專利名稱：水冷式射頻腫瘤消融治療系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種水冷式射頻腫瘤消融治療系統，是一種應用射頻消融技術并借水冷卻技術來增大并控制消融范圍的射頻腫瘤消融治療系統，應用于腫瘤治療，屬于生物醫學工程技術領域。
背景技術：
基于射頻原位滅活技術的射頻腫瘤消融治療系統是一種新穎的腫瘤手術器械，因具有適應癥廣、創傷微小、療效良好、快速安全、方便易行等特點而成為最具前景的腫瘤治療手段之一，自二十世紀90年代末以來，一直是國內外的研究、開發熱點之一。國內外現有的射頻腫瘤消融治療系統基本上可分為兩大類型冷循環型和“多彈頭”型。冷循環型以美國RADIONICS公司的“冷循環超能射頻腫瘤治療系統”為代表，其射頻消融能量采用脈沖發送技術；冷循環電極表面采用特殊的納米涂層、內部結構不予公開；因其系統復雜，選料特別而導致價格昂貴，特別是冷循環電極不能多次重復使用更讓患者難以承受。“多彈頭”型由美國Radio Therapeutics Corp公司率先推出，系統采用“多彈頭”(多極針)消融電極，電極的尺寸較大，且需在體內張開，因而不但創傷較大，而且大大增加了損傷鄰近重要組織的潛在性危險。

發明內容
本發明的目的在于針對現有技術的不足及國內實際應用的需要，提供一種高性能價格比的水冷式射頻腫瘤消融治療系統，具有價格低廉，使用安全，療效顯著的特點，造福患者。
為實現這樣的目的，本發明的技術方案中應用了射頻消融技術、水冷卻技術和智能化控制技術，采用射頻容性加熱方法，即將人體中的靶組織置于消融電極和引導電極之間。射頻功率放大采用串聯諧振電路，冷循環針狀消融電極的消融電極針后部鍍有絕緣塗層，而前端裸露形成裸露尖端，射頻能量從其四周向引導電極輻射，形成消融區。循環冷卻水從進水管流至消融電極針，進行熱交換后從出水管流回到循環水冷卻子系統。智能化監控子系統中的下位機以單片機為核心，內嵌信號采集與轉換、操作執行軟件包，上位機的硬件平臺是工控機，由智能化軟件——控制策略與算法軟件包實現控制策略與算法，上位機與下位機兩者之間借通訊協議互相聯系。并采用保護性測溫探針實時監測重要器官與靶組織相鄰邊界上的溫度。
本發明設計的水冷式射頻腫瘤消融治療系統包括循環水冷卻子系統、可控射頻功率源、下位機、上位機、智能化軟件、人機對話外設、主機箱、冷循環針狀消融電極、保護性測溫探針和板狀引導電極。下位機、人機對話外設通過各自的連接電纜與上位機相連接，智能化軟件安裝在上位機的存儲器內，下位機、上位機、智能化軟件、人機對話外設共同組成智能化監控子系統；可控射頻功率源通過連接電纜分別與冷循環針狀消融電極、板狀引導電極相連接。冷循環針狀消融電極直接插入至靶組織，與緊貼在人體體表的板狀引導電極一起構成射頻回路。可控射頻功率源通過連接電纜與下位機相連接，一方面接受下位機的調控，另一方面向其提供自身的狀態信息；可控射頻功率源、下位機、上位機、智能化軟件、人機對話外設全部安裝在主機箱內；循環水冷卻子系統作為一個獨立的子系統安放在主機箱旁邊，它通過連接電纜與下位機相連接，通過進、出水管與冷循環針狀消融電極相連通；冷循環針狀消融電極、保護性測溫探針通過各自的連接電纜向下位機提供自身檢測到的溫度信息。
所述可控射頻功率源由低通濾波器、0-60V可控電源、12V電源，接通繼電器、射頻信號發生、耦合隔離變壓器、諧振功率放大、前置放大、輸出繼電器和溫度保護等電路構成。諧振功率放大采用串聯諧振電路，借其良好的選頻特性，將方波轉變成正弦波輸出；諧振功率放大能高效地提供5～100W的輸出功率，且輸出信號失真小；諧振功率放大由功率管MOSFET-IRFP350，耦合電容，諧振電感和諧振電容組成；來自下位機的PWM信號加至低通濾波器的輸入端，其輸出端則相應地輸出0～5V的直流電壓并加至0-60V(可控)電源的控制電壓端，從而控制了諧振功放的電源電壓，進而達到了功率控制的目的。
