纳秒刀校准方法及装置与流程

1.本发明涉及纳秒刀技术领域，尤其是涉及一种纳秒刀校准方法及装置。


背景技术：

2.癌症是当前人类死亡的第二大原因，全球近六分之一的死亡都是由癌症引起的。现在相对应的癌症治疗技术中，微创肿瘤消融治疗由于其创伤小，快速准确消除肿瘤以及可重复性强等优点，逐渐成为临床患者青睐的治疗方法。随着全球范围微创肿瘤消融治疗的迅速发展，微波，射频，冷冻，纳米刀等微创方法已经逐步地被运用在各种肿瘤地治疗中，微创肿瘤消融也将逐渐成为未来肿瘤治疗的主流疗法之一。
3.目前获得广泛使用的医学影像引导下的微秒脉冲电场纳米刀消融术，是基于可逆电穿孔原理(re)，形成可逆的电穿孔并结合局部给药来治疗肿瘤组织；或者基于不可逆电穿孔原理(ire)的治疗方法，即通过高压电场以高频脉冲的形式作用在肿瘤细胞膜的磷脂双分子层上，使得细胞膜产生永久纳米孔，细胞内部与组织液连通，物质外流导致细胞产生不可逆损伤并造成细胞凋亡，从而快速消融肿瘤细胞。
4.在研究微秒脉冲电场(μspef)可逆电穿孔和不可逆电穿孔的基础上，通过进一步调整脉冲电场的参数还可以调控并诱导出不同的细胞响应。当施加的脉冲电场的脉宽减小到纳秒级别而场强增加至兆伏每米级别时，细胞膜表面将不会发生明显的不可逆穿孔现象，但是其细胞器如细胞核和线粒体却可能出现一些功能性的改变，并且诱导细胞发生凋亡，从而间接的杀伤肿瘤细胞。这种脉冲产生的生物电效应与不可逆电穿孔有所区别。纳秒脉冲电场(nspef)疗法通过诱导凋亡的方式治疗肿瘤，已经成为国内外生物电磁治疗肿瘤方面的研究热点。纳秒脉冲技术相比于微秒脉冲技术具有更强的延展性与可操作性。
5.纳秒刀是纳秒脉冲技术中必不可少的设备，由于纳秒脉冲技术对纳秒刀的精准度要求很高，因此，需要选取合格的纳秒刀使用，然而目前尚未提出更优的纳秒刀校准方案。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种纳秒刀校准方法及装置，可以对纳秒刀进行校准，以便筛选符合精准度要求的纳秒刀。
7.第一方面，本发明实施例提供了一种纳秒刀校准方法，该方法包括：利用电场探头获取目标容器内介质的电场数据；所述电场数据由所述纳秒刀发送至所述目标容器内；根据所述电场数据生成所述纳秒刀的电场校准参数；根据所述电场校准参数和预设校准范围确定纳秒刀校准结果。
8.第二方面，本发明实施例还提供一种纳秒刀校准装置，该装置包括：获取模块，用于利用电场探头获取目标容器内介质的电场数据；所述电场数据由所述纳秒刀发送至所述目标容器内；参数模块，用于根据所述电场数据生成所述纳秒刀的电场校准参数；校准模块，用于根据所述电场校准参数和预设校准范围确定纳秒刀校准结果。
9.第三方面，本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存
储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述纳秒刀校准方法。
10.第四方面，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述纳秒刀校准方法的计算机程序。
11.本发明实施例带来了以下有益效果：本发明实施例提供了一种纳秒刀校准方案，该方案包括：利用电场探头获取目标容器内介质的电场数据；电场数据由纳秒刀发送至目标容器内；根据电场数据生成纳秒刀的电场校准参数；根据电场校准参数和预设校准范围确定纳秒刀校准结果。本发明实施例可以对纳秒刀进行校准，以便筛选符合精准度要求的纳秒刀。
12.本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
13.为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
14.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
15.图1为本发明实施例提供的纳秒刀校准方法流程图；
16.图2为本发明实施例提供的校准系统主体两个方向的视图；
