CN109771028B - 微波消融治疗仪 - Google Patents

Abstract

本发明是一种全新结构的微波消融治疗仪，其包括包括治疗仪本体及微波消融针，所述的微波消融针设置在治疗仪本体设置的接口上，所述的治疗仪本体包括微波功率源，微波调谐装置，微波调谐装置的输入端连接微波功率源，微波调谐装置的输出端连接微波消融针，所述微波调谐装置包括环形器及信号处理单元，所述环形器设置第一端口、第二端口及第三端口，所述第一端口连接微波功率源，第二端口连接微波消融针，第三端口连接信号处理单元，本发明与现有技术相比，其结构简单，安全性高，可实现输出功率的自我适配，保证了消融针的正常工作，其成本较低，易于推广。

Description

微波消融治疗仪

技术领域

本发明涉及一种治疗装置，具体来说，是一种根据受体组织的特性自动改变输出功率的微波消融治疗仪。

背景技术

伴随着现代高新科技的发展，微波热疗技术和微波热凝技术在医学研究与临床领域里得到比较广泛地应用，同时其理论研究及临床治疗，在不断深入，逐步提高。微波热凝技术应用于医学临床的微波肿瘤消融，是将直径较小的微波天线介入到肿瘤组织内部，辐射微波能量并直接作用于肿瘤组织，于十数分钟甚至数分钟内，可使微波热效应区(俗称热场)的温度达到摄氏几十度，甚至上百度，致使肿瘤凝固、坏死，达到原位灭活肿瘤的治疗目的。微波消融术由于主要利用微波加热及偶极子加热的综合效应，故升温效率高、速度快，凝固区组织坏死均匀、彻底，其疗效显著，操作简便，创口小，微波消融术在实体肿瘤的微创治疗中，得以愈加广泛的应用。

目前市场上不同厂商生产的微波消融针针体与微波消融针控制器之间不完全兼容，当采用不同厂商生产的微波消融针针体与微波消融针控制器时，可能发生设备不兼容、控制失效的情况，引发一系列故障，即使使用同一厂商生产的上述产品时，其匹配性依然不尽人意，输出到消融针的微波功率依然会有20%-30%被反射回消融设备，且由于患者的身体情况不尽相同，受体组织的情况也各有千秋，这种反射有可能达到50%及以上，治疗效果必然大打折扣，为了保证治疗效果，势必需要提高微波消融针的工作功率，而过高的功率势必会带来较高的工作温度，微波消融针很容易因为过热而断裂，威胁患者安全，甚至引发医疗事故。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种可以根据患者机体实际情况及消融针针体实际工作规格自行调节输出功率的微波消融治疗仪。

本发明采用如下技术手段加以实现：一种微波消融治疗仪，包括治疗仪本体及微波消融针，所述的微波消融针设置在治疗仪本体设置的接口上，所述的治疗仪本体包括微波功率源，微波调谐装置，微波调谐装置的输入端连接微波功率源，微波调谐装置的输出端连接微波消融针，所述微波调谐装置包括环形器及信号处理单元，所述环形器设置第一端口、第二端口及第三端口，所述第一端口连接微波功率源，第二端口连接微波消融针，第三端口连接信号处理单元，从第一端口输入的微波功率主要由第二端口输出至微波消融针产生热效应，从微波消融针反馈的反射功率及剩余功率由第三端口输入至信号处理单元内进行处理，实时对第二端口的输出功率进行控制。通过对反馈功率的识别，从而直接有效的获取了消融针的最佳工作功率，令能源使用率达到最大，同时也杜绝了由于功率过高导致的消融针折断的风险。

进一步的，所述信号处理单元包括信号接收部、判定部及信号发射部，信号接收部通过线缆连接环形器的第三端口，信号接收部接收到的信号送入判定部内进行解析判定，而后得到判定部将相应的控制信号由信号发射部送入微波功率源中对其输出功率进行相应控制。

本发明还包括手动控制单元，所述手动控制单元直接与微波功率源连接。所述信号处理单元上设置改变控制方式的切换开关。使用手动控制单元，可在明确工作功率的前提下直接进行操作，免去了信号处理单元的识别动作，延长了信号处理单元的使用寿命。

进一步的，所述的环形器包括铁氧体圆片及微带线，所述铁氧体圆片设置两组并紧贴设置，所述微带线设置在铁氧体圆片的接触面上，微带线设置三组，三组微带线两两之间夹角为120°，所述微带线末端设置接口，在铁氧体圆片的外侧设置接地板。

优选的，在信号处理单元上连接指示器。连接指示器之后不仅可以清楚的获知此时的微波工作频率，方便操作人员直接得知微波消融针的工作情况，且通过指示器可直接获取被消融组织中的微波辐射能量，为临床的消融范围提供科学的量化依据。

本发明与现有技术相比，其结构简单，安全性高，可实现输出功率的自我适配，保证了消融针的正常工作，其成本较低，易于推广。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明环形器结构图；

图3为环形器参数及功率流示意图。

其中1-铁氧体圆片、2-微带线、3-接地板。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进行进一步详述：

