专利名称：智能化微波治疗仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种医疗装置，特别是一种智能化微波治疗装置。
本发明的第一目的是这样实现的，它包括一与计算机通过串口相连的单片机，所述单片机与微波装置相连；所述计算机内存储了有效微波热场数据库，所述有效微波热场数据库内存储有具有不同条件参数的微波凝固热场实时分布数据，所述计算机执行并通过与单片机数据交换控制单片机执行如下优选治疗方案的过程将待治肿瘤数据与有效微波热场数据库内的实时分布数据比较，优选一个凝固热场，根据所述有效微波热场数据库内该优选凝固热场对应的条件参数，在单片机上预置相关参数数值，条件参数中该相关参数数值就是与待治肿瘤相匹配的优选的治疗方案。上述优选过程是通过计算机内的优选装置或软件来实现的，当优选装置优选出一个凝固热场及其对应的条件参数后，通过数据交换或直接通过人工在单片机上预置相关参数数值。
所述有效微波热场数据库内还存储有微波凝固热场实时分布数据所对应的凝固热场实时分布三维图谱，在优选装置优选治疗方案的过程中，可以先将待治肿瘤数据与有效微波热场数据库内的实时分布数据比较，选择数据较接近的多个凝固热场，然后将待治肿瘤的立体图与选出的凝固热场对应的三维图谱在计算机的显示器中适形覆盖，直观优选一个凝固热场，根据所述有效微波热场数据库内该优选凝固热场对应的条件参数，在单片机上预置相关参数数值；所述条件参数包括A)、天线条件B)、功率条件C)、不同功率作用的时间条件.D)、肿瘤条件.E)、边界温度条件。其中天线条件包括天线类型条件、天线数量条件、天线空间位置条件，肿瘤条件包括肿瘤的形态类别条件、大小分级条件、血流分级条件。
所述有效微波热场数据库可以划分为如下四个数据库)热场数据库不同参数条件下适于杀死肿瘤的边界温度等温面的热场三维分布数据，包括对应凝固热场号、x，y，z坐标、温度、肿瘤血流灌注率、对应方案号，该热场数据库内包含有对应的所述凝固热场的三维图谱2)治疗方案数据库上述热场三维分布数据对应的治疗方案库，包括方案号、功率、时间、天线数、天线类型、天线的空间位置。3)特征数据库根据以往的病例统计将肿瘤按一定的分类方法做形态分类，大小分级，血流分级，便于归类比较对比，包括肿瘤形态类别、大小级别和血流灌注率级别。4)肿瘤数据库，即治疗前对肿瘤检查后对其的描述，包括肿瘤的形态、大小、血管和血流。
所述单片机通过A/D转换器还可与测温针相连。
上述测温针包括导引针杆、导引针帽，其特征是所述导引针杆为空腔结构，导引针杆的头部密封，在导引针杆空腔的头部设置有传感器，导引针帽的内壁上设置有连接点，连接传感器引线与电缆，电缆延伸至导引针帽的外部，导引针针体外壳接地。
所述导引针杆的头部用环氧树脂进行密封。
上述微波装置包括至少一套高压控制装置及其控制的作为微波源的磁控管，所述每个磁控管分别与转换开关和取样电路相连，所述转换开关控制两根微波天线，所述转换开关和取样电路分别与单片机相连。
上述微波装置包括两套高压控制装置及其控制的作为微波源的磁控管。
所述转换开关包括一高功率电控微波铁氧体同轴开关。
上述微波天线包括通过固定支架和插座与微波源相连的外导体和内导体，所述外导体为一以内导体为轴心的中空圆筒，所述内导体的自由端延伸出外导体，所述内导体的外周包裹有介质层，所述内导体延伸到外导体外的部分的长度为9-30毫米。
所述外导体的外侧还可包裹一防粘层。
