TW201721144A

TW201721144A - 熱物理參數測量裝置及針體

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Publication number: TW201721144A
Application number: TW104140345A
Authority: TW
Inventors: 藍毓傑; 楊東潔; 尤崇智
Original assignee: 財團法人金屬工業研究發展中心
Priority date: 2015-12-02
Filing date: 2015-12-02
Publication date: 2017-06-16
Also published as: TWI588485B

Abstract

一種熱物理參數測量裝置及針體。本發明的熱物理參數測量裝置包括針體、加熱模組、溫度感測器以及處理器。針體用以取得生物組織。加熱模組連接針體，並且用以感測生物組織的溫度。溫度感測器設置於針體，並且用以感測生物組織的溫度。當生物組織處於第一環境中，加熱模組加熱生物組織並且溫度感測器測量生物組織的第一溫度資訊。當生物組織處於第二環境中，加熱模組加熱生物組織並且至少一溫度感測器測量生物組織的第二溫度資訊，其中第一環境不同於第二環境。處理器依據第一溫度資訊及第二溫度資訊計算多個熱物理參數。

Description

熱物理參數測量裝置及針體

本發明是有關於一種測量技術，且特別是有關於一種熱物理參數測量裝置及針體。

癌症（亦稱為腫瘤）為人類常見之重大疾病，更在許多國家所統計死亡因素排名中位居前三位。由此可見，癌症治療在各國醫療需求十分迫切，且針對癌症相關治療的各式醫療器材亦是目前重要的研究領域。

另一方面，腫瘤的熱治療手術是當前癌症治療技術之一。例如，磁熱腫瘤燒灼術中的射頻腫瘤燒灼術（radio frequency ablation，RFA）及微波腫瘤燒灼術（microwave ablation，MWA）。這些技術已應用於局部腫瘤治療，但考量於治療費用及應用限制，多數病患難以採用。

而隨著熱治療手術的快速發展，其已成為組織增生、良性腫瘤及惡性腫瘤治療之根治性方法之一。為了獲得優良的臨床效果，術前規劃、術中精確定位以及術後評估是熱治療治療過程中不可缺少的關鍵步驟。然而，術前規劃作為整個治療過程的第一步，其目的為了在併發症低的前提下，確保熱治療手術有安全的治療範圍，從而提高患者的治療品質。治療規劃的優劣將直接影響著術後之療效，且術前規劃是提高手術安全性與精確性的重點。因此，熱治療手術規劃系統的開發對於熱治療手術來說是非常重要之課題。然而，臨床上常因為組織的物理特性與手術操作時間難以準確掌握，從而讓能量型手術器械高溫區域直徑過大，不慎去除良好之組織，或是造成高溫區域直徑過小，無法有安全的無瘤邊緣等情況發生。因此，需改善上述熱療技術之缺陷，且掌握組織溫度上升狀況。

腫瘤熱治療的目的在於，使有效熱場在三維空間上覆蓋腫瘤，以達到腫瘤組織的完全凝固性壞死。由此可知，了解熱治療技術的熱物理特性對於手術規劃至關重要。然而，由於每個人體器官或組織對於熱的反應程度皆不相同，因此生物組織的熱物理參數之測量是生物熱傳導領域中最為困難且極富挑戰的課題之一。

本發明提供一種熱物理參數測量裝置及針體，可透過兩次不同環境下的溫度量測，從而推算出熱物理參數。

本發明的熱物理參數的測量裝置包括針體、加熱模組、溫度感測器以及處理器。針體用以取得生物組織。加熱模組連接針體，並且用以感測生物組織的溫度。溫度感測器設置於針體，並且用以感測生物組織的溫度。處理器耦接溫度感測器及加熱模組。當生物組織處於第一環境中，加熱模組加熱生物組織並且溫度感測器測量生物組織的第一溫度資訊。當生物組織處於第二環境中，加熱模組加熱生物組織並且至少一溫度感測器測量生物組織的第二溫度資訊，其中第一環境不同於第二環境。處理器依據第一溫度資訊及第二溫度資訊計算多個熱物理參數。

