一种高频不可逆电穿孔治疗系统的制作方法

1.本发明属于消融控制技术领域，尤其涉及一种高频不可逆电穿孔治疗系统。


背景技术：

2.不可逆电穿孔（irreversible electroporation ，ire）是一种新兴的治疗肿瘤的非热消融技术，其运用微秒级高压电脉冲，使受作用细胞的细胞膜上形成纳米级孔隙，从而改变细胞膜的通透性，破坏细胞的内平衡，进而导致细胞调亡，这一过程称为不可逆电穿孔。不可逆电穿孔的一个典型的治疗方案是在两个电极针之间单向传送电压为1500 v /cm，脉冲宽度为50
‑ꢀ
100μs的方波脉冲，总剂量为70
–
100个。治疗过程中可根据肿瘤的大小和形状调整电极数量、电极间距和电极暴露长度。在使用ire时，最重要的是电场在破坏细胞膜的同时，不会引起热焦耳加热引起的组织损伤，因此在临床中有广泛应用前景，尤其对于临近重要血管和神经的病灶，可以进行微创消融，提高治疗的安全性。
3.尽管ire在临床中具有良好的前景，但是现有的不可逆电穿孔均采用单极性的高压脉冲作用于细胞，当用这项技术对人体的肿瘤细胞进行不可逆消融时，在脉冲放电的瞬间会引起患者的肌肉大幅度的抽搐，诱发患者的肢体发生大幅度移动，严重影响到放电电极的位置固定和治疗效果。因此，目前在实施这样的手术需要对患者进行气管插管、全身麻醉、注射肌肉松弛剂与呼吸机辅助进行，无法象目前应用于临床的大多数介入微创手术那样方便地在局部麻醉下进行，手术过程繁琐、费用高且增加了消融手术的复杂度与危险性，并可能引起一些并发症，因此限制了这项技术的应用与推广。
4.经检索，现有技术大部分的消融控制均为对称脉冲。尽管也有现有技术提出一些非对称脉冲控制技术，例如公开号为cn112022331a的中国发明专利申请公开的不可逆电穿孔消融系统，其提出将不对称脉冲施加至所述消融电极使其输出电刺激信号，不对称脉冲正脉冲切换至负脉冲及负脉冲切换至正脉冲的过程均设置空闲时间。然而，在实际应用中发现，上述技术方案依然采用单极电极，空闲时间为0.1-30us，使得在高压放电中设备需要频繁的充电和放电，而短时的充放电过程会导致脉冲异常（例如锯刺），从而使得消融区域的均匀性和安全性均受到影响，也无法和消融区域的状态形成实时反馈。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明提出一种高频不可逆电穿孔治疗系统，包括多个脉冲电极与脉冲发生器，脉冲发生器包括脉冲控制器与脉冲输出端；脉冲控制器连接储能单元与放电单元；储能单元通过充电元件连接至高压电源；脉冲控制器在同一时刻仅同时与两个脉冲电极通信，将脉冲发生器产生的脉冲电刺激信号按照时间先后输送至所述两个脉冲电极；脉冲控制器还基于监测的储能单元的剩余容量控制脉冲输出端与脉冲电极组的通信或者调节脉冲电刺激信号的脉宽。
6.具体的，本发明的技术方案实现如下：一种高频不可逆电穿孔治疗系统，所述治疗系统包括多个脉冲电极与脉冲发生
器。
7.具体的，所述多个脉冲电极由多个脉冲电极组组成，每个脉冲电极组由两个脉冲电极组成。
8.所述脉冲发生器包括脉冲控制器与脉冲输出端；所述脉冲输出端通过选通器与所述多个脉冲电极组之一连接；所述脉冲控制器连接储能单元与放电单元；所述储能单元通过充电元件连接至高压电源；所述脉冲控制器在同一时刻同时与一个脉冲电极组中的两个脉冲电极通信，将所述脉冲发生器产生的脉冲电刺激信号按照时间先后输送至所述两个脉冲电极。
9.具体的，所述脉冲控制器控制所述脉冲输出端通过选通器在同一时刻控制所述脉冲输出端仅与一组脉冲电极通信。