17.图3为本发明实施例提供的校准系统与测量探头整体三维建模效果图；
18.图4为本发明实施例提供的测量探头的侧视图(三方向探针正交因此侧视图一致)与三维视图；
19.图5为本发明实施例提供的comsol校准系统仿真模型示意图；
20.图6为本发明实施例提供的comsol校准系统电场模仿真可视化结果示意图；
21.图7为本发明实施例提供的comsol校准系统加入测量探头后的仿真模型示意图；
22.图8为本发明实施例提供的comsol校准系统加入测量探头后的电场模仿真可视化结果示意图
23.图9为本发明实施例提供的纳秒刀校准装置结构框图；
24.图10为本发明实施例提供的计算机设备结构框图。
具体实施方式
25.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
26.目前，微波消融(mwa)属于肿瘤热效应消融治疗的一种。采用高频电磁波向人体组
织传递电磁能，从而转化为大量热能，在微波电场的作用下，组织自身的极性分子在高速旋转摩擦中产生热量，组织局部温度迅速升高，细胞因胞内蛋白质变性与磷脂双分子层裂解而死亡，从而达到肿瘤组织灭活的目的。
27.微波消融等热效应消融治疗法的主要缺点在于：热效应对于组织的破坏是无选择性的，除了消融肿瘤组织外，在消融区的正常组织如血管，神经，胆管等也会受到完全的破坏。这一缺点会导致许多的术后并发症(如：肾脏癌症组织消融后产生的血尿，尿路梗阻；肺部消融后产生的气胸等)。而纳米刀消融术在消融过程中不会损伤人体管道与神经，相比于热消融技术，对于一些重要的部位可以进行安全而有效的治疗。
28.此外，相比于纳米刀消融术，微波消融术还存在消融区蛋白质变性产生毒性或蛋白质凝固性坏死；消融存在灰色区域(即消融不彻底的区域)，具有热沉效应，消融可能不彻底导致复发风险大等等缺陷。
29.微秒量级脉冲对于细胞的作用主要是在高频高压电场下利用电穿孔技术(可逆或不可逆)对肿瘤细胞进行药物治疗或细胞膜破坏，从而有效地治疗肿瘤且不伤害其他组织。
30.在同样使用脉冲电场的情况下，当施加的脉冲电场的脉宽减小到纳秒级别时可以控制细胞膜表面使其不发生明显的不可逆穿孔现象，而该超短时间脉冲电场(uspef)可以将电穿孔现象扩展到细胞亚结构的内部质膜，以影响细胞内部代谢的方式来消融肿瘤细胞，或者改变核膜，线粒体膜等细胞内膜的通透性来配合药物治疗，或者对不同大小形状与功能的细胞设定不同的阈值来选择性地诱导细胞内效应。总之，纳秒脉冲技术相比于微秒脉冲技术具有更强的延展性与可操作性。
31.尽管纳秒脉冲刺激已经得到很多医疗机构与企业的青睐与深入研究，但是存在于市面的纳秒脉冲系统仍缺乏统一的校准系统。
32.基于此，本发明实施例提供的一种纳秒刀校准方法及装置，该方法通过测量纳米刀在系统内部产生的电场强度，电场分布，脉冲波形，大于特定场强的体积(用于表征消融体积)，来对市面的纳秒脉冲刺激系统进行校准测量。
33.为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种纳秒刀校准方法进行详细介绍。
34.本发明实施例提供了一种纳秒刀校准方法，参见图1所示的一种纳秒刀校准方法流程图，该方法包括以下步骤：
35.s102，利用电场探头获取目标容器内介质的电场数据。
36.在本发明实施例中，电场数据由所述纳秒刀发送至所述目标容器内。利用纳秒刀向目标容器内发送脉冲信号，脉冲信号经过纳秒刀传递进入目标容器中，在目标容器中形成电场数据。利用电场探头采集目标容器内的电场数据。
37.需要说明的是，目标容器中可以放置介质。将纳秒刀透过目标容器的外壳插入目标容器中。
38.参见图2，图中“+”符号可以表示一个电场探头。电场探头的个数可以根据实际需求进行设置，本发明实施例对此不作具体限定。目标容器可以是20
×
20
×
20cm的容器，该容器可以包括金属外壳。在目标容器中可以放置介质a和介质b，介质a充满整个容器，介质b位于介质a的内部。
39.s104，根据电场数据生成纳秒刀的电场校准参数。
40.在本发明实施例中，电场校准参数用于体现纳秒刀的能力特征。可以根据实际需求设置电场校准参数的种类。