在本發明的一實施例中，上述的第一環境為活體內，且第二環境為活體外。

在本發明的一實施例中，上述的加熱模組具有磁場產生裝置，磁場產生裝置使針體感磁發熱而加熱生物組織。

本發明的針體包括本體、針尖部、腔體及切割部。本體表面具有開口。針尖部設置於本體之一端。腔體設置於本體內而具有容置空間容置生物組織，容置空間與開口相連通。切割部設置於開口之一側，切割部具有刃口，用以切割生物組織。

在本發明的一實施例中，上述的切割部形成腔體的側壁，且其刃口為開口的側邊。

在本發明的一實施例中，上述本體的材質係麻田散鐵系不銹鋼材料。

在本發明的一實施例中，上述的針體更包括至少一個空心結構，其設置於本體內，並用以供醫學影像裝置辨識定位。

在本發明的一實施例中，上述的針體更包括可移動式擋片，其可移動地設置於本體，用於開啟或關閉開口。

在本發明的一實施例中，上述的針體更包括加熱模組，其連接本體，並用以加熱生物組織。

基於上述，本發明實施例所提出的熱物理參數測量裝置及針體，其藉由測量裝置在第一環境以及第二環境對於活體欲測量部位的生物組織進行取樣、加熱，且分別對在第一環境以及第二環境下所取得的生物組織的溫度（例如，第一溫度資訊以及第二溫度資訊）進行量測。接著，利用第一溫度資訊以及第二溫度資訊來推導出所需的熱物理參數。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

Pennes熱傳導方程式是分析生物組織之熱傳導現象及溫度分佈的方法之一，且帶有熱傳導係數、熱容值、組織血液灌注率（或是血液流量）等熱物理參數。其中，溫度變化亦是Pennes熱傳導方程式的重要變因之一。據此，本發明實施例便是在兩個環境（例如，活體內及活體外）下分別對已加熱的生物組織進行溫度量測，以獲得兩個環境之間的溫度變化，並藉以透過Pennes熱傳導方程式推算出其他熱物理參數。以下提出符合本發明之精神的多個實施例，應用本實施例者可依其需求而對這些實施例進行適度調整，而不僅限於下述描述中的內容。

圖1是依據本發明一實施例說明一種測量裝置的元件方塊圖。請參照圖1，測量裝置100包括針體110、加熱模組120、溫度感測器130以及處理器140。

圖2是一範例說明針體的部份示意圖。請參照圖2，針體210可至少包括（但不僅限於）本體、腔體212、針尖部214以及切割部215。本體的表面具有一開口211，本體的直徑大約是0.8～1.2公釐，但不以此為限，其可為醫療級金屬（例如，銀、白金、306不鏽鋼、316不鏽鋼、鈦或鈦合金等）、耐熱塑膠或醫療級陶瓷等材料所製成。針尖部214設置於本體之一端，其具有尖狀部份，適於穿刺生物組織。腔體212設置於本體內而具有一容置空間，容置空間與開口211相連通。切割部215設置於開口211之一側，切割部215具有一刃口216，其為刀刃狀，用以切割生物組織55，於本實施例中，切割部215形成腔體212的一側壁，且其刃口216為開口211的一側邊，較佳地，刃口216鄰近針尖部214，即刃口216與針尖部214的距離小於開口211的其他側邊與針尖部214的距離。針體210更具有可移動式擋片213，且擋片213用於開啟或關閉開口211。在針體210透過開口211取得生物組織55後，腔體212用以容置生物組織55。此外，針體210可包含一個或數個設置於本體的空心結構，可利於超音波等醫學影像裝置辨識定位。