所述冷循環針狀消融電極由進水管、出水管、電纜插頭、連接電纜、手柄、絕緣塗層、裸露尖端和消融電極針等部件構成。消融電極針的后部鍍有絕緣塗層，而前端裸露形成裸露尖端，射頻能量從其四周向引導電極輻射，形成消融區。連接電纜通過電纜插頭與主機箱相連接，從可控射頻功率源輸入射頻能量，輸出溫度檢測信號到下位機；進、出水管連接至循環水冷卻子系統，循環冷卻水從進水管流至消融電極針，進行熱交換后從出水管流回到循環水冷卻子系統。
所述循環水冷卻子系統由上蓋、保溫水箱、回水管及連接插座、出水管及連接插座、微型水泵、連接電纜、電纜插頭、Y形管和溫度傳感器組成。回水管出水管分別與冷循環針狀消融電極相連通。微型水泵設置在出水管回路中，從出水管引出的Y形管內放置溫度傳感器，微型水泵的控制信號線及溫度傳感器均通過連接電纜連接到下位機。
所述智能化監控子系統由下位機、上位機、智能化軟件、人機對話外設組成。下位機是以PIC16F877單片機為核心的單片機系統，內嵌信號采集與轉換、操作執行軟件包，它實時地采集各種數據并發送給上位機，同時接收上位機的指令并執行相應的操作；上位機的硬件平臺是工控機，操作系統為Windows98，由智能化軟件——控制策略與算法軟件包實現控制策略與算法，其編程語言為VB；上位機不斷地接收來自下位機的各種數據，快速地進行處理、分析，根據既定的控制策略與算法向下位機發出相應的指令性數據和控制指令。也可以通過人機對話外設進行人工干預。上、下位機兩者之間，借通訊協議互相聯系，協同工作，達到智能化監控的目的。
所述保護性測溫探針由連接電纜，電纜插頭，手柄，針體，溫度傳感器構成，用于實時監測重要器官與靶組織相鄰邊界上的溫度。
本發明具有價格低廉、使用安全方便、療效顯著的特點，射頻功率放大采用串聯諧振電路，效率高、失真小；采用的冷循環針狀消融電極結構緊湊，體積小，能提高消融性能、增強安全性；采用下位機、上位機、智能化軟件以及人機對話外設組成智能化監控子系統，保證系統的協調可靠工作。本發明適用于肝癌、肺癌、腎癌、前列腺癌等病癥的臨床治療，有著廣闊的應用前景和市場潛力。


圖1為本發明的系統組成結構示意圖。
圖1中，8為冷循環針狀消融電極，9為人體組織，10為病灶(靶組織)，11為人體，12為保護性測溫探針，13為板狀引導電極。
圖2為本發明的可控射頻功率源組成示意圖。
圖3為本發明的冷循環針狀消融電極結構示意圖。
圖3中，31為進水管，32為出水管，33為電纜插頭，34為連接電纜，35為手柄，36為絕緣塗層，37為裸露尖端，38為消融電極針。
圖4為本發明的循環水冷卻子系統結構示意圖。
圖4中，41為上蓋、42為保溫水箱、43為回水管及連接插座、44為出水管及連接插座、45為微型水泵、46為連接電纜、47為電纜插頭、48為Y形管、49為溫度傳感器。
圖5為本發明的保護性測溫探針結構示意圖。
圖5中，51為連接電纜，52為電纜插頭，53為手柄，54為針體，55為溫度傳感器。
具體實施例方式
為了更好地理解本發明的技術方案，以下結合附圖作進一步的詳細描述。