10.作为进一步的改进技术手段，所述两个脉冲电极包括第一正相脉冲电极和第二反相脉冲电极；所述脉冲控制器在第一时刻控制所述脉冲输出端与所述第一正相脉冲电极和第二反相脉冲电极通信，并在第一时刻将所述脉冲发生器产生的脉冲电刺激信号输送至所述第一正相脉冲电极，在第二时刻将所述脉冲发生器产生的所述脉冲电刺激信号输送至所述第二反相脉冲电极，所述第一时刻不同于所述第二时刻。
11.在结构上，所述第一正相脉冲电极直接接收所述脉冲发生器产生的脉冲电刺激信号作用于消融区域；第二反相脉冲电极接收所述脉冲发生器产生的所述脉冲电刺激信号后进行反相处理后作用于所述消融区域。
12.在具体治疗中，所述高频不可逆电穿孔治疗系统的第一个控制方式如下：所述脉冲控制器监测所述储能单元的剩余容量；当所述储能单元的剩余容量低于第一预设值时，所述脉冲控制器控制所述脉冲输出端断开与当前通信的脉冲电极组之间的通信，并在等待预定时间段后，控制所述脉冲输出端与另一组脉冲电极组通信。
13.在具体治疗中，所述高频不可逆电穿孔治疗系统的第二个控制方式如下：所述脉冲控制器监测所述储能单元的当前剩余容量；当所述储能单元的剩余容量大于第一预设值时，基于储能单元的当前剩余容量调整所述脉冲发生器产生的脉冲电刺激信号的脉宽。
14.在具体治疗中，所述高频不可逆电穿孔治疗系统的第三个控制方式如下：每个所述脉冲电极耦合有光纤温度传感器；所述脉冲电极在接收到所述脉冲电刺激信号时，开启所述光纤温度传感器实时监测消融区域的温度；当温度超过设定温度阈值时，生成反馈信号发送至所述所述脉冲控制器；所述脉冲控制器基于所述反馈信号调整当前的所述脉冲电刺激信号的脉冲宽度和占空比。
15.作为进一步的硬件结构介绍，所述脉冲发生器连接上位机、高速开关控制器以及下位机；
上位机设置输出脉冲形式，下位机通过光隔离将脉冲发生器产生的电刺激信号输送至高速开关控制器；所述高速开关控制器控制高速开关开合，通过高速开关形成的桥式电路，形成单极性或双极型输出脉冲。
16.所述系统还包括脚踏开关，所述脚踏开关默认处于非激活状态；所述脉冲控制器实时监测所述放电单元输出的放电电流是否符合预定条件；当所述放电电流符合预定条件时，激活所述脚踏开关。
17.为了更好的体现均匀性，每个所述脉冲电极均包含分支瓣与分支电极。
18.本发明的治疗在进行治疗时能够与目标交融区域形成交互反馈，并且使得消融区域更加均匀的同时，避免储能和放电单元的短时多次充放电带来的脉冲异常。
19.本发明的技术方案中，上位机设置输出脉冲形式，指令发送给下位机，下位机通过光隔离输送至高速开关控制器，控制器控制开关开合，通过高速开关形成的桥式电路，形成单极性或双极型输出脉冲。脉冲宽度可根据消融电极温度反馈信号，精确调整脉冲宽度，实现零热损高压陡脉冲消融。
20.本发明的技术方案中，耦合于电极中的光纤温度传感器实时监测反馈消融过程中温度，当温度超过设定阈值温度，调整脉冲宽度和占空比，实现消融区域零热损消融。
21.本发明的技术方案中，可通过局部热消融模块将交流电通过开关电源转换为直流电，直流变为高频交流电，将其向外部输出；耦合于消融电极内的温度传感器实时监测反馈消融电极温度；控制模块接收反馈信号，转换后再控制电压幅度，动态调整输出功率，精确控制热场范围。
22.本发明的技术方案中，当所述储能单元的剩余容量低于第一预设值时，所述脉冲控制器控制所述脉冲输出端断开与当前通信的脉冲电极组之间的通信，并在等待预定时间段后，控制所述脉冲输出端与另一组脉冲电极组通信，使得消融区域更加均匀的同时，避免储能和放电单元的短时多次充放电带来的脉冲异常。