舉例來說，圖3A至圖3C是依據本發明一實施例說明針體210取得生物組織55的示意圖。請先參照圖3A，當針體210透過針尖部214（以方向R1）穿刺活體50並進入到欲取得生物組織55的位置後，將針體210往針尖部214相反的方向（例如，方向R2）移動，此時切割部215的刃口216便能切割生物組織55，並使因切割而分離的生物組織55填入腔體212的容置空間當中。請接著參照3B及3C，擋片213為可移動式，且可將開口211完全關閉。

加熱模組120可以是基於電能轉熱能技術以讓其加熱單元（例如，鎳鉻合金（Nichrome）線、各類型電阻線、輻射加熱單元等）發熱，且連接針體110（例如，圖2中的加熱模組220），並用以提供固定或可變熱源，從而對由針體110所取得的生物組織55進行加熱。

在另一實施方式中，加熱模組120可以是基於電能轉磁能再轉熱能技術，藉由一磁場產生裝置（未繪示）使針體110感磁發熱而加熱生物組織55，針體110可選擇為具有聚磁效果之麻田散鐵系不銹鋼材料（如420不鏽鋼、630不鏽鋼）等所構成。

溫度感測器130可以是熱電偶（thermocouple）、熱敏電阻等類型的溫度感測器，且連接針體110，並用以感測生物組織55的溫度。針體110中可能設置一個或數個溫度感測器130。例如，圖2的針體210中設置三個溫度感測器130。各溫度感測器130至加熱模組120的溫度測量距離將受記錄，以作為後續分析使用。

需說明的是，本發明實施例不加以限制溫度感測器130的設置位置及數量，應用本發明實施例者可依據設計需求而調整。此外，活體50可依據欲測量的人體部位來決定，因此活體50例如是人體的某個器官或部位，且生物組織55構成活體50。舉例來說，當醫生欲針對人體某部位或器官當中的癌細胞進行熱治療手術時，由於不同患者的人體器官或部位可能具有不同的熱物理參數，因此對於溫度變化將具有不同的反應。據此，應用本發明實施例者可依據需求透過測量裝置100中的針體110穿刺於特定部位或器官，以取得生物組織55。

處理器140耦接溫度感測器130以及加熱模組120。處理器140可以是一種中央處理器（Central Processing Unit；CPU）、微處理器（Microprocessor）、數位信號處理器（DSP）、可程式化控制器、特殊應用積體電路（Application Specific Integrated Circuit；ASIC）、系統單晶片（System On Chip；SoC）或其他類似元件或上述元件的組合。在本發明實施例中，處理單元140用以執行測量裝置100的所有作業。

需說明的是，測量裝置100可更包括儲存單元（未繪示）（例如，任何型態的固定或可移動隨機存取記憶體（Random Access Memory；RAM）、唯讀記憶體（Read-Only Memory；ROM）、快閃記憶體（Flash Memory）或類似元件或上述元件的組合），本發明不加以限制。儲存單元可用於儲存加熱模組120的加熱功率強度、加熱模組120與各溫度感測器130之間的溫度測量距離、針體110的熱物理參數等資料。

在一些實施例中，測量裝置100可更包括顯示單元可以是液晶顯示器（Liquid Crystal Display；LCD）、薄膜液晶電晶體（Thin Film Transistor Liquid Crystal Display；TFT-LCD）、發光二極體顯示器（Light-Emitting Diode；LED）、有機發光二極體顯示器（Organic LIGHT-Emitting Diode；OLED）等各式顯示器，並用以顯示熱物理參數。

圖4是一範例說明一種測量裝置的示意圖。請參照圖4，測量裝置400包括主體B以及針體410。主體B可配置有如圖1的處理器140及顯示單元450。而針體410具有圖2中針體210相同或相似的構造，且其中可設置圖1的加熱模組120、溫度感測器130。需說明的是，圖4僅用於範例說明，本發明實施例不加以限制測量裝置的外觀、形狀及大小。

