不可逆电穿孔组织消融效果动态实时评估设备制造技术

本发明专利技术公开了一种不可逆电穿孔组织消融效果动态实时评估设备，其利用不可逆电穿孔肿瘤治疗一次脉冲施加过程中的电极检测脉冲处理前后组织阻抗谱变化，有效避免了施加脉冲电极测量阻抗谱信号不稳定以及反映消融区域有限的问题，根据不同电极对测量所得阻抗谱变化，经后续数据处理后与实际消融尺寸建立联系；同时，治疗期间通过施加小信号测试脉冲的方式获取组织电气性能变化，并建立数学模型实现对组织消融情况的判断；同时本发明专利技术还可联合扫频法与测试脉冲法各自优势，解决不可逆电穿孔脉冲处理后消融效果治疗过程中疗效动态监测以及治疗后疗效即刻评估的重要难题。

Dynamic Real-time Assessment Equipment for Irreversible Electric Perforation Tissue Ablation

The invention discloses a dynamic real-time evaluation device for the ablation effect of irreversible electroporated tissues. The device detects the changes of tissue impedance spectra before and after the treatment of a pulse by using electrodes during the treatment of irreversible electroporated tumors. It effectively avoids the problems of instability of the impedance spectra signal measured by applying pulse electrodes and the limited ablation area. According to the measurement results of different electrode pairs, the device can detect the changes of tissue impedance spectra before and Impedance spectrum changes, after subsequent data processing, establish a relationship with the actual ablation size; meanwhile, during the treatment, the electrical performance changes of tissues can be obtained by applying small signal test pulses, and a mathematical model is established to judge the ablation status of tissues; At the same time, the invention can also combine the advantages of sweeping frequency method and test pulse method to solve irreversible electroporation pulse ablation. Dynamic monitoring of therapeutic effect and immediate evaluation of therapeutic effect are important problems in the course of therapeutic effect.