本發明系統的組成結構如圖1所示。它由循環水冷卻子系統、可控射頻功率源、下位機、上位機、智能化軟件、人機對話外設、主機箱、冷循環針狀消融電極8、保護性測溫探針12和板狀引導電極13組成。下位機、人機對話外設通過各自的連接電纜與上位機相連接，智能化軟件安裝在上位機的存儲器內，下位機、上位機、智能化軟件、人機對話外設共同組成智能化監控子系統；可控射頻功率源通過連接電纜分別與冷循環針狀消融電極8、板狀引導電極13相連接，冷循環針狀消融電極8直接插入至靶組織10，與緊貼在人體體表的板狀引導電極13一起構成射頻回路。可控射頻功率源通過連接電纜與下位機相連接，一方面接受下位機的調控，另一方面向其提供自身的狀態信息；可控射頻功率源、下位機、上位機、智能化軟件、人機對話外設全部安裝在主機箱內；循環水冷卻子系統作為一個獨立的子系統安放在主機箱旁邊，它通過連接電纜與下位機相連接，通過進、出水管與冷循環針狀消融電極8相連通；冷循環針狀消融電極8、保護性測溫探針12通過各自的連接電纜向下位機提供自身檢測到的溫度信息。
所述可控射頻功率源的結構如圖2所示，由低通濾波器、0-60V可控電源、12V電源，接通繼電器、射頻信號發生、耦合隔離變壓器、諧振功率放大、前置放大、輸出繼電器和溫度保護等電路構成。諧振功率放大采用串聯諧振電路，借其良好的選頻特性，將方波轉變成正弦波輸出；諧振功率放大能高效地提供5～100W的輸出功率，且輸出信號失真小；諧振功率放大由功率管MOSFET-IRFP350，耦合電容，諧振電感和諧振電容組成；來自下位機的PWM(脈沖寬度調制)信號加至低通濾波器的輸入端，其輸出端則相應地輸出0～5V的直流電壓并加至0-60V(可控)電源的控制電壓端，從而控制了諧振功率放大的電源電壓，進而達到了功率控制的目的。
所述冷循環針狀消融電極8的結構如圖3所示，由進水管31、出水管32、電纜插頭33、連接電纜34、手柄35、絕緣塗層36、裸露尖端37和消融電極針38等部件構成。消融電極針38的后部鍍有絕緣塗層36，而前端裸露形成裸露尖端37，射頻能量從針尖四周向引導電極13輻射，形成消融區。連接電纜34通過電纜插頭33與主機箱相連接，從可控射頻功率源輸入射頻能量，輸出溫度檢測信號到下位機；進出水31、出水管32連接至循環水冷卻子系統，3℃～25℃的循環冷卻水從進水管31流至消融電極針38，進行熱交換后從出水管32流回到循環水冷卻子系統。
所述循環水冷卻子系統的結構如圖4所示，由上蓋41、保溫水箱42、回水管及連接插座43、出水管及連接插座44、微型水泵45、連接電纜46、電纜插頭47、Y形管48和溫度傳感器49組成。回水管及連接插座43、出水管及連接插座44分別與冷循環針狀消融電極8相連通。微型水泵45設置在出水管回路中，從出水管引出的Y形管48內放置溫度傳感器49，微型水泵45的控制信號線及溫度傳感器49均通過連接電纜46及電纜插頭47連接到下位機。循環水冷卻子系統向冷循環針狀消融電極8提供3℃～25℃的循環冷卻水，并使之充滿其中，從而使電極四周的靶組織得到充分的冷卻，避免靶組織因溫度過高而氣化結碳，并可實現射頻能量積累，得到較大范圍的消融區。
所述智能化監控子系統由下位機、上位機、智能化軟件、人機對話外設組成，實時監測系統的運行狀況并對其實施智能化調整，從而保證系統安全正常地工作，得到最佳的消融治療效果。下位機是以PIC16F877單片機為核心的單片機系統，內嵌信號采集與轉換、操作執行軟件包，它實時地采集各種數據并發送給上位機，同時接收上位機的指令并執行相應的操作；上位機的硬件平臺是工控機，由智能化軟件——控制策略與算法軟件包實現控制策略與算法；上位機不斷地接收來自下位機的各種數據，快速地進行處理、分析，根據既定的控制策略與算法向下位機發出相應的指令性數據和控制指令。也可以通過人機對話外設進行人工干預。上、下位機兩者之間，借通訊協議互相聯系，協同工作，達到智能化監控的目的。
所述保護性測溫探針由連接電纜51，電纜插頭52，手柄53，針體54，溫度傳感器55構成。保護性測溫探針用于實時監測重要器官與靶組織相鄰邊界上的溫度，當溫度達到限定值時，治療自動結束并發出提示信號，從而保證重要器官組織，如神經等，不會在治療過程中因意外而受到不可逆轉的病理性損傷。