具体地所述优选治疗方案的过程即由计算机内的优选装置执行的优选过程如下(1)、计算机输入肿瘤的形态、大小、血管和血流等肿瘤条件到计算机肿瘤数据库内；(2)、计算机根据特征数据库中分级规定对输入的肿瘤状况提取特征值，包括肿瘤形态类别、大小级别、血流灌注率级别；(3)、计算机从治疗方案数据库中检索出若干适合肿瘤特征的治疗方案；(4)、计算机从热场数据库中取出治疗方案所能形成的热场的三维数据和图谱，将凝固热场的三维图谱与待治肿瘤的三维形状进行适形覆盖，供医生比较选择确定治疗方案；(5)、根据确定的治疗方案通过单片机上设定微波源的输出、功率和作用时间，确定天线的数目和空间位置。
本发明的第二目的是这样实现的它包括一与计算机通过串口相连的单片机，所述单片机与微波装置；所述计算机内存储了有效微波热场数据库，所述有效微波热场数据库内存储有具有不同条件参数的微波凝固热场实时分布数据和对应的凝固热场实时分布三维图谱，所述计算机执行并通过与单片机数据交换控制单片机执行如下优选治疗方案和进行治疗控制的过程1)将待治肿瘤数据与有效微波热场数据库内的实时分布数据比较，选择较接近的凝固热场，将待治肿瘤的立体图与选出的凝固热场的三维图谱相覆盖，优选一个凝固热场，根据所述有效微波热场数据库内该优选凝固热场对应的条件参数，在单片机上预置相关参数数值。该优选过程是通过计算机内的优选装置来实现的，当优选装置优选出一个凝固热场及其对应的条件参数后，通过数据交换或直接通过人工在单片机上预置相关参数数值。
2)治疗开始后，进行微波治疗监控，记录整个治疗过程，监视微波源工作状态和治疗过程中癌变组织的温度变化，实现自动控制。该过程是通过计算机内的监控程序来实现的。
具体地，步骤2)所述微波治疗监控过程即监控装置执行如下过程1、采集微波源状态、测温，并通过单片机将数据传送到计算机内；2、如果大于额定温度，检查微波源状态，如不正常，可以停止微波辐射，也可调整微波源状态继续治疗；如微波源正常，且达到预置的延时，可继续采集过程；3、如果小于额定温度，延长一段时间，决定是否修改治疗方案，如果不修改，可结束微波治疗，如修改，可修改测温方式和微波辐射方案，修改后，如不继续测温，可终止测温，如继续测温，可进一步看是否达到预置的延时，以继续采集过程。
本发明由于在计算机内存储了有效微波热场数据库，在手术前就可将待治肿瘤的相关数据如肿瘤的形态、大小、血管和血流等与有效微波热场数据库内凝固热场实时分布数据进行对比，选择一个数据最接近的凝固热场，或先选择较接近的几个凝固热场，将待治肿瘤的三维立体图与较接近的凝固热场的三维图谱进行适形覆盖，优选出一个凝固热场，然后从有效微波热场数据库中提取出该凝固热场对应的相应参数数值，以设定单片机的工作状态和微波天线的进针方案。因此本发明将肿瘤治疗建立在可预见的基础上，能够针对不同的病况在手术前确定并优化选择待治肿瘤的治疗方案。
本发明还能在优选治疗方案的基础上，由计算机内设置的监控装置根据设定的治疗方案有效控制治疗的全过程，实现杀灭整个肿瘤，同时对正常组织较少损害。
采用至少一套以上微波装置和两根以上微波天线，可以针对不同病例组合匹配微波辐射形成的凝固区域的形状，同时使凝固区域直径大为增加，特别是采用两套微波装置和微波天线的结构，通过对微波天线的合理组合，最大一次凝固区域可大于5厘米，远远超过现有技术不大于2厘米的局限。
采用本发明的微波天线，所形成的微波凝固形状为更类似于肿瘤形状的圆形或椭圆形，而不是现有技术的仿锤形，这种天线辐射形状可减少对肿瘤周边组织的损伤，提高凝固灭活肿瘤的效率。
本发明广泛用于各种肿瘤和其他可采用微波进行治疗的疾病的微波介入性治疗。
图1中单片机1通过A/D转换器19还与测温针20相连。测温针20的结构见附图6，包括导引针杆24、导引针帽23，导引针杆24为空腔结构，导引针杆的头部27密封，导引针杆为0.9的20G导引针，在导引针杆空腔的头部设置有传感器25，在此，传感器25为热敏电阻，导引针帽23的内壁上设置有焊接点22，连接传感器引线26与电缆21，电缆21延伸至导引针帽23的外部，导引针杆24外壳接地。由于导引针杆24外壳接地，因此可以保证热敏电阻25在测温时不受微波场的干扰，较准确且不间断微波辐射测出治疗过程中被测点的温度。