為了方便理解本發明實施例的操作流程，以下將舉諸多實施例詳細說明本發明實施例中測量裝置100的控制方法。圖5是依據本發明一實施例說明熱物理參數測量方法的流程圖。請同時參照圖1與圖2，本實施例的方法適用於圖1中測量裝置100。下文中，將以測量裝置100中的各項元件及模組說明本發明實施例所述之方法。本方法的各個流程可依照實施情形而隨之調整，且並不僅限於此。

在步驟S510中，當生物組織55處於第一環境中，測量裝置100中的加熱模組120加熱生物組織55，並且透過溫度感測器130測量生物組織55的第一溫度資訊。在本實施例中，此第一環境為活體50內。具體而言，測量裝置100透過針體110穿刺活體50而讓針體110處於活體50內，且基於如同圖3A-3C所示取得生物組織55的操作，將生物組織55取至針體110中的腔體。接著，在所取得的生物組織55仍處於活體50內的情境下，處理器140透過加熱模組120對生物組織55進行加熱，且記錄進行加熱操作的加熱時間。此外，處理器140透過各溫度感測器130且在一個或多個特定加熱時間（例如，1、2、10秒等）到達時，對生物組織55進行溫度量測，以取得第一溫度資訊（例如，不同加熱時間的溫度值及各加熱時間之間的溫度變化等），並將第一溫度資訊記錄於儲存單元中。

在步驟S520中，當生物組織55處於第二環境中，測量裝置100中的加熱模組120加熱生物組織55，並且透過溫度感測器130測量生物組織55的第二溫度資訊。在本實施例中，此第二環境為活體50外。具體而言，在取得第一溫度資訊之後，針體110可拔出活體50而讓針體110處於活體50外。接著，在所取得的生物組織55處於活體50外的情境下，處理器140再次透過加熱模組120對生物組織55進行加熱，且記錄進行加熱操作的加熱時間。此外，處理器140再次透過各溫度感測器130且在一個或多個特定加熱時間（例如，1、2、10秒等）到達時，對生物組織55進行溫度量測，以取得第二溫度資訊（例如，不同加熱時間的溫度值及各加熱時間之間的溫度變化等），並將第二溫度資訊記錄於儲存單元中。

需說明的是，本發明不加以限制第一環境及第二環境的類型，各種能讓量測裝置100所取得之生物組織55處於兩種不同環境下的情境都能適用。

在步驟S530中，處理器140依據第一溫度資訊及第二溫度資訊計算多個熱物理參數。在本實施例中，處理器140依據第二溫度資訊透過穩態下的生醫熱傳導方程式及暫態下的生醫熱傳導方程式計算部份熱物理參數，以及依據第一溫度資訊及已計算的部份這些熱物理參數透過完整的生醫熱傳導方程式計算全部這些熱物理參數。而生醫熱傳導方程式為Pennes熱傳導方程式。

具體而言，Pennes熱傳導方程式如以下公式（1）：其中ρ與C分別為組織密度與組織熱容值，、分別為血液密度與血液熱容值，k 為組織熱傳導係數，ω_b 為組織血液灌注率（血液流量），Q_m 與Q分別為組織新陳代謝熱量與外加熱源之熱量，且是代表血液帶走的熱量。

首先，假設血液帶走的熱量以及新陳代謝熱量Q_m 為0，而處理器140依據第二溫度資訊透過穩態下的生醫熱傳導方程式計算部份熱物理參數（即，組織熱傳導係數k ）。而穩態下的Pennes熱傳導方程式如以下公式（2）：

處理器140可依據溫度測量距離及加熱時間，計算生醫熱傳導方程式中的外加熱量Q（即，外加熱源之熱量）。接著，處理器140將外加熱量Q及第二溫度資訊帶入公式（2），便能計算出組織熱傳導係數k 。