【技术实现步骤摘要】
不可逆电穿孔组织消融效果动态实时评估设备
本专利技术涉及一种不可逆电穿孔组织消融效果动态实时评估设备。
技术介绍
癌症是危害人类健康的主要疾病。肿瘤的传统疗法以及新近发展起来的以微创消融为特征的热消融物理疗法，由于受适应症、禁忌症、治疗副作用、热消沉等因素的限制，使得其临床应用存在一定的局限性。近年来，随着脉冲生物电学的不断发展，电场脉冲以其非热、微创的生物医学效应引起了研究人员的关注，而其中的不可逆电穿孔治疗肿瘤以其快捷、可控、可视、选择性和非热机理的优势和特色更是引起国内外生物电学领域研究人员的广泛关注，并逐渐应用于肿瘤的临床治疗。目前，不可逆电穿孔技术(典型脉冲参数为：场强1500-3000V/cm，脉冲宽度100μs，重复频率1Hz，脉冲个数90-120)已应用于临床肿瘤的治疗，并取得了非常好的疗效，对胰腺癌，肝癌，肾癌，前列腺癌等肿瘤的治疗具有很好的效果。美国AngioDynamics公司投资生产出商业化的不可逆电穿孔肿瘤治疗仪NanoKnife，并于2009年获得美国FDA临床试验许可，2010年开展了世界首例前列腺癌不可逆电穿孔消融临床试验，2012年获得美国FDA批准正式应用于临床。2015年获得中国大陆临床应用许可，目前已经在广州复大、上海瑞金等医院开展了不可逆电穿孔肿瘤治疗的临床应用。不可逆电穿孔肿瘤疗法一般根据肿瘤尺寸大小选择电极针数目及其布置，一般情况下需要采用2-6根电极针方可完全消融肿瘤。不可逆电穿孔技术作为一种安全可行的局部实体肿瘤治疗方法，在肿瘤的治疗中展示出良好的发展前景。虽然不可逆电穿孔技术在国内外的临床应用中取得了令人振奋的治疗效果，但是在治疗期间治疗效果动态监测以及治疗后疗效的即刻评估问题仍未得到有效解决。目前不可逆电穿孔治疗肿瘤临床应用中主要采用影像学方法(CT或MRI)评估疗效，由于不可逆电穿孔诱导细胞死亡存在一定的时间过程，因此现有的影像学疗效判断法在时间上具有一定的滞后性，导致主治医师在治疗过程中以及治疗后难以及时掌握治疗效果，此种情况极易导致两种后果：一种是欠量治疗，即施加脉冲剂量还未完全消融肿瘤组织便停止了治疗，导致由于肿瘤消融不彻底引起的肿瘤复发，从而需要进行重复治疗，降低治疗效率；另一种属于过量治疗，即肿瘤已经完全消融但仍未停止施加脉冲，导致脉冲电场对周边正常组织的损害，甚至引起热损伤，不能体现出不可逆电穿孔肿瘤消融的选择性与非热优势。不可逆电穿孔杀伤细胞是对细胞膜绝缘性能的破坏，要想从根本上解决这些问题，只能从细胞/组织电气参数变化角度实现突破。如果能探寻到一种能在脉冲处理过程中以及脉冲处理后即刻检测到组织电参数变化的方法并建立起与消融效果的对应关系就成为解决上述困扰临床医生和患者难题的关键，将有力地促进不可逆电穿孔治疗肿瘤技术在临床的推广应用。事实上，脉冲电场作用引起细胞发生电穿孔是对细胞膜绝缘性能的破坏，细胞膜通透性显著增加，大量带电离子能够顺利进出细胞，实际上是拓宽了电流流通通路，从电工理论角度分析即细胞膜电导率显著升高，因此细胞阻抗参数在脉冲电场处理后会发生即时的变化。肿瘤组织消融实际上是无数个肿瘤细胞发生不可逆电穿孔导致的宏观反应，因此脉冲电场消融肿瘤组织后其电导率或阻抗会发生即刻的变化，因此有望从组织电气参数变化方面突破肿瘤消融效果治疗后即刻评估甚至治疗过程中动态监测的重要难题。由于生物组织介电特性各向异性以及针电极布置下不均匀电场对电导率的影响，难以直接获得脉冲处理前后组织电导率分布情况，因此可以利用脉冲处理前后组织阻抗谱的变化，从中提取相关信息用于量化反映消融情况。目前已有研究通过组织电阻或者阻抗谱变化定性判断治疗效果的报道，但是其中都会存在一定的问题。首先目前均难以实现治疗期间组织消融效果的即刻评估；其次，高压脉冲电场处理时，电极附近会发生明显的化学反应，此时若立即采用此电极进行阻抗测量，得到的阻抗信息易受到离子迁移的干扰，数据稳定性较差；最后，两针电极能够反映的阻抗变化区域有限，当脉冲电场强度较高，消融范围较大时，远离电极针处的组织电导率变化对最终测量得到的阻抗谱贡献较小，即阻抗谱变化对远离测量电极出组织电导率变化不敏感，导致不能真实有效地反映实际消融情况。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种不可逆电穿孔组织消融效果动态实时评估设备，以解决目前不可逆电穿孔治疗肿瘤难以实现治疗期间疗效实时动态监测以及治疗后疗效即刻评估的问题。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种不可逆电穿孔组织消融效果动态实时评估设备，包括测试脉冲产生单元，用于产生测试脉冲信号；高压脉冲产生单元，用于高压脉冲信号；控制单元，用于控制所述测试脉冲产生单元和高压脉冲产生单元输出信号的具体参数和工作状态；电极阵列，用于接收所述高压脉冲信号和测试脉冲信号，并将接收到的所述高压脉冲信号和测试脉冲信号施加到生物组织；信号采集单元，采集采用测试脉冲法测试消融处理前不同电极对之间待消融生物组织在消融处理前、消融处理期间以及消融处理后的电气性能和温度值；数据处理单元，用于接收信号采集单元采集到的电气性能和温度值，根据所述生物组织在消融处理前的电气性能、生物组织在消融处理期间的动态电气性能和温度变化特性以及生物组织在消融处理结束后的电气性能建立在脉冲电场作用下生物组织电穿孔电导率动态变化数值模型，再根据疗效评估模型和所述在脉冲电场作用下生物组织电穿孔电导率动态变化数值模型确定不可逆电穿孔组织消融情况。进一步地，所述测试脉冲信号脉冲宽度为至少达到能使响应电流稳定的脉冲宽度，其幅值范围为信号本身不改变组织性能的幅值范围。进一步地，该设备还包括输出切换单元，所述输出切换单元用于根据控制单元发出的触发信号选择性地根据需要控制测试脉冲产生单元和高压脉冲产生单元工作，使其向电极阵列施加相应的信号。进一步地，所述信号采集单元包括用于测量在消融处理前、消融处理期间以及消融处理后的待消融生物组织的电流信号的电流传感器，用于测量在消融处理前、消融处理期间以及消融处理后施加到生物组织的实际电压信号的电压探头以及用于采集高压脉冲信号作用于生物组织期间生物组织的温度变化值的温度传感器。此外，本专利技术还公开了一种不可逆电穿孔组织消融效果动态实时评估设备，其特征在于，包括扫频信号产生单元，用于产生扫频信号；高压脉冲产生单元，用于高压脉冲信号；控制单元，用于控制所述扫频信号产生单元和高压脉冲产生单元输出信号的具体参数和工作状态；电极阵列，用于接收所述高压脉冲信号和扫频信号，并将接收到的高压脉冲信号和扫频信号施加到生物组织；信号采集单元，采集采用扫频法测试消融处理前不同电极对之间待消融生物组织在消融处理前、消融处理期间以及消融处理后的电气性能；数据处理单元，用于接收信号采集单元采集到的电气性能，并将其转化为组织阻抗谱信号，再利用等效电路法将阻抗谱变化转换为组织各组分等效电路参数变化，便于量化脉冲处理前后组织阻抗谱的变化，建立消融处理前后阻抗谱变化与消融范围的联系，实现不可逆电穿孔组织消融效果动态实时评估。进一步地，所述正弦扫频信号频率范围为能够反映不可逆电穿孔前后组织阻抗谱明显发生变化的频率范围，其幅值范围为信号本身不改变组织性能的幅值范围。进一步地，该设备还包括输出切换单元，所述输出切换单元用于根据控制单元本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种不可逆电穿孔组织消融效果动态实时评估设备，其特征在于，包括测试脉冲产生单元，用于产生测试脉冲信号；高压脉冲产生单元，用于高压脉冲信号；控制单元，用于控制所述测试脉冲产生单元和高压脉冲产生单元输出信号的具体参数和工作状态；电极阵列，用于接收所述高压脉冲信号和测试脉冲信号，并将接收到的所述高压脉冲信号和测试脉冲信号施加到生物组织；信号采集单元，采集采用测试脉冲法测试消融处理前不同电极对之间待消融生物组织在消融处理前、消融处理期间以及消融处理后的电气性能和温度值；数据处理单元，用于接收信号采集单元采集到的电气性能和温度值，根据所述生物组织在消融处理前的电气性能、生物组织在消融处理期间的动态电气性能和温度变化特性以及生物组织在消融处理结束后的电气性能建立在脉冲电场作用下生物组织电穿孔电导率动态变化数值模型，再根据疗效评估模型和所述在脉冲电场作用下生物组织电穿孔电导率动态变化数值模型确定不可逆电穿孔组织消融情况。