计算机1内存储了有效微波热场数据库，有效微波热场数据库是在治疗前就建立起来的，以治疗肝癌的微波凝固热场为例，其建立方法是首先建立肝组织体模的微波辐射实验装置，通过模拟测量的方法测出单根天线微波场下不同功率、时间和位置的温度变化，将实验数据代入生物传热方程与微波辐射能量SAR的分布函数方程的组合方程所述生物传热方程为ρcdT/dt＝Qr+KΔT-MbCb(T-Tb)＝SAR+KΔT-MbCb(T-Tb)其中ρ为组织密度(kg/m3)，c为比热，T为温度，t为时间，K为组织的导热系数(W/m·℃)，Mb、Cb分别为血液的灌注率(kg/m3·s)和比热(J/kg·℃)，Tb为该区域的动脉血温(℃)。
所述微波辐射能量SAR的分布函数方程为SAR＝ρce-az[x0r3+x1r2+x2r+x3][cos(x5θ)+x4]经预实验得知SAR分布函数为平面分布函数SAR＝ρCe-aZ[X0r3+X1r2+X2r+X3]
上述实时三维热场分布对于功率为60W微波辐射的凝固热场辐射能量SAR/ρc在微波天线中心点距天线尖端15mm的前向部分分布为2.2667×2.9e-0.3164r(-0.0002z3+0.0042z2-0.0344z+0.4864)微波天线中心点距另一端12mm的后向部分分布为2.2667×2.9e-0.3164r(-0.00003z3+0.0013z2-0.0306z+0.4864)上述实时三维热场分布对于功率为50W微波辐射的凝固热场辐射能量SAR/ρc在微波天线中心点距天线尖端15mm的前向部分分布为1.4903×3.02e-0.3002r(8E-5z3-0.003z2+0.0091z+0.4152)微波天线中心点距另一端12mm的后向部分分布为1.4903×2.98e-03002r(4E-5z3-0.0012z2-0.0066z+0.4168)在已知密度和比热时就可以得到整个微波热场SAR的分布函数。
利用美国ANSYS(V5.5版)有限元分析软件完成整个基于有限元法的计算过程(包括前处理-----空间离散，有限元方程的推导和后处理-----进一步参数计算，数据输出，表格及曲线图的绘制等)，计算出单根天线植入式微波凝固治疗肝肿瘤的动态三维热场。
然后，在求得单导的辐射热场后，即可按下述六个条件及其取值进行组合，求得组合热场的分布数据库。
(1)功率条件采用40W、50W、60W三种微波功率。
(2)用于肝癌凝固治疗的天线数量条件根据不同肿瘤的大小，可应用的天线数量为1、2、3、4根，分别为单导、双导、三导、四导。
(3)将肝癌局部组织血流灌注率(Mb)条件分为10级Mb分别为1.5、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、6.0、7.0、8.0(单位kg/m3·s)。
(4)所用时间条件对应于不同功率，采用不同的时间。
40W——600、900、1200、1800s50W——300、400、500、600、700、800、900s60W——300、400、500、600s(5)天线空间位置条件单导情况略。
双导(分时双导和同时双导)情况下，两天线间距采用1.0cm、1.2cm、1.5cm、1.6cm、2.0cm。(注分时双导均采用20s∶20s的分时比，即一根天线作用20s，另一根天线再作用20s)。
三导情况下，可分两种情况，即其中两电极为分时双导电极或三个电极同时作用。当其中两电极为同一微波源的双导分时电极，即两电极可以分别作用不同时间，为增加热凝固效率，另一单电极采用连续作用。为得到较好的治疗效果，采用较大凝固范围的分类双导分时电极用间距1.5cm、2.0cm，令另一单电极位于以上两电极连线之中垂线上，间距1.5cm或2.0cm。
