一步提高精确度。采样处理单元540可以是现场可编程逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array；FPGA）或数字信号处理（Digital SignalProcessing；DSP）单元。
其中，数字反馈信号包括电压数字信号和采样数字信号，电压数字信号对应第一输出端V1和第二输出端V2之间（即目标组织800两端之间）的电压值，采样数字信号对应第一电流I1和第二电流I2。
本实施例中，高频采样模块500外还包裹有屏蔽壳体，用于屏蔽外部的电磁电信号。
本实施例中，如图12所示，高频采样模块500还包括与采样处理单元540连接的光纤传输模块550，光纤传输模块550用于与主控模块600通信连接，即采样处理单元540与主控模块600之间通过光纤传输模块550通信连接。
图13示出了本申请第二实施例提供的电化学阻抗测量方法的流程图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
一种电化学阻抗测量方法，可应用于如上述任一实施例的组织消融装置，用于获取目标组织800的电化学阻抗参数。电化学阻抗测量方法包括步骤S100~S300：
S100、通过电极对对目标组织800施加高压脉冲信号。
S200、在该电极对侧获取法拉第电流IF和该电极对之间的电压差。
S300、根据法拉第电流IF、电压差以及电化学阻抗拟合函数得到目标组织800对应的电化学阻抗参数。
其中，电化学阻抗拟合函数通过基于目标组织800的等效电路模型进行脉冲电场消融模拟实验时得到的电参数拟合得到，等效电路模型如图14所示，本实施例中，等效电路模型中的电化学阻抗参数包括组织和溶液电阻RΩ、法拉第阻抗Zf、双电层电容Cd、寄生电容Cp以及寄生电感Ls。其中，法拉第阻抗Zf代表了电化学反应体系中的非线性阻抗，其参数与高压脉冲信号的频率相关；双电层电容Cd代表了消融电极在血液中的等效电容；寄生电容Cp和寄生电感Ls分别代表了整个回路的寄生电容和寄生电感。
需要说明的是，由于目标组织800的电化学阻抗模型较为复杂，包含的参数较多且难以直接进行检测，因此为了能够实时获取目标组织800的电化学阻抗参数，本实施例通过曲线拟合获取电化学阻抗拟合函数的方式，可以仅需要采集容易检测的法拉第电流IF以及电极对之间的电压差，其中，电极对之间的电压差可用第一输出端V1和第二输出端V2之间的电压差代替，就可以得到实时的电化学阻抗参数，进而根据实时的电化学阻抗参数判断气泡析出的情况。
本实施例中，如图15所示，步骤S300之前，具体还包括步骤S210~S220：
S210、建立目标组织800的等效电路模型。
S220、通过等效电路模型进行多次脉冲电场消融模拟实验，将实验得到的法拉第电流IF、电压差以及等效电路模型的电化学阻抗参数进行曲线拟合，得到电化学阻抗拟合函数。
步骤S210~S220用于基于目标组织800的等效电路模型获取电化学阻抗拟合函数。通过建立等效电路模型，可以准确地对其中的参数进行调整，以获得更多组不同的数据，提高电化学阻抗拟合函数准确性。
本实施例中，如图16所示，步骤S220具体包括步骤S221~S223：
S221、在施加不同的高压脉冲信号或设置不同的等效电路模型的情况下，获取多组对应的数字反馈信号。
S222、根据各组数字反馈信号得到对应的法拉第电流IF和电压差。
S223、将各组法拉第电流IF、电压差以及对应的等效电路模型的电化学阻抗参数进行曲线拟合，得到电化学阻抗拟合函数。
具体地，步骤S223中，所采用的曲线拟合方式为，先设定目标多元函数，通过搜索算法或迭代算法实现目标多元函数的优化，得到电化学阻抗拟合函数。其中，可采用的迭代算法包括牛顿迭代法（Newton’s method）、麦夸特法（Levenberg-Marquardt method）和变尺度法等。此外，由于目标组织800的电化学阻抗模型所描述的为复数模型，需同时对各阻抗的实部和虚部进行拟合，将进一步增加迭代算法求解非线性方程的复杂度。本实施例采用多维下降单纯形法（Nelder-Mead method）进行目标多元函数的迭代，以得到电化学阻抗拟合函数。
