基于TTFields电场的脑肿瘤场强检测仪器

基于ttfields电场的脑肿瘤场强检测仪器
技术领域
1.本实用新型涉及肿瘤电场检测领域，特别是涉及一种基于ttfields电场的脑肿瘤场强检测仪器。


背景技术：

2.在很长时间里，恶性肿瘤只有手术、放疗、化疗等传统治疗，综合疗效一直很差，得了恶性肿瘤几乎就是“判了死刑”。而近十余年来，恶性肿瘤的治疗有了更多的选项，尤其是靶向治疗、免疫治疗和最近上市的肿瘤电场治疗(tumor treating fields，ttfields)明显改善了整体预后，很多恶性肿瘤患者因之获得了长期生存。
3.ttfields是以色列理工学院yoram palti教授发明的一套治疗技术，ttfields通过一个垂直方向交替发生的中频(100-300khz)、低场强(1-5v/cm)交变电场，使肿瘤细胞分裂受到电场力的干扰，从而达到杀死肿瘤细胞、延缓肿瘤生长的目的。胶质母细胞瘤是ttfields获批临床适应症的第一个病种，更多恶性肿瘤：胰腺癌、卵巢癌、非小细胞肺癌及其脑转移的扩增适应症也在研发和申请中。
4.胶质母细胞瘤预后极差，即使手术全切、并辅以术后放疗和替莫唑胺化疗，平均肿瘤复发时间只有6.9个月，平均总生存期只有14.6个月；而且大多数胶质母细胞瘤对于靶向治疗、免疫治疗都不敏感；然而胶质母细胞瘤却对ttfields敏感，例如2017年发表的大型iii期对照临床试验中，近700名新诊断的胶质母细胞瘤患者，随机分为标准放化疗组、放化疗加电场组。结果加上电场治疗以后，患者中位无进展生存期(4.0vs 6.7月)和总生存期(15.6vs 20.5 月)明显提高了，五年生存率从5％提高到了13％。研究还显示，电场佩戴时间越长效果越好。平均每天佩戴超过22小时的患者，中位生存期延长到了24.9个月，五年生存率接近30％。可以说ttfields是胶质母细胞瘤治疗的新里程碑。
5.ttfields的作用机制是在肿瘤细胞分裂中期，通过中频交变电场影响纺锤体微管的形成，导致染色体分离异常，使癌细胞凋亡。每一个纺锤体都是由几万个微管蛋白二聚体按照细胞长轴有序组合装配而成的，而微管蛋白二聚体是一个电偶极子，在电场中受力，当外加电场的电场强度(以下简称“场强”)达到1v/cm以上，微管蛋白受到10-5pn的电场力作用，这个外力足以干扰微管蛋白的有序组合，反之，如果场强不够，就不能有效干扰纺锤体的形成；细胞实验和动物试验都表明ttfields的作用是场强依赖的。
6.临床研究同样表明，ttfields施加在肿瘤组织上的电场强度越高，杀瘤作用就越强；所以临床上需要保证肿瘤中的场强达到1v/cm以上，同时要通过优化电极传导阵列等方法尽量提高肿瘤中的场强，那么如何精确地测量肿瘤中的电场强度是当今急需要解决的关键问题；每个患者脑肿瘤的部位、大小、质地、血供各异，头皮、颅骨、脑组织的厚度、成分和分布也不一样，决定了每个脑肿瘤的电场分布都是很不一样的，所以每个患者都需要定制个体化的ttfields治疗方案。
7.为了解决以上问题，现有技术提出一种方法是根据颅内肿瘤磁共振影像估算肿瘤和头皮、颅骨、脑组织、脑脊液的介电常数和电导率，再通过有限元分析，模拟ttfields电场
作用下分布在肿瘤组织中的电场强度，但这种方法无疑是有很大误差的，估算场强与实际场强不符，很可能导致ttfields治疗失败。然而，现有技术还无法在手术中直接检测肿瘤组织的真实电场强度，使得个性化治疗难以精准，这是制约ttfields疗效进一步提高的技术瓶颈。


技术实现要素：

8.鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种基于ttfields电场的脑肿瘤场强检测仪器，用于解决现有技术中获得脑肿瘤电场强度是根据模拟估算而非实测，导致出现很大误差且与实际场强不符，很可能导致ttfields治疗失败，并且使得个性化治疗难以精准等问题。
9.为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种基于ttfields电场的脑肿瘤场强检测仪器，包括：微型三维生物电场传感器、场强分析仪以及将所述微型三维生物电场传感器以及场强分析仪连接的同轴信号传输线；其中，所述微型三维生物电场传感器，包括：三维电场感应部，用于对所处的脑肿瘤电场进行三维感应检测并输出电场感应信号；信号处理部，连接所述三维电场感应部，用于对所述电场感应信号进行信号调理；所述场强分析仪，用于接收同轴传输的经过信号调理的感应信号并对其进行分析处理，以输出还原的脑肿瘤电场分布数据。