23.本发明的进一步优点将结合说明书附图在具体实施例部分进一步详细体现。
24.附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。
26.图1是本发明一个实施例的一种高频不可逆电穿孔治疗系统的基本架构示意图；图2是本发明再一个优选实施例的一种高频不可逆电穿孔治疗系统的基本架构示意图；图3是图1所述高频不可逆电穿孔治疗系统的治疗原理的第一控制流程示意图；图4是图1所述高频不可逆电穿孔治疗系统的治疗原理的第二控制流程示意图；图5是图1所述高频不可逆电穿孔治疗系统采用的分支瓣与分支电极的布局示意图。
具体实施方式
27.下面，结合附图以及具体实施方式，对发明做出进一步的描述。
28.参照图1，图1是本发明一个实施例的一种高频不可逆电穿孔治疗系统的基本架构示意图。
29.在图1中，所述治疗系统包括多个脉冲电极与脉冲发生器，所述脉冲发生器包括脉冲控制器与脉冲输出端；所述脉冲输出端可与所述多个脉冲电极连接；所述脉冲控制器连接储能单元与放电单元；所述储能单元通过充电元件连接至高压电源；所述脉冲控制器在同一时刻同时与两个脉冲电极通信，将所述脉冲发生器产生的脉冲电刺激信号按照时间先后输送至所述两个脉冲电极。
30.在具体结构上，所述多个脉冲电极包括多组脉冲电极；每组脉冲电极由两个脉冲电极组成；所述脉冲控制器在同一时刻同时与两个脉冲电极通信，具体包括：所述脉冲控制器在同一时刻控制所述脉冲输出端仅与一组脉冲电极通信。
31.更具体的，每组组脉冲电极中所述两个脉冲电极包括第一正相脉冲电极（图1中实线）和第二反相脉冲电极（图1中虚线）。
32.作为具体的实施例，所述脉冲输出端通过选通器与所述多个脉冲电极组之一连接；具体的，所述脉冲控制器控制所述脉冲输出端通过选通器在同一时刻控制所述脉冲输出端仅与一组脉冲电极通信。
33.所述脉冲控制器在第一时刻控制所述脉冲输出端与所述第一正相脉冲电极和第二反相脉冲电极通信，并在第一时刻将所述脉冲发生器产生的脉冲电刺激信号输送至所述第一正相脉冲电极，在第二时刻将所述脉冲发生器产生的所述脉冲电刺激信号输送至所述第二反相脉冲电极，所述第一时刻不同于所述第二时刻。
34.在结构上，所述第一正相脉冲电极直接接收所述脉冲发生器产生的脉冲电刺激信号作用于消融区域；第二反相脉冲电极接收所述脉冲发生器产生的所述脉冲电刺激信号后进行反相处理后作用于所述消融区域。
35.作为进一步的原理性实施例，在图1基础上，参见图2。
36.图2中，所述脉冲发生器连接上位机、高速开关控制器以及下位机；上位机设置输出脉冲形式，下位机通过光隔离将脉冲发生器产生的电刺激信号输送至高速开关控制器；所述高速开关控制器控制高速开关开合，通过高速开关形成的桥式电路，形成单极性或双极型输出脉冲。
37.所述系统还包括脚踏开关，所述脚踏开关默认处于非激活状态；所述脉冲控制器实时监测所述放电单元输出的放电电流是否符合预定条件；当所述放电电流符合预定条件时，激活所述脚踏开关。
38.作为原理性的介绍，作为概括性的模块单元，所述高频不可逆电穿孔治疗系统高压陡脉冲消融、温度实时监测反馈和局部热消融三个单元。
39.高压陡脉冲消融：通过电极间释放高压直流超窄脉冲，在电极间形成大电流，使极间肿瘤细胞产生不可逆电穿孔，进入凋亡。该模组通过耦合与消融电极内部的光纤温度传
感器，精准采样消融电极温度，动态调整脉冲宽度，实现无热损不可逆电穿孔消融。
