一种高压双极陡脉冲组肿瘤治疗装置及系统的制作方法

本发明属于肿瘤治疗
技术领域：
，特别涉及一种高压双极陡脉冲组肿瘤治疗装置及系统。
背景技术：
：不可逆电穿孔(ire)是一项有关肿瘤治疗新的肿瘤消融技术，它通过释放高压脉冲在肿瘤细胞上形成纳米级永久性穿孔，破坏细胞内平衡，使细胞快速凋亡。通过众多临床研究表明，该新技术是一种安全而又高效的肿瘤治疗技术，与其他肿瘤治疗技术相比，具有以下优势：(1)消融时间短：一组治疗时间不到一分钟，因此即使有三个或四个相互重叠的消融区，全程的消融时间也不会超过5分钟；(2)治疗区域的血管、神经等重要组织得以保留：新的肿瘤消融技术能够保护消融区内重要的组织结构，如肝动脉、肝静脉、门脉、肝内胆管均能得到良好的保护；(3)不受热岛效应影响：该技术主要是通过电脉冲击穿细胞膜，在此过程中不会产生热量，也不会受到其他外界温度影响；(4)处理后的灭活区域界限清楚：不管肿瘤部位、大小、形状如何，灭活区域内细胞都会死亡，灭活后的区域边界十分清楚，可达到1-2个细胞的厚度，在显微镜下和大体上均可看到；(5)治疗区域可恢复正常功能：诱导肿瘤细胞出现凋亡，能够利用免疫来促进细胞死亡，人体将把细胞凋亡识别为正常的细胞死亡过程，然后通过细胞吞噬作用将凋亡组织消除掉，促进正常组织的再生与修复；(6)可以实时监控：临床优势还包括可以通过使用导航(用超声、ct、mrt等医学影像)实时监控不可逆电穿孔的过程，通过计算机成像，可以确定灭活程度，观察到未被治疗到的肿瘤残留，从而再次进行不可逆电穿孔灭活，另外，实时影像监控可以预估与灭活相关的并发症。目前，不可逆电穿孔(ire)的临床应用要求使用全身麻醉以消除每一脉冲过程中产生的肌肉收缩，肌肉收缩可能影响植入的针头的位置，致使治疗方案无效，甚至对周围组织造成伤害。现有技术中有采用双向交替脉冲放电的方法，如发明专利cn106943190公开的一种双向陡脉冲肿瘤治疗系统，包括控制模块、光电隔离模块、驱动模块和双脉冲发生模块，控制模块输出的控制信号经过光电隔离模块后传递给驱动模块，驱动模块的输出端与双脉冲发生模块的输入端连接，双脉冲发生模块包括两个脉冲输入输出点，在控制模块的控制下两个脉冲输出点能够实现正负脉冲交替输出；该系统能够通过双向交替脉冲放电的作用，以减弱肌肉累积电荷，达到减弱肌肉收缩程度的目的。技术实现要素：本发明的目的旨在提供一种高压双极陡脉冲组肿瘤治疗装置及系统，以使陡脉冲作用于肿瘤组织更加有效。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种高压双极陡脉冲组肿瘤治疗装置，包括主控单元，陡脉冲发生单元，输出控制与监控单元，输出电极针单元，其中：所述主控单元主要由主控电脑组成；所述陡脉冲发生单元包括陡脉冲电源和紧急停止按钮，主控电脑通过usb端口与陡脉冲电源相连，紧急停止按钮设置在陡脉冲电源上；所述输出控制与监控单元包括陡脉冲输出控制器、陡脉冲输出端口和陡脉冲输出监控示波器，陡脉冲输出控制器一端连接于陡脉冲电源和主控电脑上，另一端与陡脉冲输出端口相对应连接，陡脉冲输出监控示波器的输入端与陡脉冲电源输出相连接，陡脉冲输出监控示波器的输出端连接在主控电脑上；所述输出电极针单元为陡脉冲电极针，其连接于陡脉冲输出端口上。