CN1278654C - 水冷式射频肿瘤消融治疗系统的智能化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水冷式射频肿瘤消融治疗系统的智能化控制方法，根据实时测得的组织阻抗及其变化增量来决定射频电压的输出幅度，运行中始终监测针状消融电极前端温度和病灶组织与正常组织间的边界温度，发现异常则立即自动切断射频源；当运行中始终实时监测的组织阻抗已为其初始阻抗的设定倍数，或者治疗时间达到设定的治疗时间时，认定消融已经完成，此时先关闭循环冷却水，让针状消融电极前端温度急剧上升，实行针道烧灼，直至温度到达设定值后，自动切断射频源，结束治疗运行。对于需要根据实时测量值进行的运算均在计算机软件中预先做好查找表，以提高运行速度。本发明的方法能保证系统安全可靠的工作，达到有效治疗目的。

Description

水冷式射频肿瘤消融治疗系统的智能化控制方法

技术领域

本发明涉及一种水冷式射频肿瘤消融治疗系统的智能化控制方法，属于生物医学工程技术领域。

背景技术

单针水冷式射频肿瘤消融治疗系统是一种新颖的射频肿瘤消融治疗系统，它借循环水冷却来降低消融电极针四周靶组织的温度，在实现最大范围消融毁损区的同时，有效地避免组织炭化。系统的智能化控制是该治疗系统的关键技术之一，是它保证了系统具有创伤微小、疗效良好、快速安全、方便易行等优点。这类射频肿瘤消融治疗系统由美国RADIONICS公司于本世纪初率先推出，其最重要的特点之一是高度自动化，系统主机内的软件监测组织阻抗并相应调节输出电流和射频脉冲发送方式，在实现输出能量的最大化的同时可有效控制靶组织的阻抗升高，从而实现最大范围的消融毁损区，但其具体的的控制方法及其源程序均不予公开，以保持其技术垄断，另一方面，该系统的自动控制功能尚不完备，例如，它缺少一个极其重要的功能：在认定消融已经完成，行将结束治疗之前，自动进行针道烧灼，从而增大了针道出血及肿瘤细胞针道种植的风险。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种水冷式射频肿瘤消融治疗系统的智能化控制方法，应用自动控制理论并借计算机技术来实现系统的智能化控制，保证系统运行安全可靠，提高系统的性能价格比。

为实现这样的目的，本发明针对水冷式射频肿瘤消融治疗系统提出的智能化控制方法中，根据实时测得的组织阻抗及其变化增量来决定射频电压的输出幅度，运行中始终监测针状消融电极前端温度和病灶组织与正常组织间的边界温度，发现异常则立即自动切断射频源；当运行中始终实时监测的组织阻抗已为其初始阻抗的设定倍数，或者治疗时间达到设定的治疗时间时，认定消融已经完成，此时先关闭循环冷却水，让针状消融电极前端温度急剧上升，实行针道烧灼，直至温度到达设定值后，自动切断射频源，结束治疗运行。对于需要根据实时测量值进行的运算均在计算机软件中预先做好查找表，以提高运行速度。

本发明方法的具体步骤为：

1、启动系统后，首先令循环水冷却子系统进入工作状态。设置治疗参数，包括循环冷却水温度T_co0、针状消融电极前端温度T_ce0、病灶组织与正常组织间的边界温度T_bo0和治疗时间t_tr0等。

2、实时测量循环冷却水温度，并根据所测温度判定其是否达到设定值T_co0，若已达到允许接通射频电源，若没有达到则锁定射频电源，并发布提示重配冷却水，直到循环冷却水温度达到设定值T_co0。

3、接通射频电源后，首先判定射频电压是否上升，如果没有上升则立即切断射频电源，同时发布异常提示。实时测量射频电压、射频电流，当射频电压的峰值等于60V后，计算初始组织阻抗Z_r0，若初始组织阻抗Z_r0大于等于300Ω，则认定外电极接触不良，立即切断射频电源并发布警示，否则系统进入运行。