【技术特征摘要】
1.一种不可逆电穿孔组织消融效果动态实时评估设备，其特征在于，包括测试脉冲产生单元，用于产生测试脉冲信号；高压脉冲产生单元，用于高压脉冲信号；控制单元，用于控制所述测试脉冲产生单元和高压脉冲产生单元输出信号的具体参数和工作状态；电极阵列，用于接收所述高压脉冲信号和测试脉冲信号，并将接收到的所述高压脉冲信号和测试脉冲信号施加到生物组织；信号采集单元，采集采用测试脉冲法测试消融处理前不同电极对之间待消融生物组织在消融处理前、消融处理期间以及消融处理后的电气性能和温度值；数据处理单元，用于接收信号采集单元采集到的电气性能和温度值，根据所述生物组织在消融处理前的电气性能、生物组织在消融处理期间的动态电气性能和温度变化特性以及生物组织在消融处理结束后的电气性能建立在脉冲电场作用下生物组织电穿孔电导率动态变化数值模型，再根据疗效评估模型和所述在脉冲电场作用下生物组织电穿孔电导率动态变化数值模型确定不可逆电穿孔组织消融情况。2.根据权利要求1所述的不可逆电穿孔组织消融效果动态实时评估设备，其特征在于，所述测试脉冲信号脉冲宽度为至少达到能使响应电流稳定的脉冲宽度，其幅值范围为信号本身不改变组织性能的幅值范围。3.根据权利要求1或2所述的不可逆电穿孔组织消融效果动态实时评估设备，其特征在于，该设备还包括输出切换单元，所述输出切换单元用于根据控制单元发出的触发信号选择性地根据需要控制测试脉冲产生单元和高压脉冲产生单元工作，使其向电极阵列施加相应的信号。4.根据权利要求1或2所述的不可逆电穿孔组织消融效果动态实时评估设备，其特征在于，所述信号采集单元包括用于测量在消融处理前、消融处理期间以及消融处理后的待消融生物组织的电流信号的电流传感器，用于测量在消融处理前、消融处理期间以及消融处理后施加到生物组织的实际电压信号的电压探头以及用于采集高压脉冲信号作用于生物组织期间生物组织的温度变化值的温度传感器。5.一种不可逆电穿孔组织消融效果动态实时评估设备...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚陈果，董守龙，赵亚军，刘红梅，马剑豪，廖瑞金，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50