四导情况下，可分三种情况，即其中只有两电极为分时双导电极或四个电极分别为两个分时双导电极或四个电极均为同时作用。当凝固方式为两两双导分时电极作用形成时，可将四电极按方形排列，相邻电极间距为1.0cm、1.2cm、1.5cm、1.6cm、2.0cm。并采用相邻电极同时作用的方式。
(6)天线类型条件指天线产生不同形状凝固热场对应的不同类型天线，比如产生纺锤型凝固热场的天线或球形凝固热场天线。
将以上6种情况进行排列组合，建立计算机模型，并利用有限元分析软件求出不同条件参数下的微波凝固热场。
最后将治疗所需的边界条件进行三维重建后加入所述不同条件参数下的三维凝固热场分布的热场数据库中，根据经验得知治疗肝癌的较佳温度边界条件为54℃和/或60℃，温度边界条件确定后就可在计算机内形成六种条件下分别满足上述温度边界条件的有效微波热场数据库，该数据库包括凝固热场的三维实时分布数据和对应的凝固热场三维图谱，该热场的实时分布数据即为空间每个点在不同的时间点上的温度分布数据，在同一时间点上就组成许多54和60度两个温度点的等温曲面。这样，只需在手术前测量好肿瘤的大小，得到肿瘤边沿的空间坐标和形态三维图谱，再测得其血流灌注率，与上述凝固热场的实时分布数据和对应的已知等温曲面数据进行对比，就得到几个与其边沿的空间坐标相近的热场，并将肿瘤的形态三维图谱和几个近似热场的三维图谱进行覆盖对比，最后确定优选的热场，该热场的其他条件如功率条件、天线的数量条件和类型及空间位置条件就直接可知。
更进一步，上述组合求得的有效微波热场数据库可以划分为如下若干数据库1)热场数据库不同参数条件下54摄氏度和60摄氏度等温面的三维分布数据，包括对应热场号、x，y，z坐标、温度、肿瘤血流灌注率、对应方案号。该热场数据库内包含有对应的所述凝固热场三维图谱2)治疗方案数据库热场三维分布数据对应的治疗方案库，包括方案号、功率、时间、天线数、天线的空间位置。3)特征数据库根据以往的病例统计将肿瘤按一定的分类方法做形态分类，大小分级，血流分级，便于归类比较对比，包括肿瘤形态类别、大小级别和血流灌注率级别。4)肿瘤数据库，即治疗前对肿瘤检查后对其的描述，包括肿瘤的形态、大小、血管和血流。
对于其他类型的肿瘤，只需在模拟测量时选用对应组织的体模进行模拟测量，建立有效微波热场的其他程序和步骤与肝癌相同。
在求得有效微波热场数据库后，本发明计算机内的优选软件和监控软件就可按照图2所示流程完成优选治疗方案和治疗控制过程1、计算机1输入肿瘤的形态、大小、血管和血流等肿瘤状况到肿瘤数据库30内；2、计算机1对输入的肿瘤状况从特征数据库31内提取对应的特征值，包括肿瘤形态类别、大小级别、血流灌注率级别；3、计算机1从治疗方案数据库32中检索出适合肿瘤特征的治疗方案，即选择天线类型、天线数、天线空间位置、微波源功率、作用时间；4、计算机1从热场数据库33中取出治疗方案所能形成的热场的三维数据和三维图谱，将凝固热场的三维图谱与待治肿瘤的三维形状进行适形覆盖，供医生比较选择确定治疗方案34；5、根据治疗方案在单片机上设定微波源的输出、功率和作用时间，确定微波天线数目和空间位置；6、治疗开始后，进行微波治疗监控，记录整个治疗过程，通过单片机2监视微波装置工作状态和治疗过程中测温针测出癌变组织的温度变化，实现自动控制。
计算机1内存储的微波治疗监控软件其流程如下(见图3)1、采集微波源状态、测温，并通过单片机将数据传送到计算机内；2、如果大于额定温度，检查微波源状态，如不正常，可以停止微波辐射，也可调整微波源状态继续治疗；如微波源正常，且达到预置的延时，可继续采集过程；3、如果小于额定温度，延长一段时间，决定是否修改治疗方案，如果不修改，可结束微波治疗，如修改，可修改测温方式和微波辐射方案，修改后，如不继续测温，可终止测温，如继续测温，可进一步看是否达到预置的延时，以继续采集过程。