4、定义低组织阻抗阈值Z_min为可控射频功率源的额定输出功率与其最大输出电流的平方之比，定义高组织阻抗阈值Z_max为可控射频功率源的最大输出电压的平方与其额定输出功率之比，根据实时测得的组织阻抗Z_r来决定射频电压的输出幅度U_opr，当实时组织阻抗Z_r小于低组织阻抗阈值Z_min时，射频电压被限定在相应的射频电流不超过其最大值I_max。当实时组织阻抗Z_r高于高组织阻抗阈值Z_max时，射频电压被限定在最大输出电压U_max上。当实时组织阻抗Z_r介于低组织阻抗阈值Z_min与高组织阻抗阈值Z_max之间时，射频电压的输出幅度U_opr为可控射频功率源的额定输出功率与实时组织阻抗Z_r乘积的开方。从而既保证输出能量的最大化，又保证射频功率源在低组织阻抗时不会过流，而在高组织阻抗时不会过压。为提高运行速度，在软件中已预先做好查找表，而毋须计算。

5、连续不断地实时计算靶组织阻抗变化增量ΔZ_r，若发现连续5个阻抗变化增量中，有任意三个或以上超过容许的增量ΔZ_N，则立即根据ΔZ_r适度地调整射频电压U_opr，使射频消融功率降低到适当的值，除非靶组织阻抗Z_r已达到高组织阻抗阈值。依此类推，直到射频消融功率降低到能有效消融的最小值，从而达到控制靶组织阻抗升高速率的目的。同样，在软件中已预先做好查找表，通过查表得到所需的数据，以提高运行速度。

6、在运行中始终监测针状消融电极前端温度T_cer及病灶组织与正常组织间的边界温度T_bor’若实时测得的T_cer值大于其设定值T_ce0，认定冷却水循环异常，立即自动切断射频源；若实时测得的T_bor值大于其设定值T_bo0，认定正常组织与病灶组织边界温度测量值达到限定值，立即自动切断射频源，保护正常组织不受伤害。

7、运行中始终监测组织阻抗Z_r，并将它与组织的初始阻抗Z_r0相比较，当实时测得的组织阻抗Z_r已为其初始阻抗Z_r0的设定倍数，或者治疗时间t_trr，达到设定的治疗时间t_tr0时，认定消融已经完成。

8、在认定消融已经完成后，首先关闭循环冷却水，让针状消融电极前端温度急剧上升，实行针道烧灼，直至消融电极前端温度到达其设定值T_ce0，自动切断射频源，结束治疗运行。

实施本发明的智能化监控系统由人机对话外设，上位机，智能化软件包，通讯协议，信号采集与转换卡，下位机，操作执行软件包等组成。下位机是单片机系统，内嵌信号采集与转换卡和操作执行软件包，实时采集各种数据并发送给上位机，同时接收上位机的指令并执行相应的操作。上位机的硬件平台是工控机，上位机不断地接收来自下位机的各种数据，快速地进行处理、分析，根据既定的控制策略与算法向下位机发出相应的指令性数据和控制指令。也可以通过人机对话外设进行人工干预。上、下位机两者之间，借通讯协议互相联系，协同工作，达到智能化监控的目的。

本发明的方法根据靶组织阻抗的大小及其变化率合理地控制射频加热，保证既能使肿瘤细胞产生热性凝固而坏死，达到原位灭活的目的，又不会使消融电极针周围的组织因温度过高而气化结碳，从而得到最大的消融区；在认定消融已经完成后，先行针道烧灼，然后结束治疗，可有效避免针道出血及肿瘤细胞针道种植的可能，进一步保证治疗效果；系统根据各种因素判断治疗是否正在正常进行，发现异常，自动切断射频源，可以保护正常组织不受伤害。本发明的方法能保证系统安全可靠的工作，达到有效治疗目的。

附图说明

图1为本发明方法的流程框图。

图2为实现本发明的智能化监控系统示意图

具体实施方式

为了更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图作进一步的详细描述。

本发明的控制流程如图1所示，具体的方法、步骤为：

1、启动系统后，首先令循环水冷却子系统进入工作状态。设置治疗参数，包括循环冷却水温度T_co0、针状消融电极前端温度T_ce0、病灶组织与正常组织间的边界温度T_bo0和治疗时间t_tr0等。