40.局部热消融：在消融电极内耦合了光纤温度传感器，温度的变化引起激光波长变化，通过耦合接口将反射光连接至集成于主机的光谱仪，识别光谱变化，转换为温度信号，反馈至局部热消融控制模块，动态调整电极间交变电压输出功率。局部热消融采用单电极与腿部极板间释放高频交变电流，以电极为中心形成完成局部热消融，通过精准的光纤温度传感器，精准调节输出功率，准确控制消融范围，达到破坏肿瘤微环境，增强局部药物传递浓度提高药物疗效的作用。
41.具体的，高压陡脉冲发生装置，通过高压电源为储能元件充电，控制电路控制快速开关元件形成高压超窄脉冲。
42.耦合于电极中的光纤温度传感器实时监测反馈消融过程中温度，当温度超过设定阈值温度，调整脉冲宽度和占空比，实现消融区域零热损消融。
43.局部热消融模块将交流电通过开关电源转换为直流电，直流变为高频交流电，将其向外部输出；耦合于消融电极内的温度传感器实时监测反馈消融电极温度；控制模块接收反馈信号，转换后再控制电压幅度，动态调整输出功率，精确控制热场范围。
44.高压陡脉冲：上位机设置输出脉冲形式，指令发送给下位机，下位机通过光隔离输送至高速开关控制器，控制器控制开关开合，通过高速开关形成的桥式电路，形成单极性或双极型输出脉冲。脉冲宽度可根据消融电极温度反馈信号，精确调整脉冲宽度，实现零热损高压陡脉冲消融。
45.将光纤温度传感器fbg耦合于消融电极，当电极温度发生变化，带动传感器部分温度发生变化，光纤的热膨胀效应和热光效应引起布拉格光栅反射中心波长漂移，温度和波长漂移量成正比。使反射光光谱发生变化，反射光经光纤反馈至光谱仪，转换为温度变化，将温度变化量转换为控制量，送入高压陡脉冲控制模块和热消融模块。
46.局部热消融控制单元，向所述功率放大电路传送信号，用于控制所述单元功率调节电路。
47.进一步地，所述控制单元输出驱动信号，所述驱动信号控制所述功率放大器输出高频交变信号。
48.进一步地，所述功率调节电路用于调节所述功率放大电路的供电电压。
49.进一步地，所述功率调节电路为降压式变换电路。
50.进一步地，所述功率放大电路还用于接收射频驱动信号。
51.进一步地，所述功率放大电路包括：mosfet驱动电路，用于产生一对互补的驱动信号；一对推挽工作的mosfet，与所述mosfet驱动电路相连接，用于根据所述互补的驱动信号对射频信号进行推挽放大；隔离输出变压器，与所述推挽工作的mosfet相连接，用于对推挽放大后的射频信号进行隔离和变压。
52.进一步地，所述温度检测模块输出与控制电路相连接，用于将反馈控制功率放大电路运行参数发送给所述控制电路。
53.基于图1或图2的硬件结构，图3-图4给出了本发明所述高频不可逆电穿孔治疗系统的几种控制方式：作为一种控制方式，参见图3。
54.开始时，所述脉冲控制器在第一时刻控制所述脉冲输出端与所述第一正相脉冲电
极和第二反相脉冲电极通信，并在第一时刻将所述脉冲发生器产生的脉冲电刺激信号输送至所述第一正相脉冲电极；然后，等待可调节的第一预设时间后，在第二时刻将所述脉冲发生器产生的所述脉冲电刺激信号输送至所述第二反相脉冲电极，所述第一时刻不同于所述第二时刻。
55.接下来，所述脉冲控制器监测所述储能单元的剩余容量；当所述储能单元的剩余容量低于第一预设值时，所述脉冲控制器控制所述脉冲输出端断开与当前通信的脉冲电极组之间的通信，并在等待可调节的第二预设时间后后，控制所述脉冲输出端与另一组脉冲电极组通信，然后继续回到开始时的步骤。