接著，處理器140依據第二溫度資訊及熱傳導係數k 透過暫態下的生醫熱傳導方程式計算組織熱容值C。暫態下的Pennes熱傳導方程式如以下公式（3）：

透過暫態下的Pennes熱傳導方程式將第二溫度資訊代入溫度值T與已知的組織密度ρ、組織熱傳導係數k 以及外加熱量Q，以求得組織熱容值C。

然後，處理器140將第一溫度資訊、第二溫度資訊以及求得的組織熱傳導係數k 與組織熱容值C 與已知的各項參數導入上述公式（1）的完整Pennes熱傳導方程式中，將求得組織血液灌注率ω_b 、組織新陳代謝熱量Q_m 、血液造成的熱影響等熱物理參數。

換句話說，在本實施例中，熱物理參數的測量裝置100是藉由生物組織55在活體50內外具有溫度差的特性，基於活體50內外的第一溫度資訊及第二溫度資訊、已知的熱量、熱源與溫度測量距離以及加熱時間等參數帶入穩態、暫態及完整Pennes熱傳導方程式，來計算出如上述之組織熱傳導係數k、組織熱容值C、組織血液灌注率ω_b 以及組織新陳代謝熱量Q_m 等相關熱物理參數。

在一實施例中，處理器140更可透過如圖4中顯示單元450來顯示第一溫度資訊及第二溫度資訊及/或計算出的多個熱物理參數結果。而在其他實施例中，測量裝置100亦可進一步包括有/無線通訊模組，以藉由有/無線的方式將所測量的第一溫度資訊及第二溫度資訊以及熱物理參數傳送至另一電腦裝置、主機、伺服器等。

為了讓本領域具通常知識者能明瞭本發明的操作流程，以下另舉一情境說明。圖6是依據本發明另一實施例說明一種熱物理參數測量方法的流程圖。請同時參照圖1及圖6，本實施例的熱物理參數測量方法例如至少可適用於圖1中的量測裝置100。首先，將測量裝置100的針體110置入活體50內，以取得欲測量的生物組織55（步驟S610）。接著，藉由測量裝置100的加熱模組120進行加熱，以加熱生物組織55（步驟S620）。處理器140可透過溫度感測器130測量用於體內分析的生物組織55之第一溫度資訊（例如，活體50內的溫度變化）（步驟S630），並儲存第一溫度資訊（步驟S640）。接著，針對體外分析（步驟S650），將測量裝置100的針體110取出活體50外。並且，處理器140重覆執行步驟S620，以再次加熱生物組織55。接著，處理器140重覆執行步驟S630，利用溫度感測器130測量用於體外分析的生物組織55之第二溫度資訊（例如，活體50外的溫度變化）。另外在此步驟S630中，還可提供內建的已知加熱模組120的熱源熱量以及熱源與溫度感測器130的距離，或者加熱模組120的熱源熱量也可以透過測量來獲得。接著，處理器140依據先前測量所儲存的第一溫度資訊、第二溫度資訊以及內建已知的熱量、熱源與測量位置之相對距離以及加熱時間，透過Pennes熱傳導方程式來計算組織熱傳導係數k 、組織熱容值C 、組織血液灌注率ω_b 以及組織新陳代謝熱量Q_m 等相關熱物理參數。而在步驟S660中，處理器140透過顯示單元顯示測量的多個熱物理參數（組織熱容值C 、組織熱傳導係數k 、血液灌注率等）的結果。

需說明的是，在步驟流程當中的步驟S610、S620、S630、S640順序是為體內分析流程，而在步驟流程當中的步驟S650、S620、S630、S640順序是為體外分析流程。在本實施例中，體內分析流程及體外分析流程也可以是重複執行的迴圈，其執行次數可為一次或多次本發明並不加以限制。本實施例的體內分析流程或體外分析流程可以設定迴圈多次執行以取得多組的測量結果與計算多組的熱物理參數。

此外，關於本實施例藉由推導、運算Pennes熱傳導方程式以取得熱物理參數的相關技術特徵與應用可以由上述圖1實施例之敘述中獲致足夠的教示、建議與實施說明，因此不再贅述。