2、实时测量循环冷却水温度，并根据所测温度判定其是否达到设定值T_co0，若已达到，允许接通射频电源，若没有达到，则锁定射频电源，同时发布提示信号《冷循环温度未达标，请重配冷却水》，直到循环冷却水温度达到设定值T_co0。

3、接通射频电源后，首先判定射频电压是否上升，如果没有上升则立即切断射频电源，同时发布异常提示《射频电压异常，排除故障后重新开始治疗》。实时测量射频电压、射频电流，当射频电压的峰值等于60V后，计算初始组织阻抗Z_r0，若初始组织阻抗Z_r0大于等于300Ω，则认定外电极接触不良，立即切断射频电源并发布警示《引导电极未贴紧，重贴后重新开始治疗》，否则系统进入运行。

4、定义低组织阻抗阈值Z_min为可控射频功率源的额定输出功率与其最大输出电流的平方之比，定义高组织阻抗阈值Z_max为可控射频功率源的最大输出电压的平方与其额定输出功率之比，根据实时测得的组织阻抗Z_r来决定射频电压的输出幅度U_opr，当实时组织阻抗Z_r小于低组织阻抗阈值Z_min时，射频电压被限定在相应的射频电流不超过其最大值I_max。当实时组织阻抗Z_r高于高组织阻抗阈值Z_max时，射频电压被限定在最大输出电压U_max上。当实时组织阻抗Z_r介于低组织阻抗阈值Z_min与高组织阻抗阈值Z_max之间时，射频电压的输出幅度U_opr为可控射频功率源的额定输出功率与实时组织阻抗Z_r乘积的开方。即射频电压U_opr和组织阻抗Z_r之间自动满足关系：

U_opr＝I_maxZ_r           Z_r＜Z_min

U_opr＝(P_nomZ_r)^1/2    Z_max≥Z_r≥Z_min

U_opr＝U_max              Z_r＞Z_max

其中，P_nom为可控射频功率源的额定输出功率；I_max为其最大输出电流；U_max为其最大输出电压；Z_min＝P_nom/I_max ²为低组织阻抗阈值；Z_max＝U_max ²/P_nom为高组织阻抗阈值。从而既保证输出能量的最大化，又保证射频功率源在低组织阻抗时不会过流，而在高组织阻抗时不会过压。为提高运行速度，在软件中已预先做好查找表，而毋须计算。

5、连续不断地实时计算靶组织阻抗变化增量ΔZ_ri，即，令：ΔZ_r1＝Z_r2-Z_r1，ΔZ_r2＝Z_r3-Z_r2，……，ΔZ_r5＝Z_r6-Z_r5，……，在连续的5个阻抗变化增量中，若发现其中有三个或以上(任意组合，不一定要连续)已超过容许的增量ΔZ_N，则立即根据ΔZ_r1适度地调整射频电压U_opr，使射频消融功率降低到适当的值，除非靶组织阻抗Z_r已达到高组织阻抗阈值。依此类推，直到射频消融功率降低到能有效消融的最小值，从而达到控制靶组织阻抗升高速率的目的。同样，在软件中已预先做好查找表，通过查表得到所需的数据，以提高运行速度。

6、在运行中始终监测针状消融电极前端温度T_cer，一旦发现实时测得T_cer值大于其设定值T_ce0，即T_cer≥T_ce0时，认定冷却水循环异常，立即自动切断射频源。在运行中还始终监测病灶组织与正常组织间的边界温度T_bo0，一旦发现实时测得的T_bo0值大于其设定值T_bor，即T_bor≥T_bo0时，认定正常组织与病灶组织边界温度测量值达到限定值，立即自动切断射频源，保护正常组织不受伤害。

7、运行中始终监测组织阻抗Z_r，并将它与组织的初始阻抗Z_r0相比较，若发现实时测得的组织阻抗Z_r已为其初始阻抗Z_r0的N倍，即Z_r≥NZ_r0时，(在实施例中N为6)认定消融已经完成。在运行中还连续计算治疗时间t_trr，当其达到设定的治疗时间t_tr0时，认定消融已经完成。

