一种离体组织消融温度场测定及数据处理系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种离体组织消融温度场测定及数据处理系统，包括能量发生器、具有可以产生轴对称或者点对称的温度场的消融天线、温度场测定控制台，测温针、数据采集仪，以及计算机；所述的温度场测定控制台为三层水平结构，四根立柱将三层水平板竖直连接，上层水平板可沿竖直方向移动，上、中层水平板上具有分布相同的多个测温针排布插孔；下、中层水平板的一个侧面有侧板，侧板中心设有消融天线插孔；消融天线经由微波天线插孔平行插入离体组织中，能量发生器通过消融天线把能量传输到离体组织中；测温针经过测温针排布插孔竖直到达离体组织，用于测量在消融过程中离体组织的温度；数据采集仪采集测温针数据，然后传递给计算机进行数据处理。
【专利说明】一种离体组织消融温度场测定及数据处理系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及医疗装置的实验验证领域，特别涉及一种离体组织微波消融温度场测定及数据处理系统。
【背景技术】
[0002]在当今的生物医学治疗中，导管消融作为一种有效的热疗手段获得了广泛的应用。特别是在针对肝脏肿瘤和房颤的治疗中，消融术已经成为了重要的治疗手段。
[0003]消融离体实验是测试新型消融探头、研究消融温度场、完成术前预测和帮助制定手术规划的不可或缺的关键手段和步骤。目前的离体实验存在着诸多的问题。第一:在大量测温针测温的情况下，无法实现所有测温针和所测试的微波天线处于同一平面，致使得到的温度场有效性得不到保证;第二:对于大量测温点数据的自动提取整理，初步的数据处理没有自动化的方法，使得重复性的数据处理工作往往需要耗费大量的时间，而且处理的结果格式的统一性较差，不方便进行进一步的数据分析和统计工作。所以在大量原始实验数据的情况下，数据提取和数据的初步处理的工作急需要一种自动化的方法。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种离体组织消融温度场测定及数据处理系统，用于解决大量测温点情况下，温度场数据有效性差，提取数据和初步数据处理工作自动化程度低，消耗时间长，格式统一性差等方面的问题。具体技术方案如下:
[0005]包括能量发生器、测温针、温度场测定控制台，数据采集仪，以及计算机；
[0006]所述的温度场测定控制台为三层水平结构，四根立柱将三层水平板竖直连接，上层水平板可沿竖直方向移动，上层水平板和中层水平板上具有分布相同的多个测温针排布插孔；下层水平板和中层水平板的一个侧面有侧板，侧板中心设置有天线的插孔；
[0007]消融天线经由微波天线插孔平行插入到位于下层水平板的离体组织中，能量发生器通过消融天线把能量传输到离体组织中；测温针经过上层水平板和中层水平板的测温针排布插孔，竖直到达下层放置离体待测组织的空间，用于测量在消融过程中离体组织的温度；数据采集仪采集测温针所测得的测温点的数据，然后传递给计算机进行数据处理。
[0008]所述的消融天线为射频消融天线、或者微波消融天线，或者…。其中，
[0009]对于不同的消融天线需要具有与之配套使用的模块，例如公知的微波消融天线都具有循环水系统，循环水系统包括循环水泵和导管，循环水泵用于将冷却水通过导管输入到离体组织中，防止微波天线过热造成的组织碳化及粘连，具有循环水系统的消融天线结构上具有循环水的进水和出水口，其内部具有水流通道，可以与外部的循环水形成闭合的通路。
[0010]测温针经过上层水平板和中层水平板，到达下层放置离体待测组织的空间，用于测量在消融过程中离体组织的温度；数据采集仪采集测温针所测得的测温点的数据，然后传递给计算机进行数据提取和数据处理。[0011]所述的温度场测定控制台，用于对大量测温针的定位，并且具有调节功能，是本系统中重要的组成部分，下面具体分析其结构特征:
[0012]1:三层水平结构