图17示出了本申请第三实施例提供的生物阻抗测量方法的流程图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
本实施例中，生物阻抗测量方法可以应用于如上述任一实施例的组织消融装置，得到的生物阻抗可用于气泡析出的判断。
如图17所示，生物阻抗测量方法具体包括步骤S400~S600：
S400、在高压脉冲模块100输出高压脉冲信号的情况下，获取高频采样模块500提供的数字反馈信号。其中，数字反馈信号包括电压数字信号和电流数字信号，电压数字信号对应正极输出端V1和负极输出端V2之间（即目标组织800两端之间）的电压值，电流数字信号对应流经正极输出端V1或负极输出端V2（即流经目标组织800）的电流值。
S500、将数字反馈信号进行小波去噪滤波处理，得到重构信号。其中，重构信号包括与电压数字信号对应的电压重构信号以及与电流数字信号对应的电流重构信号。
S600、将重构信号进行快速傅里叶变换，得到目标组织800的生物电阻抗。
通过如上述生物阻抗测量方法可以避免高压脉冲信号过高的电压的影响，获得实 时的生物电阻抗
Figure 674814DEST_PATH_IMAGE001
。
具体地，快速傅里叶变换的公式为：
Figure 42342DEST_PATH_IMAGE002
；式中，
Figure 283967DEST_PATH_IMAGE003
为电压重构 信号，
Figure 496774DEST_PATH_IMAGE004
为电压重构信号。
本实施例中，高压脉冲模块100、差分采样模块200、电压处理模块300、法拉第电流检测模块400和高频采样模块500可用于实现步骤S400，主控模块600可用于实现步骤S500和步骤S600。
如图18所示，步骤S500具体包括步骤S510~S530：
S510、将数字反馈信号进行离散小波变换，得到各层小波系数Cj,k。其中，k为第j层小波空间的小波系数阶数。其中，j=1，2，…，J。J为自然数，可根据实际情况进行设置。
S520、将各个小波系数Cj,k代入阈值函数以进行阈值函数处理。
S530、将阈值函数处理后的小波系数Cj,k进行离散小波反变换得到重构信号。
具体地，步骤S520中，需要先计算全局阈值λ或尺度相关阈值λj。I为自然数，可根 据实际情况进行设置。全局阈值λ的计算公式为：
Figure 77928DEST_PATH_IMAGE005
，式中，n为全局信号长 度；尺度相关阈值λj的计算公式为：
Figure 350777DEST_PATH_IMAGE006
，式中，nj为各层小波系数的信号 长度，系数σj可根据经验确定，也可由下式确定：
Figure 79699DEST_PATH_IMAGE007
，式中，MAD()表示对括号中的数值取中值，
Figure 96196DEST_PATH_IMAGE008
为小波系数序列中的中值，系数q可根据经验在0.4~1之 间选取，进一步的，可以将q值取为0.6~0.8之间。本实施例采用的全局阈值λ，具体采用全局 阈值λ还是尺度相关阈值λj可根据实际需求决定。
步骤S520中，阈值函数包括硬阈值函数和软阈值函数，硬阈值函数和软阈值函数的示意图如图18所示，硬阈值函数仅保留绝对值大于全局阈值λ的小波系数，并且被保留的小波系数与原始系数相同，而较小的小波系数则置零，硬阈值函数具体为：
Figure 531857DEST_PATH_IMAGE009
软阈值函数对绝对值小于全局阈值λ的小波系数值同样取零，绝对值大于全局阈值λ的小波系数数值则用λ来收缩，软阈值函数具体为：
Figure 238257DEST_PATH_IMAGE010
当步骤S520中采用硬阈值函数时，阈值函数在全局阈值λ处不连续，会造成较大的 方差，使重构信号产生附加的振荡，不具有同原始信号一样的光滑性，即则在执行步骤S530 之后可以获得与数字反馈信号的波形更接近的重构信号。当步骤S520中采用软阈值函数 时，软阈值函数通常会使去噪后的信号更平滑，但也会丢失信号的某些特征，影响重构信号 与原始信号的逼近程度，即则在执行步骤S530之后可以获得比数字反馈信号的波形更平滑 的重构信号。其中，离散小波反变换公式为：