8、在认定消融已经完成后，首先关闭循环冷却水，让针状消融电极前端温度急剧上升，实行针道烧灼，直至消融电极前端温度到达其设定值T_ce0，自动切断射频源，结束治疗运行。

本发明实施例的智能化监控系统，其组成及相互关系如图2所示。系统由人机对话外设，上位机，智能化软件包，通讯协议，信号采集与转换卡，下位机，操作执行软件包等组成。下位机是以PIC16F877单片机为核心的单片机系统，内嵌信号采集与转换卡、操作执行软件包，它实时地采集各种数据并发送给上位机，同时接收上位机的指令并执行相应的操作；上位机的硬件平台是工控机，操作系统为Windows98，由智能化软件——控制策略与算法软件包实现控制策略与算法，其编程语言为VB；上位机不断地接收来自下位机的各种数据，快速地进行处理、分析，根据既定的控制策略与算法向下位机发出相应的指令性数据和控制指令。也可以通过人机对话外设进行人工干预。上、下位机两者之间，借通讯协议互相联系，协同工作，达到智能化监控的目的。

Claims (1)

1、一种水冷式射频肿瘤消融治疗系统的智能化控制方法，其特征在于包括如下步骤：

1)启动系统后先令循环水冷却子系统进入工作状态，设置治疗参数，包括循环冷却水温度T_co0、针状消融电极前端温度T_ce0、病灶组织与正常组织间的边界温度T_bo0和治疗时间t_tr0；

2)实时测量循环冷却水温度，并根据所测温度判定其是否达到设定值T_co0，若已达到允许接通射频电源，若没有达到则锁定射频电源，并发布提示重配冷却水，直到循环冷却水温度达到设定值T_co0；

3)接通射频电源后，首先判定射频电压是否上升，如果没有上升则立即切断射频电源，同时发布异常提示；实时测量射频电压、射频电流，当射频电压的峰值等于60V后，计算初始组织阻抗Z_r0，若初始组织阻抗Z_r0大于等于300Ω，则认定外电极接触不良，立即切断射频电源并发布警示，否则系统进入运行；

4)定义低组织阻抗阈值Z_min为可控射频功率源的额定输出功率与其最大输出电流的平方之比，定义高组织阻抗阈值Z_max为可控射频功率源的最大输出电压的平方与其额定输出功率之比，根据实时测得的组织阻抗Z_r来决定射频电压的输出幅度U_opr，当实时组织阻抗Z_r小于低组织阻抗阈值Z_min时，射频电压被限定在相应的射频电流不超过其最大值I_max，当实时组织阻抗Z_r高于高组织阻抗阈值Z_max时，射频电压被限定在最大输出电压U_max上，当实时组织阻抗Z_r介于低组织阻抗阈值Z_min与高组织阻抗阈值Z_max之间时，射频电压的输出幅度U_opr为可控射频功率源的额定输出功率与实时组织阻抗Z_r乘积的开方；

5)连续不断地实时计算靶组织阻抗变化增量ΔZ_r，若连续5个阻抗变化增量中有任意三个或以上超过容许的增量ΔZ_N，则根据ΔZ_r调整射频电压U_opr，除非靶组织阻抗Z_r已达到高组织阻抗阈值；

6)在运行中始终监测针状消融电极前端温度T_cer及病灶组织与正常组织间的边界温度T_bor，若实时测得的T_cer值大于其设定值T_ce0，则认定冷却水循环异常，立即切断射频源；若实时测得的T_bor值大于其设定值T_bo0，认定正常组织与病灶组织边界温度测量值达到限定值，立即切断射频源；

7)运行中始终监测组织阻抗Z_r并将它与组织的初始阻抗Z_r0相比较，当实时测得的组织阻抗Z_r已为其初始阻抗Z_r0的设定倍数，或者治疗时间t_trr，达到设定的治疗时间t_tr0时，认定消融已经完成；

8)在认定消融已经完成后，首先关闭循环冷却水，让针状消融电极前端温度上升，实行针道烧灼，直至消融电极前端温度到达其设定值T_ce0，自动切断射频源，结束治疗运行。

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