[0013]最下层水平板用于放置离体组织，上面两层水平板在对应的位置布置有大量测温针插孔，插孔的数量应该足够的多且密，实验中可以根据被测温度场大小采用相应数量的测温针，同时也可以根据温度场的形状选择不同的测温针布置方式。测温针插孔在上、中层水平板对应位置，使测温针能够竖直插入离体组织，由于测温针上端是一个帽状的结构，上层水平板可以让测温针针体通过插孔，而测温针的帽状结构无法通过，鉴于每次定制或者购买的测温针是统一规格(长度相同)的，所以上层水平板保证了所有测温针针尖处于同一平面。
[0014]2:滑动结构
[0015]上层水平板可以沿竖直方向进行移动，并可以固定在滑动轨道的任意位置。这样的滑动结构可以调整上层水平板到指定的位置。滑动轨道上标有刻度，在实验前，测量实验中用的当前规格测温针的长度，调整上层水平板到滑动轨道上的相应刻度并固定，就可以保证在实验的时候，所有竖直插入的测温针和水平插入的天线处于同一水平面上。
[0016]3:带插孔的侧板结构
[0017]带插孔的侧板结构位于中、下层水平板之间，起到支撑作用。此侧板上有天线插孔，可以使消融天线通过这个插孔插入到离体组织结构中，因为天线上具有刻度线，所以不再需要另外的结构，就可以很好的控制天线插入的深度。该侧板比三块水平板厚(最适厚度在5厘米以上)，为的是控制消融天线以水平方向插入离体组织；另外的三个侧面均无侧板，这样可以更方便实验者进行实验操作。
[0018]所述的数据处理方法包括以下步骤:提取测温点的温度变化曲线、拟合目标时刻的整个测温平面的等温线图、对获得的等温线图结果进行初步的数据分析后处理。
[0019]所述的数据处理方法是一种自行设计的基于Matlab的区域热分析数据处理方法。用于得到离体组织的温度变化和温度场数据。基于Matlab的数据处理方法具体包括四个部分:
[0020]1:提取所有测温点的温度变化曲线:
[0021]首先，用户需要选择创建一个文件夹用于保存后面处理的所有的数据分析结果和原始文件的备份。然后导入原始的数据采集仪记录所记录的所有测温点的温度数据并把此原始数据备份到所创建的文件夹位置。接下来通过判断算法去除原始数据中数据异常的测温点整个加热过程中的所有温度数据。
[0022]因为在实验中需要首先打开数据采集仪，等数据采集仪所测的温度数据比较稳定的时候再打开能量发生仪开始进行消融实验；同样，等消融结束后也会过一段时间再关闭数据采集仪来终止实验数据的获取。所以，在原始的实验数据中，会在开始和结束阶段分别有一些无用的数据行需要去除。所以基于Matlab的处理方法中，需要用户输入消融开始距离数据采集仪开始工作的时间、消融持续的时间及数据采集的时间间隔，这样通过程序内部的算法可以得到消融开始所在数据行和消融结束时间点所在的数据行，两行中间的就是所需分析消融时间内的所有测温点的温度数据；进而可以得到每个测温点在所需分析时间段内的温度变化曲线。最后将所有测温点的温度曲线按照测温点的编号导入所创建的文件夹位置。
[0023]2:插值拟合得到目标时刻的整个测温平面的等温线:
[0024]为了分析消融结束时刻的温度场，导入测温点的布置方式矩阵文件(因为是点、线热源加热，所以测温点布置在以消融天线为对称轴的一侧)，并且把此测温点的布置方式矩阵文件备份到所创建的文件夹位置。对应的此测温点的布置方式，得到消融结束时刻所有测温点温度所构成的温度矩阵。因为此温度矩阵为对称轴一侧的温度矩阵，所以对此温度矩阵进行翻折算法的处理，得到全平面的温度矩阵，经过这样的处理，可以最后得到闭合的等温线图。
[0025]对矩阵中因为温度异常去除的测温点进行插值处理，特别的，因为全平面的矩阵根据沿天线对称轴翻折得到，所以中间需要靠插值方法得到轴上的温度值；
[0026]因为我们在不同的实验中所采用的测温点的数量或者测温点的布置点位可能有所不同，为了方便大量实验组数据的统一处理，得到范围规格的等温线图结果。所以我们内置了算法可以使得的不同组的温度点布置方式统一到一个标准的大规格矩阵中。这个方法得到的统一规格的等温线图，可以更加方便直观的对比不同情况下的实验数据。最后，对整个统一的大范围下的温度矩阵进行插值并且拟合温度曲面。
[0027]3:对获得的等温线结果进行初步的数据分析后处理:
[0028]上面获得的目标时刻的等温线图，我们内置了多项算法对其进行初步的数据分析后处理:得到最高温度、最高温度所在坐标，标注于等温线图中；得到温度高于某特定值的区域的长度、宽度及长宽比值，标注于等温线图中；得到温度高于某特定值的区域的面积，空间体积等，标注于等温线图中；最后把带有数据处理信息的等温线图导入所创建的文件夹位置。
[0029]4 界面的其他快捷处理方法:
[0030]为了方便用户进行操作处理，所有设定均在UI界面完成，方便快捷。并且，我们内置了多种人性化的设置，比如在绘制测温点的温度曲线过程中，弹框提醒用户正在处理的测温点编号，并有进度条显示完成百分比；在绘制等温线及得到关键的数据分析后处理结果过程中，弹框提醒用户正在绘制等温线图及进行数据处理，并有进度条显示。我们还便捷的在UI界面显示用户所设定的存储路径并且提供按钮直接进入该路径地址；提供按钮快捷显示等温线图及其他数据，不需要用户进入文件夹查看；最后UI界面提供清空数据，关闭UI界面等功能。
[0031]本数据处理方法不仅可以用于本专利中离体组织天线消融温度场测定及数据处理输出一体化系统，还广泛适用于测定分析及评估点热源或者线热源在加热介质中制造的热场。本方法集成了多种研究中所重点关注的数据分析指标，自动化程度较高，方便快捷，可以提供给研究者很大帮助。
[0032]有益效果
[0033]本发明具有提高大量测温点情况下温度场数据的有效性、提取数据和初步数据处理工作的自动化程度，并减少数据提取和后处理消耗的时间，保证数据格式统一性的好处。
【专利附图】
【附图说明】
[0034]图1为微波消融温度场测定及数据输出系统示意图[0035]图2为测温点排布示意图
[0036]图3为控制台设计方案
[0037]图4为基于matlab的数据处理程序界面示意图
[0038]图5为某一测温点的温升曲线示意图
[0039]图6为等温线示意图
【具体实施方式】
[0040]本发明公开了一种离体组织消融温度场测定及数据处理输出系统，结合图1、图
2、图3、图4、图6和图5做进一步的说明:
[0041]首先，按照如图1所示的方式连接各个仪器:
[0042]能量发生器提供消融的能量，发生器与用于组织消融的天线相连接，可以把仪器产生的能量通过天线传入到被测离体组织中。采用南京庆海微波电子研究所生产的MTC-3型微波发射器，该微波仪能够产生(2450±50)MHz的微波，输出O?100W的可调功率，天线采用缝隙发射，缝隙宽1.5_，距前端13_。该微波系统配有低损耗的同轴电缆传输线，与硬质微波辐射天线相连。微波天线(直径为1.9_，长150_)的表面附有涂层，用来防止与组织粘接。
[0043]同时，冷却水通过循环水泵输入到组织中用于防止微波天线过热造成的组织碳化及粘连，冷却水通过导管与微波天线上的进出水插孔相连接。采用的循环水泵为兰格BT09-100，水泵右上角的旋钮可以调节水泵转速，从而控制实验所需水流速度，上方的数字代表十位，下方的数字代表个位，实验要求将转速调至40转/分钟(rpm)。
[0044]测温针通过自主设计的控制台精准的插入到离体组织的预定位置。控制台如图2所示。测温针通过控制台中两块平行有机玻璃板的插孔，插入到下层摆放的离体组织中，可以通过调节上部的有机玻璃在滑动轨道上的位置，有效的保证测温针尖端和微波天线处在同一平面；试验中，在插入微波天线之后，再插入测温针，观察测温针的尖端是否和微波天线处于同一平面，如果不在，则可以通过调节最上层的有机玻璃板在滑动轨道上的位置，使两者处在同一平面。
[0045]因为我们希望一次就可以完成对整个空间温度场的测量，所以我们设计了如图3所示的测温针插孔布置方式。通过一次性测量微波天线一侧平面内所有测温点内的温度曲线，通过后期基于matlab编程的数据处理，通过插值拟合得到全空间的温度场。需要说明的是:图3所示只是测温针排布的示意图，实际设计的控制台，我们在全平面都布置了测温针的插孔，这样可以针对不同的实验需要来灵活的布置测温针。