进一步地，上述陡脉冲输出控制器由12个电磁继电器排布成2*6的矩阵开关构成，用于控制各路通断，将脉冲送入相应的陡脉冲输出端口。进一步地，上述陡脉冲输出端口包括6个输出口，用于对接高压陡脉冲电极针，输出陡脉冲电压。进一步地，上述高压双极陡脉冲组肿瘤治疗装置还包括一脉冲输出控制单元，其将脉冲信号分别分配到6个输出端口中的两个端口上，一个脉冲周期仅其中两个输出口输出高压脉冲，周期之间将根据主控电脑指令切换输出端口。本发明还提供一种高压双极陡脉冲组肿瘤治疗系统，其主要包括主控模块、陡脉冲发生模块、输出控制与监控模块、输出端口模块和电极针模块，主控模块通过usb口给陡脉冲发生模块发出指令，陡脉冲信号经过陡脉冲发生模块后传递给输出控制与监控模块，输出控制与监控模块的输出端与输出电极针模块的输入端连接，输出控制与监控模块的输出端包括6个高压陡脉冲输出端口与电极针相连，在主控模块的控制下根据肿瘤大小和形状选取2-6根电极针，植入到所需治疗的部位，从而实现双极正负陡脉冲组的输出治疗。进一步地，上述主控模块包括手术规划模块、陡脉冲电性能参数模块、控制治疗模块和实时显示模块，其中：所述手术规划模块用于设置治疗所需的电极针的数量、位置、设置每根电极针陡脉冲电压施加的顺序和治疗时间；所述陡脉冲电性能参数模块用于设置陡脉冲的输出脉冲组个数、脉冲组工作重复频率、脉冲组内脉冲个数、单个脉冲电压、单个脉冲宽度等参数；所述控制治疗模块用于根据手术规划方案和设置的陡脉冲参数控制电源系统按照顺序对所需各电极针输出陡脉冲信号进行治疗；所述实时显示模块用于接受监控模块采集的陡脉冲输出信号并在屏幕上显示实时波形和相关参数。进一步地，上述陡脉冲发生模块包括一紧急停止模块，用于在紧急情况下从外部强制停止设备输出陡脉冲信号。一种应用上述高压双极陡脉冲组肿瘤治疗装置的方法，包括以下步骤：1)先通过主控电脑设置陡脉冲的脉冲组个数、脉冲组工作重复频率、脉冲组内脉冲个数、单个脉冲电压、单个脉冲宽度等参数，由主控电脑发送指令到陡脉冲电源，控制陡脉冲的输出；2)输出的陡脉冲通过陡脉冲电源输出到陡脉冲输出控制器；3)陡脉冲输出控制器接受到主控电脑的控制信号后，切换陡脉冲的输出端口；4)陡脉冲输出监控示波器监控输出波形和相关参数：a.监控波形和相关参数回传主控电脑显示在屏幕上，并判断输出是否符合设置参数；b.主控电脑根据设置的手术规划，发送指令给陡脉冲输出控制器控制陡脉冲输出到相应的输出端口；5)将陡脉冲输出控制器输出端口连接至陡脉冲电极针，陡脉冲电压接触到所需治疗的部位；6)将陡脉冲电极针植入需要治疗的实体软体肿瘤组织。由于本发明是通过陡脉冲发生系统产生的指数衰减波形的陡脉冲，在脉冲快速上升沿部分包含大量高频分量，能透过肿瘤细胞的细胞膜作用于内部的细胞核、线粒体等膜内细胞器。在缓慢衰减的下降沿包含低频分量，主要作用于肿瘤细胞的细胞膜。因此，整个陡脉冲包含了从直流、低频、高频到甚高频的极宽频谱范围作用于肿瘤细胞。而且，根据汪和睦和谢廷栋2000年于天津科学技术出版社出版的《细胞电穿孔电融合电刺激-原理技术及应用》，研究表明：如果生物膜在电脉冲的峰值电压作用下发生穿孔以后，能以较低的电压维持膜微孔开放一段时间，有利于提高生物膜穿孔的效率，则指数衰减脉冲比相同剂量的方波脉冲更有效。