41.s106，根据电场校准参数和预设校准范围确定纳秒刀校准结果。
42.在本发明实施例中，预设校准范围根据电场校准参数的种类对应进行设置，用于评价每种电场校准参数是否符合要求。将电场校准参数和预设校准范围进行对比，以得到纳秒刀校准结果。
43.需要说明的是，本发明实施例可以用于双电极纳秒刀，也可以用于多电极纳秒刀的校准。
44.本发明实施例提供了一种纳秒刀校准方法，该方法包括：利用电场探头获取目标容器内介质的电场数据；电场数据由纳秒刀发送至所述目标容器内；根据电场数据生成纳秒刀的电场校准参数；根据电场校准参数和预设校准范围确定纳秒刀校准结果。本发明实施例可以对纳秒刀进行校准，以便筛选符合精准度要求的纳秒刀。
45.在一个实施例中，利用电场探头获取目标容器内介质的电场数据，可以按照如下步骤执行：
46.利用电场探头分批次获取目标容器内介质的电场数据；每批次的电场探头在目标容器中的位置不同。
47.在本发明实施例中，目标容器可以是中空的立方体，其大小可以根据实际需求进行设置。通过电场探头分批次获取目标容器内不同位置的电场数据。
48.在一个实施例中，电场校准参数包括电场强度参数、电场波形参数和电场比例参数；根据电场校准参数和预设校准范围确定纳秒刀校准结果，包括：若电场强度参数、电场波形参数或电场比例参数不满足预设校准范围，则确定校准结果为纳秒刀未通过校准；若电场强度参数、电场波形参数和电场比例参数满足预设校准范围，则确定校准结果为纳秒刀通过校准。
49.在本发明实施例中，电场比例参数用于描述纳秒刀在目标容器内产生的电场范围。电场波形参数用于描述电场强度参数随时间变化的曲线。可以通过显示器显示电场波形参数。显示器可以为示波器，可以根据实际需求选择。当电场强度参数、电场波形参数和电场比例参数中任一种不满足预设校准范围，则确定校准结果为纳秒刀未通过校准，当三者都满足预设校准范围，则确定校准结果为纳秒刀通过校准。通过校准的纳秒刀可以用于产生符合需求的电场数据。
50.在一个实施例中，根据电场数据生成纳秒刀的电场校准参数，包括：计算各批次电场强度参数满足预设场强范围的电场探头的第一个数；根据第一个数和各批次电场探头的总个数确定电场比例参数。
51.在本发明实施例中，在分批次获取目标容器内不同位置的电场数据之后，每个电场探头都可以测得目标容器内一个位置的电场强度参数，计算电场强度参数是否满足预设场强范围，如果是，则将该电场探头记为一个第一个数，计算所有满足预设场强范围的电场探头的个数，得到第一个数的值，再用该第一个数的值和各批次使用的电场探头的总个数相除，得到电场比例参数。
52.需要说明的是，预设场强范围可以根据实际需求进行设置，本发明实施例对此不作具体限定。
53.在一个实施例中，目标容器表面设有第一固定装置和第二固定装置；第一固定装置用于固定纳秒刀；第二固定装置用于固定电场探头。
54.在本发明实施例中，参见图2，图中所示耐高压同轴导线与纳秒刀相连接，纳秒刀利用两根外部绝缘的同轴耐高压导线插入目标容器内，电场探头也可以通过硬质绝缘同轴导线插入目标容器内。第一固定装置可以将纳秒刀的硬质导线固定在目标容器表面，从而使纳秒刀稳定插入目标容器中，第二固定装置可以将电场探头的硬质导线固定在目标容器表面，从而使电场探头稳定插入目标容器中。第一固定装置和第二固定装置的结构可以相同，也可以不同，可以根据实际需求进行设置。通过选择纳秒刀硬质导线的固定位置或选择电场探头硬质导线的固定位置，可以控制纳秒刀或电场探头插入目标容器的深度，以便更精准地控制实验数据，进而校准纳秒刀。
55.下面以一个具体实施例对该方法的实施步骤进行说明。该方法可以以校准系统实施，参见图2所示校准系统主体两个方向的视图和图3所示的校准系统与测量探头整体三维建模效果图，该校准系统主体分为三部分：
56.①
测量模体为20
×
20
×
20cm3的金属外壳包含的导电凝胶，凝胶分为两层，内层为8
×8×
8cm3的表征肿瘤组织的凝胶块。
57.②