10.于本实用新型的一实施例中，所述三维电场感应部包括：三对垂直布置的铂金电极，用于对所处的脑肿瘤电场分别在x、y以及z轴方向进行感应检测并输出电场感应信号。
11.于本实用新型的一实施例中，所述信号处理部包括：信号处理腔体以及设于所述信号处理腔体内的信号调理装置。
12.于本实用新型的一实施例中，所述穹顶球体框架结构包括：推拉门、设于所述穹顶球体框架结构内部的承载台以及用于分别安装各打光光源的多个安装部中的一种或多所述信号调理装置包括：高阻差分低噪声运放模块、与所述高阻差分低噪声运放模块连接的滤波模块以及分别与高阻差分低噪声运放模块以及滤波模块连接的电源模块种。
13.于本实用新型的一实施例中，所述信号处理腔体外部设置有屏蔽壳。
14.于本实用新型的一实施例中，所述屏蔽壳包括：3d打印壳体。
15.于本实用新型的一实施例中，所述场强分析仪包括：多通道采样模块，用于利用多通道采集同轴传输的经过信号调理的感应信号；处理模块，连接所述多通道采样模块，用于将经过信号调理的感应信号进行分析处理，并输出经过还原的脑肿瘤电场分布数据。
16.于本实用新型的一实施例中，所述场强分析仪还包括：界面显示模块，连接所述处理模块，用于在显示界面显示所述经过还原的脑肿瘤电场分布数据。
17.于本实用新型的一实施例中，所述处理模块包括：校正标定单元，用于对所述经过信号调理的感应信号进行校正和/或标定；重构单元，连接所述校正标定单元，用于接收经过校正和/或标定的信号并进行重构，输出还原的脑肿瘤电场分布数据；储存单元，连接所述重构单元，用于储存所述还原的脑肿瘤电场分布数据。
18.于本实用新型的一实施例中，所述处理模块还包括：数据调用单元，连接所述储存单元，用于生成数据调用信号以调用所述储存单元中的还原的脑肿瘤电场分布数据。
19.如上所述，本实用新型的基于ttfields电场的脑肿瘤场强检测仪器，具有以下有
益效果：本实用新型通过将微型三维生物电场传感器放入脑肿瘤中经过感应检测获得三维脑肿瘤电场感应信号，再利用场强分析仪对该信号还原脑内三维电场分布，来实现实测脑肿瘤实际场强，不仅保证了脑肿瘤场强检测的准确性，还使得个性化治疗更精准，并解决现有技术的问题。
附图说明
20.图1显示为本实用新型一实施例中基于ttfields电场的脑肿瘤场强检测仪器的结构示意图。
21.图2显示为本实用新型一实施例中微型三维生物电场传感器的结构示意图。
22.图3显示为本实用新型一实施例中微型三维生物电场传感器的结构示意图。
23.图4显示为本实用新型一实施例中信号调理装置的结构示意图。
24.图5显示为本实用新型一实施例中场强分析仪的结构示意图。
25.图6显示为本实用新型一实施例中用于ttfields电场治疗的脑肿瘤场强检测仪器的结构示意图。
具体实施方式
26.以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
27.需要说明的是，在下述描述中，参考附图，附图描述了本实用新型的若干实施例。应当理解，还可使用其他实施例，并且可以在不背离本实用新型的精神和范围的情况下进行机械组成、结构、电气以及操作上的改变。下面的详细描述不应该被认为是限制性的，并且本实用新型的实施例的范围仅由公布的专利的权利要求书所限定。这里使用的术语仅是为了描述特定实施例，而并非旨在限制本实用新型。空间相关的术语，例如“上”、“下”、“左”、“右”、“下面”、“下方”、
““
下部”、“上方”、“上部”等，可在文中使用以便于说明图中所示的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。
28.在通篇说明书中，当说某部分与另一部分“连接”时，这不仅包括“直接连接”的情形，也包括在其中间把其它元件置于其间而“间接连接”的情形。另外，当说某种部分“包括”某种构成要素时，只要没有特别相反的记载，则并非将其它构成要素，排除在外，而是意味着可以还包括其它构成要素。