權利要求
1.一種水冷式射頻腫瘤消融治療系統，其特征在于由循環水冷卻子系統、可控射頻功率源、下位機、上位機、智能化軟件、人機對話外設、主機箱、冷循環針狀消融電極(8)、保護性測溫探針(12)和板狀引導電極(13)組成，下位機、人機對話外設通過各自的連接電纜與上位機相連接，智能化軟件安裝在上位機的存儲器內，下位機、上位機、智能化軟件、人機對話外設共同組成智能化監控子系統，可控射頻功率源分別與冷循環針狀消融電極(8)、板狀引導電極(13)相連，冷循環針狀消融電極(8)直接插入至靶組織(10)，與緊貼在人體體表的板狀引導電極(13)一起構成射頻回路，可控射頻功率源及循環水冷卻子系統分別與下位機相連接，循環水冷卻子系統的進、出水管與冷循環針狀消融電極(8)相連通，冷循環針狀消融電極(8)、保護性測溫探針(12)通過各自的連接電纜向下位機提供檢測到的溫度信息。
2.如權利要求1的水冷式射頻腫瘤消融治療系統，其特征在于所述可控射頻功率源由低通濾波器，0-60V可控電源，12V電源，接通繼電器，射頻信號發生，耦合隔離變壓器，諧振功率放大，前置放大，輸出繼電器和溫度保護電路構成，諧振功率放大采用串聯諧振電路，借其良好的選頻特性，將方波轉變成正弦波輸出；諧振功率放大提供5～100W的輸出功率，諧振功率放大由功率管MOSFET-IRFP350，耦合電容，諧振電感和諧振電容組成，來自下位機的脈沖寬度調制信號加至低通濾波器的輸入端，其輸出端則相應地輸出0～5V的直流電壓并加至0-60V可控電源的控制電壓端，從而控制諧振功率放大的電源電壓，達到功率控制。
3.如權利要求1的水冷式射頻腫瘤消融治療系統，其特征在于冷循環針狀消融電極(8)由進水管(31)、出水管(32)、電纜插頭(33)、連接電纜(34)、手柄(35)、絕緣塗層(36)、裸露尖端(37)和消融電極針(38)構成，消融電極針(38)的后部鍍有絕緣塗層(36)，前端裸露形成裸露尖端(37)，射頻能量從針尖四周向引導電極(13)輻射，形成消融區，連接電纜(34)通過電纜插頭(33)與主機箱相連接，從可控射頻功率源輸入射頻能量，輸出溫度檢測信號到下位機，進、出水管連接至循環水冷卻子系統，循環冷卻水從進水管(31)流至消融電極針(38)，進行熱交換后從出水管(32)流回到循環水冷卻子系統。
4.如權利要求1的水冷式射頻腫瘤消融治療系統，其特征在于所述智能化監控子系統由下位機、上位機、智能化軟件、人機對話外設組成，下位機內嵌信號采集與轉換、操作執行軟件包，實時采集各種數據并發送給上位機，同時接收上位機的指令并執行相應的操作，上位機由智能化軟件實現控制策略與算法，上位機、下位機兩者之間借通訊協議互相聯系。
全文摘要
本發明提供一種水冷式射頻腫瘤消融治療系統，采用射頻容性加熱方法，將人體中的靶組織置于消融電極和引導電極之間，射頻功率放大采用串聯諧振電路，冷循環針狀消融電極的消融電極針后部鍍有絕緣塗層，而前端裸露形成裸露尖端，射頻能量從其四周向引導電極輻射，形成消融區。循環冷卻水從進水管流至消融電極針，進行熱交換后從出水管流回到循環水冷卻子系統。智能化監控子系統中的下位機以單片機為核心，內嵌信號采集與轉換、操作執行軟件包，上位機的硬件平臺是工控機，由智能化軟件實現控制策略與算法，上下位機之間借通訊協議互相聯系，采用保護性測溫探針實時監測重要器官與靶組織相鄰邊界上的溫度。
文檔編號A61N5/00GK1593353SQ20041002521
公開日2005年3月16日 申請日期2004年6月17日 優先權日2004年6月17日
發明者陳亞珠, 白景峰, 馮學蘇, 潘鋼 申請人:上海交通大學