因此，采用陡脉冲作用于肿瘤细胞，能对其产生全面的破坏作用，减少了作用于细胞的能量。同时，本发明采用陡脉冲组，将原来一个脉冲的脉宽宽度分成多个窄脉宽脉冲组成陡脉冲组完成相同的脉宽，减少每个脉冲对细胞作用能量，减少对神经的刺激作用，减少肌肉组织的痉挛。同时，由于细胞膜上的电穿孔分布是不均匀的，孔洞的直径大小在nm级。ephremtekle等的研究表明：细胞膜面向阴极和阳极的两面都发生电穿孔，而且面向阴极的细胞膜上的孔洞直径较大，面向阳极的细胞膜上的孔洞直径较小。本发明采用双极正负陡脉冲电穿孔细胞，使细胞的两面细胞膜电穿孔的孔洞直径增大，提高不可逆电穿孔治疗效果。并且能够增加不可逆性点穿孔的均匀性，减少对神经的刺激作用，减少肌肉组织的痉挛。因此，采用双极正负陡脉冲组可以大大提高治疗效果，又能减少对神经的刺激作用，减少肌肉组织的痉挛。与现有技术相比，本发明的有益效果在于：(1)本发明的装置结构简单，使用方便灵活，实现了双极正负陡脉冲组波形的输出，根据治疗方案程序的设定，能够精确地调整和设置高压电源参数。(2)临床上应用本发明在治疗肿瘤过程中不仅能够在组织的细胞膜上形成对称性电穿孔，增加不可逆性电穿孔的均匀性，减小消融盲区，使细胞的两面细胞膜电穿孔的孔洞直径增大，提高不可逆电穿孔治疗效果。并且使纳秒级陡脉冲组作用于肿瘤组织更加有效，明显减少对神经的刺激作用，降低人体的肌肉组织痉挛，或者不引起肌肉的收缩，降低治疗过程中的麻醉要求。从而对整个肿瘤细胞产生全面的破坏作用，使其发生不可逆性电击穿而死亡，最终提高肿瘤的治疗效果和用户体验。(3)本发明可以广泛应用于人体和动物的肿瘤治疗。附图说明：图1是本发明高压双极陡脉冲组肿瘤治疗装置的原理图；图2是本发明高压双极陡脉冲组肿瘤治疗系统的结构框图；图3是本发明具体实施方式中双极正负高压陡脉冲组的波形图。具体实施方式：下面结合附图与具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。如图1所示，一种高压双极陡脉冲波形肿瘤治疗装置，包括主控单元，陡脉冲发生单元，输出控制与监控单元，输出电极针单元，其中：所述主控单元主要由主控电脑组成；所述陡脉冲发生单元包括陡脉冲电源和紧急停止按钮，主控电脑通过usb端口与陡脉冲电源相连，紧急停止按钮设置在陡脉冲电源上；所述输出控制与监控单元包括陡脉冲输出控制器、陡脉冲输出端口和陡脉冲输出监控示波器，陡脉冲输出控制器一端连接于陡脉冲电源和主控电脑上，另一端与陡脉冲输出端口相对应连接，陡脉冲输出监控示波器的输入端与陡脉冲电源输出相连接，陡脉冲输出监控示波器的输出端连接在主控电脑上；所述输出电极针单元为陡脉冲电极针，其连接于陡脉冲输出端口上；所述陡脉冲输出控制器由12个电磁继电器排布成2*6的矩阵开关构成，用于控制各路通断，将脉冲送入相应的陡脉冲输出端口；所述陡脉冲输出端口包括6个输出口，用于对接高压陡脉冲电极针，输出陡脉冲电压。上述高压双极陡脉冲组肿瘤治疗装置还包括一脉冲输出控制单元，其将脉冲信号分别分配到6个输出端口中的两个端口上，一个脉冲周期仅其中两个输出口输出高压脉冲，周期之间将根据主控电脑指令切换输出端口。