Figure 188896DEST_PATH_IMAGE011
，式中，
Figure 9084DEST_PATH_IMAGE012
为各小 波系数Cj,k对应的尺度函数。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种组织消融装置，其特征在于，包括：
高压脉冲模块，被配置为根据脉冲控制信号生成相应的高压脉冲信号，并通过所述高压脉冲模块的第一输出端和第二输出端向目标组织施加所述高压脉冲信号，所述第一输出端用于与第一电极连接，所述第二输出端用于与第二电极连接；
法拉第电流检测模块，设置在所述高压脉冲模块与所述第一电极和所述第二电极之间，被配置为基于流经所述第一电极和所述第二电极的电流，生成对应采样信号；
差分采样模块，与所述高压脉冲模块的第一输出端和第二输出端连接，被配置为根据所述第一输出端和所述第二输出端的电压变化分别生成并输出第一反馈电压和第二反馈电压；
电压处理模块，与所述差分采样模块连接，被配置为根据所述第一反馈电压和所述第二反馈电压生成并输出电压反馈信号，所述电压反馈信号与所述第一输出端与所述第二输出端之间的电压差相对应；
高频采样模块，分别与所述电压处理模块和所述法拉第电流检测模块连接，被配置为根据所述电压反馈信号和所述采样信号生成并输出对应的数字反馈信号；
主控模块，分别与所述高压脉冲模块和所述高频采样模块连接，被配置为根据接收到的所述数字反馈信号得到法拉第电流和所述第一输出端与所述第二输出端之间的电压差，并根据所述法拉第电流和所述第一输出端与所述第二输出端之间的电压差以及电化学阻抗拟合函数得到所述目标组织的电化学阻抗参数以用于生成对应的所述脉冲控制信号，其中，所述电化学阻抗拟合函数通过基于所述目标组织的等效电路模型进行脉冲电场消融模拟实验时得到的电参数拟合得到。
2.如权利要求1所述的组织消融装置，其特征在于，所述法拉第电流检测模块包括第一采样电阻、第二采样电阻、第一差分电压采样单元和第二差分电压采样单元；
所述第一采样电阻串联在所述第一输出端与所述第一电极之间，所述第二采样电阻串联在所述第二输出端与所述第二电极之间，所述第一差分电压采样单元分别与所述第一采样电阻的两端以及所述高频采样模块连接，所述第二差分电压采样单元分别与所述第二采样电阻的两端以及所述高频采样模块连接，所述第一差分电压采样单元用于采集所述第一采样电阻两端的第一电压差，所述第二差分电压采样单元用于采集所述第二采样电阻两端的第二电压差，所述采样信号包括所述第一电压差和所述第二电压差；
所述高频采样模块被配置为基于所述第一电压差和所述第二电压差生成并输出对应的所述数字反馈信号，所述主控模块被配置为基于所述数字反馈信号以及所述第一采样电阻的阻值和所述第二采样电阻的阻值得到参与所述目标组织的电化学反应的法拉第电流。
3.如权利要求1所述的组织消融装置，其特征在于，所述法拉第电流检测模块包括第一电流采样探头和第二电流采样探头，所述第一电流采样探头设置在所述第一输出端与所述第一电极之间导线上并与所述高频采样模块电连接，所述第二电流采样探头设置在所述第二输出端与所述第二电极之间导线上并与所述高频采样模块电连接；
所述第一电流采样探头被配置为基于流经所述第一输出端与所述第一电极之间导线的电流生成并向所述高频采样模块输出第一电流反馈信号，所述第二电流采样探头被配置为基于流经所述第二输出端与所述第二电极之间导线的电流生成并向所述高频采样模块输出第二电流反馈信号，所述采样信号包括所述第一电流反馈信号和所述第二电流反馈信号；
所述高频采样模块被配置为基于所述第一电流反馈信号和所述第二电流反馈信号生成并输出对应的数字反馈信号，所述主控模块被配置为基于所述数字反馈信号得到参与所述目标组织的电化学反应的法拉第电流。