56.这里的“可调节的预设时间”，可以参照现有技术适当增加，例如在背景技术提及的现有技术公开的空闲基础上适当增加，本发明对此不作具体展开。
57.作为另一种控制方式，参见图4。
58.开始时，所述脉冲控制器在第一时刻控制所述脉冲输出端与所述第一正相脉冲电极和第二反相脉冲电极通信，并在第一时刻将所述脉冲发生器产生的脉冲电刺激信号输送至所述第一正相脉冲电极；然后，等待可调节的第一预设时间后，在第二时刻将所述脉冲发生器产生的所述脉冲电刺激信号输送至所述第二反相脉冲电极，所述第一时刻不同于所述第二时刻。
59.接下来，所述脉冲控制器监测所述储能单元的剩余容量；所述脉冲控制器监测所述储能单元的当前剩余容量；当所述储能单元的剩余容量大于第一预设值时，基于储能单元的当前剩余容量调整所述脉冲发生器产生的脉冲电刺激信号的脉宽。
60.作为一个具体的实施例，所述储能单元的剩余容量可以采用剩余比例ratio来衡量，基于储能单元的当前剩余容量调整所述脉冲发生器产生的脉冲电刺激信号的脉宽可以采用如下公式进行调节：；ratio为0-1之间的百分比例值；其中，plusw为调节后的脉冲宽度；plus为调节前的脉冲宽度，sum为所述储能单元的总容量，sumr为所述储能单元的剩余容量，二者采用同一单位衡量。sum的数值大于1。
61.脉宽调节技术也可以参照现有技术。
62.作为再一种控制方式，虽然未示出，但是本实施例包括：每个所述脉冲电极耦合有光纤温度传感器；所述脉冲电极在接收到所述脉冲电刺激信号时，开启所述光纤温度传感器实时监测消融区域的温度；当温度超过设定温度阈值时，生成反馈信号发送至所述所述脉冲控制器；所述脉冲控制器基于所述反馈信号调整当前的所述脉冲电刺激信号的脉冲宽度和占空比。
63.基于上述实施例，耦合于电极中的光纤温度传感器实时监测反馈消融过程中温度，当温度超过设定阈值温度，调整脉冲宽度和占空比，实现消融区域零热损消融。
64.可见，在进行治疗时能够与目标交融区域形成交互反馈，并且使得消融区域更加
均匀的同时，避免储能和放电单元的短时多次充放电带来的脉冲异常。
65.为了进一步改善 非均匀性，参见图5，在本发明的各个实施例中，每个所述脉冲电极均包含分支瓣与分支电极。
66.参见图5，以4电极组为例，给出了分支电极瓣的电极布置形式。
67.在一个具体实施例中，电极包含2-8个分支瓣，分支电极瓣上附有3-8个电极，每个电极可以独立寻址，电极既可以作为刺激电极，产生刺激信号，同时也可以用于释放消融脉冲电压，电极绝缘管及引导线具有绝缘特性，至少电压2000v、脉宽100us脉冲电压作用下，对应的绝缘材质未发生击穿。导管包含4-8个电极瓣，在牵引管的拉或推的作用力下可以打开呈灯笼状，也可以收紧为柱状。电极收缩后，导管直径为4-10mm，打开后，前端直径为10-40mm。
68.电极布置形式上可以根据分支瓣数、每分支瓣电极数、电极间距、电极长度、电极直径、花瓣打开圆周直径、电极截面形状等情况布置，同时电极材质也有不同选择。
69.独立分支瓣上的电极两两放电，每个分支瓣作为一个放电侧枝，形成放电侧枝，形成线性消融。
70.需要注意的是，本发明可以解决多个技术问题或者达到相应的技术效果，但是并不要求本发明的每一个实施例均解决所有技术问题或者达到所有的技术效果，单独解决某一个或者某几个技术问题、获得一个或多个改进效果的某个实施例同样构成单独的技术方案。
71.最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。