标准纳秒消融系统为从z轴方向竖直插入凝胶10cm的两根外部绝缘的同轴耐高压导线，导线直径为1mm，两根导线位置分别为金属外壳xy平面中心向x+与x-方向位移0.875cm处。上层金属板设置对应的插入孔，导线后端接可调高压纳秒脉冲发生器。
58.③
电场测量探头部分：探头规格为：金属材质的三方向探针，每个方向的探针长度都为1cm，探针直径为1mm，连接探针的导线采用与
②
中类似的硬质绝缘同轴导线，导线直径1mm。在校准系统中一共设置了7
×7×
3个测量点位，x与y方向的测量点位间隔为3cm，z方向的测量点位间隔为6cm。测量探头阵列后接计算机以对测量的电场数据进行存储。
59.参见图4所示的测量探头的侧视图(三方向探针正交因此侧视图一致)与三维视图，实验中采用的电场探头，其主要结构为x，y，z三个方向正交分布的金属探针，以及连接到三方向探针焊接点的，沿z轴竖直向上的单根硬质电压传导线，测量系统另一端接地，保证信号的稳定性。金属探针每个方向长度为1cm，直径为1mm，焊接点在三个方向探针的正中心，尽量保证探针焊点在三个方向的对称性。采用正交排布的三方向探针的优势在于，可以平均地测量三个方向的电场分布，使得三个方向的电场均匀地耦合在探测端，有效地检测各个方向电场分量对整体电场的影响。
60.考虑到电场探头部分成本较高，并且将所有点位同时设置电场探头在物理层面上可能会对电场测量造成较大影响。因此本系统中，同时进行测量的探头数设置为7个，摆放为x轴方向一排，测量校准时分为7
×
3次分别进行，读取每次纳秒刀通电开始后相同时间点的读数，并将21次测量结果合并成场强数据。
61.由于电场探头与导线均为1mm硬质导线，因此在改变测量位置时对整个测量系统的影响不大。为了方便更改测量位置，在校准模体上方的金属板对应地设置了7
×
7的贴合探头导线外部绝缘层的孔，并且在每个探头导线的对应位置标注了z方向三次测量的刻度，同时上层金属板还设置了夹子来固定电场探头。
62.实验测量过程中，首先需要了解待测纳秒刀的各项参数，如：该纳秒刀的物理参数，使用时的标准场强与脉宽，经典重复频率，以及其宣称的最大消融体积。通过同轴电缆
与待测纳秒刀进行同等情况的设置，使用电场探头获得同等情况下各个测量点位的电场值，保存在计算机中进行后期的比对，从而对待测纳秒脉冲消融系统进行校准工作。
63.校准工作中可以定义一些辅助参数，如：可以定义半电场比例，其中表示接收电场的探头中，测得电场强度大于设定场强一半的探头数量，而n则是探头总数。由于消融系统存在差异，这里的1/2比例可以针对不同情况进行修改，如可以类似地定义1/4电场比例等。该参数可以从实验意义上表征纳秒刀的电场扩散情况(亦即可以一定程度上直观的表示纳秒刀的消融范围)。
64.校准工作还可以结合计算机仿真结果进行更进一步的分析，例如在分析过程中利用comsol multiphysics系统进行仿真上的辅助。将仿真软件得到的不同点位的结果与实际测量结果进行比对，得出仿真与实际测量的误差，比较待测系统与标准校正系统两者仿真时的差别。
65.实验中使用的是ph6.0-7.0的琼脂凝胶，两部分凝胶均采用0.9％nacl水溶液作为分散介质。将纳秒刀的两个电极插入内层琼脂的指定位置，安装好第一排位置的电场测量探头(7个)并固定在金属板上。首先开启测量程序提前接收电场信息，再按照100ns脉宽，1kv/cm的初始场强，串内频率为1mhz，一个脉冲串内包含100个脉冲，共发射并测量100串脉冲串。保证所有脉冲串持续时间内的电场信息全部记录之后，关闭测量程序，静置等待2-3分钟(尽管脉冲刺激时间很短，但仍存在3-4摄氏度的温度变化)，等待凝胶降至室温后，将电场探头整体向z-方向平移至下一组测量点位(实验中采用向下平移的方式可以使电场探头的导线移动对凝胶的物理性质影响降至最低)并固定，再次开启测量程序并进行下一组数据的测量。以此类推，直至完成对21组电场数据的测量。
66.电场测量程序采用matlab脚本文件编写，7
×7×
3组电场数据分别存放在对应的矩阵文件内。在matlab中进行数据处理时，可以通过脚本编写程序来计算相应的参数如半电场比例等，也可以通过matlab散点图绘制表示某一测量点随刺激时间产生的电场变化，也可以通过三维散点图，来绘制三个与xy平面平行的测量面上，在某一特定时刻产生的电场高低。