[0046]在开始实验后，数据采集仪对测温针传输的数据进行采集，然后通过传输线传递给计算机，我们采用数据采集仪为安捷伦公司(Agilent)的34970A多点数据采集仪。如下图所示，Agilent34970A具有6位半分辨率(22比特)、0.004%的基本直流电压精度和极低的读数噪声，高达250通道/秒扫描速率，可测量由热电偶、热电阻和热敏电阻提供的直流和交流电压，标准HP-1B和RS232接口，通过RS232接口可与计算机连接，利用Agilent BenchLink Data Logger软件设置测试参数，采集并归档测量数据，以及对输入的测量数据执行实时显示和分析。数据采集仪中的数据采集卡通过导线与测温针相连。数据采集卡采用34970A20通道衔铁继电器多路转换器。此模块分为两组，每组有10个通道，具有300V切换能力。另外有两条带保险丝的通道可供内部数字万用表进行直接、校准的直流或交流电流测量。所有20个通道均切换HI (高端)和LO (低端)输。
[0047]最后，导入到计算机的原始数据通过基于matlab编写的数据分析程序进行全自动化后处理。如图4所示，程序具有比较友好清晰的交互界面。用户需要输入三个时间条件，即加热的初始时间，加热的持续时间，数据采集仪的采集时间间隔。用户按下按钮‘导入测温针排布’，在弹出的选择框里选择需要导入的含有横纵坐标的测温针排布的文件。接下来按下按钮‘打开原始数据’，在弹出的选择框里选择需要导入的从数据采集仪采集到的原始数据文件。然后按下按钮‘开始后处理’，在弹出的选择框里选择要保存的数据路径，程序会自动进行所有数据处理分析，把连同原始数据、测温针排布、所有测温点的温升曲线和等温线在内的所有相关文件存入这个设定的保存路径，在数据处理的过程中会显示进度条，在不同的状态下会显示不同的内容，方便用户观察分析进度。此过程完成后，界面会显示刚才所保存的文件路径，并且可以通过按下按钮‘打开路径’直接访问该保存路径。通过按下按钮‘显示等温线’，可以在不访问保存路径的情况下快速查看等温线。右侧下方另外两个按钮分别是‘clear’和‘close’，可以分别完成清空当前所有数据和关闭程序界面的功能。
[0048]最后所得到的后处理数据主要分为两个部分，第一部分是除去异常测温点的所有测温点的温升曲线，如图5所示是其中某一个测温点的温度曲线；第二部分是加热结束时的等温线图，如图6所示，图中还有其他的一些重要的分析参数，包括最高温度值，最高温度坐标，有效消融切面面积、体积、横向宽度、纵向长度和宽长比。可以方便使用者进行数据后处理分析。
[0049]本发明公开了一种离体组织消融温度场测定及数据处理输出系统，可以用于准确的测定消融中的测温点的温度数据，且可以将输出的数据进行多种初步的后处理自动导出到指定位置。得到的数据具有统一的数据格式。本发明涉及了一种数据采集和数据处理方法，特别是在对数据采集的可靠性与准确性，数据处理的自动化，高效化方面有比较大的创新。
【权利要求】
1.一种离体组织消融温度场测定及数据处理系统，其特征在于:包括能量发生器、具有可以产生轴对称或者点对称的温度场的消融天线、温度场测定控制台，测温针、数据采集仪，以及计算机； 所述的温度场测定控制台为三层水平结构，四根立柱将三层水平板竖直连接，上层水平板可沿竖直方向移动，上层水平板和中层水平板上具有分布相同的多个测温针排布插孔；下层水平板和中层水平板的一个侧面有侧板，侧板中心设有消融天线插孔； 消融天线经由微波天线插孔平行插入到位于下层水平板的离体组织中，能量发生器通过消融天线把能量传输到离体组织中；测温针经过上层水平板和中层水平板的测温针排布插孔，竖直插入待测离体组织，用于测量在消融过程中离体组织的温度；数据采集仪采集测温针所测得的测温点的数据，然后传递给计算机进行数据处理。
2.根据权利要求1所述的一种离体组织微波消融温度场测定及数据处理系统，其特征在于:所述的消融天线为射频消融天线、或者微波消融天线。
3.根据权利要求1所述的一种离体组织消融温度场测定及数据处理系统，其特征在于所述的数据处理方法包括以下步骤:提取测温点的温度变化曲线、拟合目标时刻的整个测温平面的温度曲面、对获得的温度曲面结果进行后处理。
【文档编号】G01K13/00GK103674324SQ201310503268
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年10月23日 优先权日:2013年10月23日
【发明者】南群, 翟飞, 赵夕, 郭雪梅, 聂晓慧, 闫剀 申请人:北京工业大学