本发明广泛用于各种肿瘤和其他可采用微波进行治疗的疾病的微波介入性治疗。
权利要求
1.一种智能化微波治疗仪，其特征在于它包括一与计算机通过串口相连的单片机，所述单片机与微波装置相连；所述计算机内存储了有效微波热场数据库，所述有效微波热场数据库内存储有具有不同条件参数的微波凝固热场实时分布数据，所述计算机执行并通过与单片机数据交换控制单片机执行如下优选治疗方案的过程将待治肿瘤数据与有效微波热场数据库内的实时分布数据比较，优选一个凝固热场，根据所述有效微波热场数据库内该优选凝固热场对应的条件参数，在单片机上预置相关参数数值。
2.根据权利要求1所述的智能化微波治疗仪，其特征在于所述有效微波热场数据库内还存储有微波凝固热场实时分布数据所对应的凝固热场实时分布三维图谱，在优选治疗方案的过程中，可以先将待治肿瘤数据与有效微波热场数据库内的实时分布数据比较，选择数据较接近的多个凝固热场，然后将待治肿瘤的立体图与选出的凝固热场对应的三维图谱在计算机的显示器中适形覆盖，直观优选一个凝固热场，根据所述有效微波热场数据库内该优选凝固热场对应的条件参数，在单片机上预置相关参数数值。
3.根据权利要求1或2所述的智能化微波治疗仪，其特征在于所述条件参数包括A)、天线条件B)、功率条件C)、不同功率作用的时间条件.D)、肿瘤条件.E)、边界温度条件。
4.根据权利要求1或2所述的智能化微波治疗仪，其特征在于所述有效微波热场数据库可以划分为如下四个数据库1)热场数据库不同参数条件下适于杀死肿瘤的边界温度等温面的热场三维分布数据，包括对应热场号、x，y，z坐标、温度、肿瘤血流灌注率、对应方案号，该热场数据库内包含有对应的所述凝固热场三维图谱；2)治疗方案数据库上述热场三维分布数据对应的治疗方案库，包括方案号、功率、时间、天线类型、天线数、天线的空间位置；3)特征数据库根据以往的病例统计将肿瘤按一定的分类方法做形态分类，大小分级，血流分级，便于归类比较对比，包括肿瘤形态类别、大小级别和血流灌注率级别；4)肿瘤数据库，即治疗前对肿瘤检查后对其的描述，包括肿瘤的形态、大小、血管和血流。
5.根据权利要求1或2所述的智能化微波治疗仪，其特征在于所述单片机通过A/D转换器还可与测温针相连。
6.根据权利要求5所述的智能化微波治疗仪，其特征在于所述测温针包括导引针杆、导引针帽，所述导引针杆为空腔结构，导引针杆的头部密封，在导引针杆空腔的头部设置有传感器，导引针帽的内壁上设置有连接点，连接传感器引线与电缆，电缆延伸至导引针帽的外部，导引针针体外壳接地。
7.根据权利要求1或2所述的智能化微波治疗仪，其特征在于所述微波装置包括至少一套高压控制装置及其控制的作为微波源的磁控管，所述每个磁控管分别与转换开关和取样电路相连，所述转换开关控制两根微波天线，所述转换开关和取样电路分别与单片机相连，所述转换开关包括一高功率电控微波铁氧体同轴开关。
8.根据权利要求1或2所述的智能化微波治疗仪，其特征在于所述微波天线包括通过固定支架和插座与微波源磁控管相连的外导体和内导体，所述外导体为一以内导体为轴心的中空圆筒，所述内导体的自由端延伸出外导体，所述内导体的外周包裹有介质层，所述内导体延伸到外导体外的部分的长度为9-30毫米，所述外导体的外侧还包裹一防粘层。