67.在对双电极纳秒刀进行评测时，可以采用与上述测量系统相同的方法进行评估，对于多电极纳秒刀，则需要按照目标。
68.此外，在测量的同时，使用comsol multiphysics 5.4来对测量系统进行建模并仿真，如图5与图6，以及对包含电场探头的测量系统的仿真，如图7与图8。
69.该方法实验过程简洁易懂，使用三方向电场探头，以7
×7×
3的测量点数测量了纳秒刀在20
×
20
×
20cm凝胶块的实验环境下产生的电场，以及每个点随着时间变化的电场变化波形。不仅获得了纳秒刀的电场分布，还针对本发明提出了电场比例的概念，用于在实验环境下获得对纳秒刀影响范围的直观认知。本发明在当前缺乏系统性测定与校准标准的纳秒刀领域，提供了一套实用性较强的双电极纳秒刀校准标准，并且具有很高的延展性，可以推广应用到多电极纳秒刀的校准方面，成为市面上各类纳秒刀测试的标准系统。
70.本发明提供了一种纳秒刀校准方法及装置，该方法是针对纳秒脉冲消融探针提出的一种具有泛用性与延展性的电场校准方案；该方法在电场校准系统中加入三方向电场探头测量校准系统对应点的电场强度；在肿瘤消融的电场校准系统中采用分离的凝胶块表征肿瘤细胞与普通细胞间的空间分隔。
71.本发明实施例中还提供了一种纳秒刀校准装置，如下面的实施例所述。由于该装置解决问题的原理与纳秒刀校准方法相似，因此该装置的实施可以参见纳秒刀校准方法的实施，重复之处不再赘述。参见图9所示的纳秒刀校准装置结构框图，该装置包括：
72.获取模块71，用于利用电场探头获取目标容器内介质的电场数据；电场数据由纳秒刀发送至所述目标容器内；参数模块72，用于根据电场数据生成纳秒刀的电场校准参数；校准模块73，用于根据电场校准参数和预设校准范围确定纳秒刀校准结果。
73.在一个实施例中，电场校准参数包括电场强度参数、电场波形参数和电场比例参数；校准模块，具体用于：若电场强度参数、电场波形参数或电场比例参数不满足预设校准范围，则确定校准结果为纳秒刀未通过校准；若电场强度参数、电场波形参数和电场比例参数满足预设校准范围，则确定校准结果为纳秒刀通过校准。
74.在一个实施例中，参数模块，具体用于：计算各批次电场强度参数满足预设场强范围的电场探头的第一个数；根据第一个数和各批次电场探头的总个数确定电场比例参数。
75.在一个实施例中，目标容器表面设有第一固定装置和第二固定装置；第一固定装置用于固定纳秒刀；第二固定装置用于固定电场探头。
76.本发明实施例还提供一种计算机设备，参见图10所示的计算机设备结构示意框图，该计算机设备包括存储器81、处理器82及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述任一种纳秒刀校准方法的步骤。
77.所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的计算机设备的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
78.本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述任一种纳秒刀校准方法的计算机程序。
79.本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
80.本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
81.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
82.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一
个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
83.最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。