綜上所述，本發明實施例提供一種熱物理參數測量方法及其測量裝置，其中測量裝置具有針體、加熱模組、溫度感測器以及處理器，以透過針體取得欲測量的生物組織並藉由加熱模組加熱所取得的生物組織。接著，利用溫度感測器測量此生物組織在不同環境（例如是特定活體部位內、或特定活體部位外）時的不同溫度資訊，從而透過Pennes熱傳導方程式來計算關於所取得的生物組織的多個熱物理參數。藉此，本發明實施例便能快速且方便地提供此活體部位對於熱治療手術時所可能產生的熱反應的參考資訊。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100、400‧‧‧測量裝置
110、210、410‧‧‧針體
120、220‧‧‧加熱模組
130‧‧‧溫度感測器
140‧‧‧處理器
50‧‧‧活體
55‧‧‧生物組織
211‧‧‧開口
212‧‧‧腔體
213‧‧‧擋片
214‧‧‧針尖部
215‧‧‧切割部
216‧‧‧刃口
450‧‧‧顯示器
B‧‧‧主體
S510、S520、S530、S610、S620、S630、S640、S650、S660‧‧‧步驟

圖1是依據本發明一實施例說明一種測量裝置的元件方塊圖。圖2是一範例說明針體的部份示意圖。圖3A至圖3C是依據本發明一實施例說明針體取得生物組織的示意圖。圖4是一範例說明一種測量裝置的示意圖。圖5是依據本發明一實施例說明熱物理參數測量方法的流程圖。圖6是依據本發明另一實施例說明一種熱物理參數測量方法的流程圖。

100‧‧‧測量裝置

110‧‧‧針體

120‧‧‧加熱模組

130‧‧‧溫度感測器

140‧‧‧處理器

50‧‧‧活體

55‧‧‧生物組織

Claims

一種熱物理參數的測量裝置，包括：一針體，用以取得一生物組織；一加熱模組，連接該針體，用以加熱該生物組織；至少一溫度感測器，設置於該針體，用以感測該生物組織的溫度；以及一處理器，耦接該至少一溫度感測器及該加熱模組，其中，當該生物組織處於一第一環境中，該加熱模組加熱該生物組織並且該至少一溫度感測器測量該生物組織的一第一溫度資訊，而當該生物組織處於一第二環境中，該加熱模組加熱該生物組織並且該至少一溫度感測器測量該生物組織的一第二溫度資訊，其中該第一環境不同於該第二環境，且該處理器依據該第一溫度資訊及該第二溫度資訊計算多個熱物理參數。
如申請專利範圍第1項之測量裝置，其中該第一環境為一活體內，且該第二環境為該活體外。
如申請專利範圍第1項之測量裝置，其中該針體包括：一本體，其表面具有一開口；一針尖部，設置於該本體之一端；一腔體，設置於該本體內而具有一容置空間容置該生物組織，該容置空間與該開口相連通；以及一切割部，設置於該開口之一側，該切割部具有一刃口，用以切割該生物組織。
如申請專利範圍第1項之測量裝置，其中該加熱模組具有一磁場產生裝置，該磁場產生裝置使該針體感磁發熱而加熱該生物組織。
一種針體，用以取得一生物組織，包括：一本體，其表面具有一開口；一針尖部，設置於該本體之一端；一腔體，設置於該本體內而具有一容置空間容置該生物組織，該容置空間與該開口相連通；以及一切割部，設置於該開口之一側，該切割部具有一刃口，用以切割該生物組織。
如申請專利範圍第5項之針體，其中該切割部形成該腔體的一側壁，且其刃口為該開口的一側邊。
如申請專利範圍第5項之針體，其中該本體的材質係麻田散鐵系不銹鋼材料。
如申請專利範圍第5項之針體，更包括：至少一空心結構，其設置於該本體內，用以供醫學影像裝置辨識定位。
如申請專利範圍第5項之針體，更包括：一可移動式擋片，可移動地設置於本體，用於開啟或關閉該開口。
如申請專利範圍第5項之針體，更包括：一加熱模組，連接該本體，用以加熱該生物組織。