9.根据权利要求4所述的智能化微波治疗仪，其特征在于所述优选治疗方案包含如下过程(1)、计算机输入肿瘤的形态、大小、血管和血流等肿瘤条件到计算机肿瘤数据库内；(2)、计算机根据特征数据库中分级规定对输入的肿瘤状况提取特征值，包括肿瘤形态类别、大小级别、血流灌注率级别；(3)、计算机从治疗方案数据库中检索出若干适合肿瘤特征的治疗方案；(4)、计算机从热场数据库中取出治疗方案所能形成的热场的三维数据和图谱，将凝固热场的三维图谱与待治肿瘤的三维形状进行适形覆盖，供医生比较选择确定治疗方案；(5)、根据确定的治疗方案通过单片机上设定微波源的输出、功率和作用时间，确定天线的数目和空间位置。
10.一种智能化微波治疗仪，其特征在于它包括一与计算机通过串口相连的单片机，所述单片机与微波装置相连；所述计算机内存储了有效微波热场数据库，所述有效微波热场数据库内存储有具有不同条件参数的微波凝固热场实时分布数据和对应的凝固热场实时分布三维图谱，所述计算机执行并通过与单片机数据交换控制单片机执行如下优选治疗方案和进行治疗控制的过程1)将待治肿瘤数据与有效微波热场数据库内的实时分布数据比较，选择较接近的凝固热场，将待治肿瘤的立体图与选出的凝固热场的三维图谱相覆盖，优选一个凝固热场，根据所述有效微波热场数据库内该优选凝固热场对应的条件参数，在单片机上预置相关参数数值；2)治疗开始后，进行微波治疗监控，记录整个治疗过程，监视微波装置工作状态和治疗过程中癌变组织的温度变化，实现自动控制。
11.根据权利要求10所述的智能化微波治疗仪，其特征在于所述单片机通过A/D转换器还与测温针相连。
12.根据权利要求10所述的智能化微波治疗仪，其特征在于所述微波装置为两套高压控制装置及其控制的作为微波源的磁控管，所述每个磁控管分别还与转换开关和取样电路相连，所述转换开关分别控制两根微波天线，所述转换开关与单片机相连，所述取样电路与单片机相连，所述转换开关包括一高功率电控微波铁氧体同轴开关。
13.根据权利要求10所述的智能化微波治疗仪，其特征在于所述微波天线包括通过固定支架和插座与微波源磁控管相连的外导体和内导体，所述外导体为一以内导体为轴心的中空圆筒，所述内导体的自由端延伸出外导体，所述内导体的外周包裹有介质层，所述内导体延伸到外导体外的部分的长度为9-30毫米，所述外导体的外侧还包裹一防粘层。
14.根据权利要求10所述的智能化微波治疗仪，其特征在于所述步骤2)所述微波治疗监控包含如下过程(1)采集微波源状态、测温，并通过单片机将数据传送到计算机内；(2)如果大于额定温度，检查微波源状态，如不正常，可以停止微波辐射，也可调整微波源状态继续治疗；如微波源正常，且达到预置的延时，可继续采集过程；(3)如果小于额定温度，延长一段时间，决定是否修改治疗方案，如果不修改，可结束微波治疗，如修改，可修改测温方式和微波辐射方案，修改后，如不继续测温，可终止测温，如继续测温，可进一步看是否达到预置的延时，以继续采集过程。
全文摘要
本发明智能化微波治疗仪属于微波治疗装置，解决了微波治疗装置中无法针对不同的肿瘤大小和病况采取相应的治疗方案的技术问题。它包括一与计算机通过串口相连的单片机，单片机与微波装置相连；计算机内存储了有效微波热场数据库，有效微波热场数据库内存储有具有不同条件参数的微波凝固热场实时分布数据，计算机执行并通过与单片机数据交换控制单片机执行如下优选治疗方案的过程将待治肿瘤数据与有效微波热场数据库内的实时分布数据比较，优选一个凝固热场，根据所述有效微波热场数据库内该优选凝固热场对应的条件参数，在单片机上预置相关参数数值。本发明能针对不同的病况在治疗前优化选择并确定待治肿瘤的治疗方案，本发明用于肿瘤和其他疾病的微波介入性治疗。
文档编号A61N5/02GK1452945SQ02116889
公开日2003年11月5日 申请日期2002年4月24日 优先权日2002年4月24日
发明者董宝玮, 梁萍, 曾宪其, 王培江, 于晓玲, 陈钢, 程志刚 申请人:董宝玮