本发明涉及一种微波肿瘤消融手术器械，具体的说，是一种全新结构的微波消融治疗仪，其包括包括治疗仪本体及微波消融针，所述的微波消融针设置在治疗仪本体设置的接口上，所述的治疗仪本体包括微波功率源，微波调谐装置，微波调谐装置的输入端连接微波功率源，微波调谐装置的输出端连接微波消融针，所述微波调谐装置包括环形器及信号处理单元，所述环形器设置第一端口、第二端口及第三端口，所述第一端口连接微波功率源，第二端口连接微波消融针，第三端口连接信号处理单元，从第一端口输入的微波功率主要由第二端口输出至微波消融针产生热效应，本发明中，所述的环形器为同轴环形器，其工作频率在2400MHz-2600MHz。

所述的环形器包括铁氧体圆片1及微带线2，所述铁氧体圆片1设置两组并紧贴设置，所述微带线2设置在铁氧体圆片1的接触面上，微带线2设置三组，三组微带线2两两之间夹角为120°，所述微带线2末端设置接口，在铁氧体圆片1的外侧设置接地板3。

本发明中，铁氧体圆片1构成一个谐振腔，能产生具有按余弦（或正弦）变化的最低次单模电磁场，由其结构尺寸及铁氧体材料特性决定。当铁氧体加上偏置磁场时，这个单模电磁场分裂成两个谐振模式，两个模式的谐振频率略有不同。恰当选择工作频率，使得在输出端这两个模式电磁场能重叠相加，而在隔离端能相互抵消，则可以实现电磁能量的定向传输。

三端口器件可以同时在各个端口实现匹配，因此做到无损耗。对于无耗三端口器件，其散射矩阵的每一行（或每一列）的三个元素的模的平方之和等于1，这种理想环形器的散射矩阵通常有以下形式:

这表明功率流可以从第一端口到第二端口、从第二端口到第三端口以及从第三端口到第一端口导通，而不可能是反方向的。本机所用的环形器采用永磁作为偏置场。微波功率源输出的微波功率经主馈线输送到环形器的第一端口，其微波功率的绝大部分会经第二端口输出，小部分功率会“泄漏”到第三端口（这是由于环形器的隔离度非理想而造成），第二端口输出的微波功率经连接器馈送到微波消融针产生热效应，本发明中，所述的微波功率传输方向为顺时针方向，即第一端口、第二端口及第三端口顺时针设置。

由于微波消融针对于微波功率的输出端不能完全匹配，尤其是在微波消融针处于受体内的治疗状态时，由于受体组织的不同，这种不匹配性也会不同。由此导致微波消融针反射到第二端口的功率也会有变化。第二端口输入的反射功率经第三端口输出，与由于隔离度非理想而泄漏的功率一起进入信号处理单元进行相关数据处理。在微波消融针接入前，可以先接入匹配负载，由于匹配负载的反射系数很小，反射功率也很小，可在工作前进行系统校准。信号处理单元的处理数据以及校准数据，可用以评估不同的受体组织经微波消融针所接受的功率能量。

进一步的，所述信号处理单元包括信号接收部、判定部及信号发射部，信号接收部通过线缆连接环形器的第三端口，信号接收部接收到的信号送入判定部内进行解析判定，而后得到判定部将相应的控制信号由信号发射部送入微波功率源中对其输出功率进行相应控制。

具体的说，在判定部内设置一张表格，判定部收到第二端口传来的反馈信号后，将该信号与表格中数据进行匹配，得到该信号强度下的输出功率值，而后将该功率值通过信号发射部输入微波功率源对其输出功率进行调节。

本发明还包括手动控制单元，所述手动控制单元直接与微波功率源连接。所述信号处理单元上设置改变控制方式的切换开关。使用手动控制单元，可在明确工作功率的前提下直接进行操作，免去了信号处理单元的识别动作，延长了信号处理单元的使用寿命。

优选的，在信号处理单元上连接指示器。连接指示器之后不仅可以清楚的获知此时的微波工作频率，方便操作人员直接得知微波消融针的工作情况，且通过指示器可直接获取被消融组织中的微波辐射能量，为临床的消融范围提供科学的量化依据。

下面通过具体的例子来对本发明进行详细的说明：

首先，定义微波功率源输出到环形器端口1的功率为P₀₁，端口2的输出功率为P₀₂，从消融针反射到端口2的功率为P_r2，由于环形器隔离度的非理想而从端口泄漏的输出功率为P₀₃；

从理论值来说，根据环形器的S参数，可以用下式表征 P₀₂和P₀₃与P₀₁的关系：

P₀₂＝P₀₁(S₂₁)²

当端口2接入消融针造成反射，有反射功率P_r2，考虑到S₃₂的影响，

P₀₃＝P₀₁(S₃₁)²+ P_r2(S₃₂)²

S₂₁、S₃₂分别表征环形器端口1-2和端口2-3的正向传输时的传输损耗，因为环形器的传输损耗很小，所以S₂₁、S₃₂通常接近1。

而S₃₁表征环形器端口3对于端口1的隔离度，S₃₁通常很小，一般来说，当隔离度为20dB；（S₃₁）²为0.01；当隔离度为30dB，（S₃₁）²为0.001，以此类推。本发明中插入损耗、隔离度都是环形器的固有参量，均可以很方便地实验测出。