29.再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“a、b或c”或者“a、b和/或c”意味着“以下任一个：a；b；c；a和b；a和c；b和c；a、b和c”。仅当元件、功能或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。
30.本实用新型提供一种基于ttfields电场的脑肿瘤场强检测仪器，通过将微型三维生物电场传感器放入脑肿瘤中经过感应检测获得三维脑肿瘤电场感应信号，再利用场强分析仪对该信号还原脑内三维电场分布，来实现实测脑肿瘤实际场强，不仅保证了脑肿瘤场强检测的准确性，还使得个性化治疗更精准，并可以较好地解决了现有技术所存在的问题。
31.下面以附图1为参考，针对本实用新型得实施例进行详细说明，以便本实用新型所述技术领域的技术人员能够容易地实施。本实用新型可以以多种不同形态体现，并不限于此处说明的实施例。
32.如图1所示，展示一实施例中基于ttfields电场的脑肿瘤场强检测仪器的结构示意图，所述系统包括：微型三维生物电场传感器11、场强分析仪12以及将所述微型三维生物电场传感器11以及场强分析仪12连接的同轴信号传输线13；需要注意的是，本技术的脑肿瘤场强检测仪器的使用场景为：在手术前把ttfields的电场传感阵列贴在头皮上，在脑肿瘤手术中切除其中部分(约1毫升)肿瘤以后，将已消毒的微型三维生物电场传感器放入置于脑肿瘤组织中，然后通过同轴信号传输线13，连接到场强分析仪12，同时ttfields开机，以实时检测电场强度。
33.在使用时需将所述微型三维生物电场传感器置于脑肿瘤组织中；
34.其中，所述微型三维生物电场传感器11，包括：三维电场感应部111，用于对其所处脑肿瘤组织所对应的脑肿瘤电场进行三维感应检测并输出电场感应信号，以全面感知检测位置的电场各方向分量，并便于后续进行三维重构。所述信号处理部112，连接所述三维电场感应部111，用于对所述电场感应信号进行信号调理并将所述经过信号调理的电场感应信号输入至所述同轴信号传输线13，以令所述传输线13将该信号同轴传输至所述场强分析仪12中。所述场强分析仪12，用于通过同轴信号传输线13接收同轴传输的经过信号调理的感应信号并对其进行分析处理，以输出还原的脑肿瘤电场分布数据。
35.可选的，所述同轴信号传输线13为高输入阻抗导线，优选的，所述同轴信号传输线13 内芯采用无氧铜材料，尽量减少信号传输损耗；其绝缘层采用聚四氟乙烯材料，性质稳定，其外屏蔽采用编织网，屏蔽效能好。
36.下文，将结合多个说明书附图，来对基于ttfields电场的脑肿瘤场强检测仪器的具体实现方式做进一步的说明。
37.如图2所示，展示了一实施例中所述微型三维生物电场传感器的结构图。
38.所述微型三维生物电场传感器，包括：三维电场感应部21，用于对所处的脑肿瘤电场进行三维感应检测并输出电场感应信号；信号处理部22，连接所述三维电场感应部21，用于对所述电场感应信号进行信号调理。
39.可选的，所述三维电场感应部包括三对垂直布置的铂金电极21，设于所述微型三维生物电场传感器头部，用于对所处的脑肿瘤电场分别在x、y以及z轴方向进行感应检测并输出电场感应信号，采用使用铂金电极避免了电极极化影响电场测量准确度。需要注意的是，所述头部可以指所述传感器任何可直接接触脑肿瘤电场的一端，对此在本技术中不作限定。
40.在本实施例中，再参考图3，所述三维电场感应部21包括：x轴电场传感铂金电极对311、 y轴电场传感铂金电极312对以及z轴电场传感铂金电极对313。其中，各电极对相互垂直设置且可组合为一体结构。该结构的铂金电极，可以感应检测位置的x,y,z三维相隔《1cm
等势面之间的电势差。
41.可选的，所述信号处理部22包括：信号处理腔体以及内置于所述信号处理腔体内的信号调理装置；优选的，所述信号处理腔体为圆柱形腔体且设于所述微型三维生物电场传感器中部，其一端外侧设有处于头部的所述三维电场感应部21，其另一端与处于尾部的所述同轴信号传输线相连接。
42.可选的，再参考图4的信号调理装置结构图，所述信号调理装置包括：高阻差分低噪声运放模块41、与所述高阻差分低噪声运放模块41连接的滤波模块42以及分别与高阻差分低噪声运放模块以及滤波模块连接的电源模块43；具体的，利用所述高阻差分低噪声运放模块 41的输入阻抗高,输入偏置电流低,而且具有高速、宽带和低噪声等优点对所述电场感应信号进行处理，再通过滤波模块42进行滤波，最后进行输出经过边缘处理的信号；其中，所述电源模块43为所述高阻差分低噪声运放模块以及滤波模块进行供电和/或电源管理。