4.如权利要求1所述的组织消融装置，其特征在于，所述差分采样模块包括第一采样支路和第二采样支路，所述第一采样支路连接在所述第一输出端与所述电压处理模块之间，所述第二采样支路连接在所述第二输出端与所述电压处理模块之间；所述第一采样支路被配置为生成所述第一反馈电压，所述第二采样支路被配置为生成所述第二反馈电压。
5.如权利要求4所述的组织消融装置，其特征在于，所述第一采样支路包括第一宽带分压单元和第一单端放大单元；所述第一宽带分压单元分别与所述第一输出端和所述第一单端放大单元连接，所述第一单端放大单元还与所述电压处理模块连接，所述第一单端放大单元被配置为根据所述第一宽带分压单元分压得到的电压生成所述第一反馈电压。
6.如权利要求5所述的组织消融装置，其特征在于，所述第二采样支路包括第二宽带分压单元和第二单端放大单元；所述第二宽带分压单元分别与所述第一输出端和所述第二单端放大单元连接，所述第二单端放大单元还与所述电压处理模块连接，所述第二单端放大单元被配置为根据所述第二宽带分压单元分压得到的电压生成所述第二反馈电压。
7.如权利要求6所述的组织消融装置，其特征在于，所述第一采样支路还包括第一保护单元，所述第二采样支路还包括第二保护单元，所述第一保护单元连接在所述第一宽带分压单元和所述第一单端放大单元之间，所述第二保护单元连接在所述第二宽带分压单元和所述第二单端放大单元之间；
所述第一保护单元和所述第二保护单元被配置为分别限制传输至所述第一单端放大单元和所述第二单端放大单元的电压的幅值。
8.如权利要求1所述的组织消融装置，其特征在于，所述电压处理模块包括相互连接的差分放大单元和第三保护单元，所述差分放大单元还与所述差分采样模块连接，所述差分放大单元被配置为根据所述第一反馈电压和所述第二反馈电压生成所述电压反馈信号，所述第三保护单元还与所述高频采样模块连接，所述第三保护单元被配置为限制传输至所述高频采样模块的电压的幅值。
9.如权利要求1至8任一项所述的组织消融装置，其特征在于，所述高频采样模块包括依次连接的滤波整形单元、量程选择单元、AD转换单元和采样处理单元，所述滤波整形单元分别与所述电压处理模块和所述法拉第电流检测模块连接，所述采样处理单元与所述主控模块连接以及所述量程选择单元连接；所述滤波整形单元被配置为将接收到的所述电压反馈信号和所述采样信号按照设定的量程进行转换得到对应的模拟信号，所述AD转换单元被配置为根据预设频率对所述模拟信号进行采样得到数字信号；所述采样处理单元被配置为根据所述AD转换单元输出的所述数字信号生成相应的数字反馈信号并根据所述数字反馈信号配置所述量程选择单元的量程。
10.一种电化学阻抗测量装置，其特征在于，应用于组织消融装置，用于获取目标组织的电化学阻抗参数，所述电化学阻抗测量装置包括：
输出单元，用于通过电极对对所述目标组织施加高压脉冲信号；
检测单元，用于在该电极对侧获取法拉第电流和该电极对之间的电压差；
分析单元，用于根据所述法拉第电流、所述电压差以及电化学阻抗拟合函数得到所述目标组织对应的所述电化学阻抗参数；
其中，所述电化学阻抗拟合函数通过基于所述目标组织的等效电路模型进行脉冲电场消融模拟实验时得到的电参数拟合得到。
11.如权利要求10所述的电化学阻抗测量装置，其特征在于，所述分析单元包括：
第一分析模块，用于建立所述目标组织的等效电路模型；
第二分析模块，用于通过所述等效电路模型进行多次脉冲电场消融模拟实验，将实验得到的所述法拉第电流、所述电压差以及所述等效电路模型的电化学阻抗参数进行曲线拟合，得到所述电化学阻抗拟合函数。
12.如权利要求11所述的电化学阻抗测量装置，其特征在于，所述第二分析模块包括：
第一计算模块，用于在施加不同的所述高压脉冲信号或设置不同的所述等效电路模型的情况下，获取多组对应的数字反馈信号；
第二计算模块，用于根据各组所述数字反馈信号得到对应的所述法拉第电流和所述电压差；
第二计算模块，用于将各组所述法拉第电流、所述电压差以及对应的所述等效电路模型的电化学阻抗参数进行曲线拟合，得到所述电化学阻抗拟合函数。
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