在实际使用之前，首先对消融仪进行校准，具体来说，先用匹配负载接在环形器端口2，由于端口2输出的功率全部被负载吸收，没有反射，但由于环形器的隔离度非理想而使得端口1的输入功率在端口3有所“泄漏”，端口3因“泄漏”而输出的功率与端口1的功率有固定的比例关系，其环形器的隔离度有关，有点类似于一台耦合很松的定向耦合器的耦合端与输入端的关系，即只有很少部分功率从主传输通道耦合过来（或泄漏过来），而这种耦合度（或隔离度）是可以测量并量化表征的。

具体可以写为P₀₃＝P₀₁（S₃₁）²，故P₀₃与P₀₁相差一固定倍数，经检波和放大处理后可以显示并储存。

第二步，在消融仪的输出端（即环形器的端口2）接上消融针，由于消融针引起的反射功率向端口2输入，假设由于消融针而引起的反射系数为 ρ，则反射功率P_r2＝ ρ²P₀₂，考虑到端口2到端口3的插入损耗，此反射功率传输到端口3,在端口3产生的输出为P_n3＝ ρ²P₀₂（S₃₂）²，对于环形器，正向损耗很小，所以S₃₂与S₂₁一样接近于1。由于反射功率远大于端口3因环形器的隔离度非理想而导致的泄漏功率（反射系数一般为0.2～0.4，甚至大于0.4，而泄漏功率或看作松耦合条件下的耦合功率视隔离度大小一般为 0.001～0.01），故测量反射功率时原有的泄漏功率的叠加效应基本可以忽略。在端口3所得的反射功率应先按隔离度的大小缩减一相同的倍数（即S₃₁的平方）即可，然后与校准时在端口3得到的功率相比较，可得到消融针引起的反射系数。即：

P_n3/P₀₁＝ρ² ,其中P₀₁=P₀₃(S₃₁)²

驻波比可以表示为 VSWR=(1+ρ)/(1-ρ)

消融针的反射系数 ρ 会随所插入组织的不同特性及消融针的工作时间等因素的改变而变化，这使得反射功率经检波放大后在仪器上的显示也会不断变化。仪器设有相应的电路，在反射功率到阈值时有声音或闪烁显示告警，必要时或自动切断电路，该阈值可随着实际情况自由调整，所述声音告警方式可采用蜂鸣器，亦可使用语音发声装置，若使用语音发声装置，则该装置在日常使用时亦可播报消融针的使用状态如输出功率的实时值、消融针的工作状态等，该电路集成于信号处理单元中。

第三步，进入消融针的净功率P_net：

P_net＝P₀₂— P_r2

在时间t内，净功率P_net转换成热量Q，Q即净功率对于时间的积分：

Q_总＝P_net T_总

随时间的变化，消融针的反射功率会变化，净功率也会变化，消融针作用于生理组织的热量应为：

Q_总＝P_net1* T1+P_net2*T2 +...... ＋P_{net n}* Tn

微波功率经检波放大等处理后可以储存、显示，与系统计时所得的时间经处理后也可以储存并显示，以供使用者操作时参考。

Claims (3)

1.一种微波消融治疗仪，包括治疗仪本体及微波消融针，所述的微波消融针设置在治疗仪本体设置的接口上，其特征在于：所述的治疗仪本体包括微波功率源，微波调谐装置，微波调谐装置的输入端连接微波功率源，微波调谐装置的输出端连接微波消融针，所述微波调谐装置包括环形器及信号处理单元，所述环形器设置第一端口、第二端口及第三端口，所述第一端口连接微波功率源，第二端口连接微波消融针，第三端口连接信号处理单元，从第一端口输入的微波功率主要由第二端口输出至微波消融针产生热效应，从微波消融针反馈的反射功率及剩余功率由第三端口输入至信号处理单元内进行处理，实时对第二端口的输出功率进行控制；

所述信号处理单元包括信号接收部、判定部及信号发射部，信号接收部通过线缆连接环形器的第三端口，信号接收部接收到的信号送入判定部内进行解析判定，而后得到判定部将相应的控制信号由信号发射部送入微波功率源中对其输出功率进行相应控制；

所述的环形器包括铁氧体圆片及微带线，所述铁氧体圆片设置两组并紧贴设置，所述微带线设置在铁氧体圆片的接触面上，微带线设置三组，三组微带线两两之间夹角为120°，所述微带线末端设置接口，在铁氧体圆片的外侧设置接地板。

2.根据权利要求1所述的微波消融治疗仪，其特征在于：还包括手动控制单元，所述手动控制单元直接与微波功率源连接，所述信号处理单元上设置改变控制方式的切换开关。

3.根据权利要求1所述的微波消融治疗仪，其特征在于：在信号处理单元上连接指示器。