43.可选的，所述信号处理腔体22外部设置有屏蔽壳，防止脑内电磁信号干扰；优选的，所述屏蔽壳外包层采用3d打印技术制成，形成外壳绝缘避免漏电等异常故障对脑组织造成干扰与损伤。
44.如图5所示，展示了一实施例中所述场强分析仪的结构图。
45.所述场强分析仪包括：多通道采样模块51，用于利用多通道采集同轴传输的经过信号调理的感应信号；处理模块52，连接所述多通道采样模块51，用于将经过信号调理的感应信号进行分析处理，并输出经过还原的脑肿瘤电场分布数据。
46.需说明的是，应理解图5实施例中的各模块划分仅仅是一种逻辑功能的划分，实际实现时可以全部或部分集成到一个物理实体上，也可以物理上分开。且这些模块可以全部以硬件的形式实现；例如各模块可以是被配置成实施以上方法的一个或多个集成电路。
47.可选的，由于ttfields仪器对肿瘤治疗有效的电场频率约为百khz级，为了不影响采样精度，所述多通道采样模块51的采样率不低于10msps，且所述多通道采样模块采用的通道数不低于3个。
48.可选的，所述处理模块52为了实现可以将所述多通道采样模块获得的数据依次经过校正、标定与重构等方式来还原脑内三维电场分布，所述处理模块52包括：校正标定单元，用于对所述经过信号调理的感应信号进行校正和/或标定；重构单元，连接所述校正标定单元，用于接收经过校正和/或标定的信号并进行重构，输出还原的脑肿瘤电场分布数据；储存单元，连接所述重构单元，用于储存所述还原的脑肿瘤电场分布数据。所述储存单元可以使所述脑肿瘤电场分布数据以计算机常见的数据存储格式如txt、csv等格式保存。
49.可选的，通过所述处理模块52还可以实现数据调用功能，所述处理模块还52包括：数据调用单元，连接所述储存单元，用于生成数据调用信号以调用所述储存单元中的还原的脑肿瘤电场分布数据，以便于对同一病人的还原的脑肿瘤电场分布数据进行比对分析，增强该检测仪器的多场合适用性。
50.可选的，所述场强分析仪还包括：界面显示模块53，连接所述处理模块52，用于在显示界面显示经过所述处理模块52的经过还原的脑肿瘤电场分布数据，以实现对测量并处理后的三维电场分布进行直观展示。
51.为了更好的解释所述基于ttfields电场的脑肿瘤场强检测仪器，提供以下具体实
施例。
52.实施例1：用于ttfields电场治疗的脑肿瘤场强检测仪器，如图6所示为所述脑肿瘤场强检测仪器的结构示意图。
53.所述仪器包括：
54.可置于脑肿瘤中的微型三维生物电场传感器，包括：三对垂直布置的铂金电极，用于对所处的脑肿瘤电场分别在x、y以及z轴方向进行感应检测并输出电场感应信号；圆柱形信号处理腔体，其中内置有连接所述微型三维生物电场传感器，用于对微弱感应信号进行调理的三路独立高阻差分低噪声运放模块、滤波模块、供电及电源管理模块；外置有屏蔽壳，其屏蔽壳外包层采用3d打印技术制成。
55.1米长的同轴屏蔽信号传输线，用于将微型三维生物电场传感器输出的信号同轴传输至放置在手术室的床边场强分析仪；
56.床边场强分析仪包括：多通道快速采样模块，其采样率不低于10msps，通道数不低于3 个；用于利用多通道采集同轴传输的经过信号调理的感应信号；软件处理模块，连接所述多通道采样模块，用于将经过信号调理的感应信号分别经过校正、标定与重构等步骤还原脑内三维电场分布；界面显示模块，连接所述处理模块，用于在显示界面显示所述经过还原的脑内三维电场分布。所述床边场强分析仪具有多通道快速采样功能、三维电场分析重构功能、数据展示和存储功能，以便定量分析脑内三维电场大小并直观显示。
57.综上所述，本实用新型基于ttfields电场的脑肿瘤场强检测仪器，通过将微型三维生物电场传感器放入脑肿瘤中经过感应检测获得三维脑肿瘤电场感应信号，再利用场强分析仪对该信号还原脑内三维电场分布，来实现实测脑肿瘤实际场强，不仅保证了脑肿瘤场强检测的准确性，还使得个性化治疗更精准，并可以较好地解决了现有技术所存在的问题。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
58.上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。