如图2所示，一种高压双极陡脉冲波形肿瘤治疗系统，其主要包括主控模块、陡脉冲发生模块、输出控制与监控模块、输出端口模块和电极针模块，主控模块通过usb口给陡脉冲发生模块发出指令，陡脉冲信号经过陡脉冲发生模块后传递给输出控制与监控模块，输出控制与监控模块的输出端与输出电极针模块的输入端连接，输出控制与监控模块的输出端包括6个高压陡脉冲输出端口与电极针相连，在主控模块的控制下根据肿瘤大小和形状选取2-6根电极针，植入到所需治疗的部位，从而实现双极正负陡脉冲组的输出治疗；所述主控模块包括手术规划模块、陡脉冲电性能参数模块、控制治疗模块和实时显示模块，其中：所述手术规划模块用于设置治疗所需的电极针的数量、位置、设置每根电极针陡脉冲电压施加的顺序和治疗时间；所述陡脉冲电性能参数模块用于设置陡脉冲的输出脉冲组个数、脉冲组工作重复频率、脉冲组内脉冲个数、单个脉冲电压、单个脉冲宽度等参数；所述控制治疗模块用于根据手术规划方案和设置的陡脉冲参数控制电源系统按照顺序对所需各电极针输出陡脉冲信号进行治疗；所述实时显示模块用于接受监控模块采集的陡脉冲输出信号并在屏幕上显示实时波形和相关参数；所述陡脉冲发生模块包括一紧急停止模块，用于在紧急情况下从外部强制停止设备输出陡脉冲信号。实际操作中，应用本发明高压双极陡脉冲组肿瘤治疗装置对软体肿瘤组织进行治疗，包括以下步骤：1)先在主控电脑中设置陡脉冲的脉冲组个数、脉冲组工作重复频率、脉冲组内脉冲个数、单个脉冲电压、单个脉冲宽度等高压电源参数，由主控电脑发送指令到陡脉冲电源，控制陡脉冲的输出；设置如下：(1)脉冲电压连续可调，从0到正负7500v连续可调，电压精度为±5％；(2)脉冲组工作重复频率连续可调，从0.1hz到10hz连续可调；(3)脉冲组内脉冲个数连续可调，从1到100个脉冲；(4)每组内单个脉冲宽度连续可调，从10μs到100μs连续可调；(5)输出最大脉冲电流50a；(6)可输出最大单脉冲能量15j；(7)可连续输出1到1000个脉冲组数。具体高压电源参数如下表1：高压电源参数设置值陡脉冲的幅值600～3000v/cm单个脉冲宽度10μs～100μs脉冲组内脉冲个数1～100个脉冲组个数1～1000个脉冲组重复频率0.1～10hz单个脉冲最大能量15j脉冲幅值精度±5％脉冲宽度精度±2μs或2％(取较大值)最大脉冲电流50a2)输出的陡脉冲通过陡脉冲电源输出到陡脉冲输出控制器；3)陡脉冲输出控制器接受到主控电脑的控制信号后，切换陡脉冲的输出端口；4)陡脉冲输出监控示波器监控输出波形和相关参数：a.监控波形和相关参数回传主控电脑显示在屏幕上，并判断输出是否符合设置参数；b.主控电脑根据设置的手术规划，发送指令给陡脉冲输出控制器控制陡脉冲输出到相应的输出端口；5)将陡脉冲输出端口连接至陡脉冲电极针，陡脉冲电极针植入到所需治疗的部位；6)根据设定的治疗方案，将陡脉冲电极针植入待治疗的实体软体肿瘤组织进行治疗。如图3所示，利用以上系统通过上述治疗肿瘤组织的方法，具体过程中于主控电脑屏幕上显示的实时波形和相关参数为：双极正负高压陡脉冲组。当前第1页12