专利名称：核磁共振兼容型冷热疗系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种核磁共振兼容型冷热疗系统。
背景技术：
肿瘤是目前世界上死亡率最高的疾病之一，严重威胁着人类的生命。然而，70% 80%的患者确诊时己属晚期，失去了手术治疗的机会，然而即使是手术治疗，术后复发和转移的概率仍高达50% 70%，总的治愈率不足10%。因而，准确、迅速、干净地杀死肿瘤细胞非常重要。
传统治疗肿瘤的方法通常包括手术切除、放疗和化疗等方法，其中，手术治疗风险高，尤其对于部位敏感的肿瘤，如脑肿瘤，手术危险性大，成功率低。而且手术对人体的创伤大，使患者的免疫力降低，对疾病的抵抗力下降，且易产生一系列的手术并发症；放疗和化疗在杀伤癌细胞的同时，也将正常细胞和免疫(抵抗)细胞一同杀灭，虽然通过放疗和化疗方法能够局部或全身减轻肿瘤细胞负荷，但是它无法根除肿瘤细胞组织，易转移、复发，全身毒副作用大，极易产生恶心、呕吐、脱发、食欲不振等症状，造成人体免疫功能损伤，加重患者病情，对癌症患者的身心健康造成沉重的打击，尤其是癌症晚期患者，其身体健康状况常常无法耐受化疗的巨大副作用，因此很多晚期患者多不适合化疗治疗方法，特别是中晚期肿瘤或身体虚弱的病人，盲目地使用化疗和放疗方法，不仅会导致病情迅速恶化，更会加速病人的死亡。
现在通用的氩氦刀虽能实现冷冻和热疗治疗肿瘤的效果，由于其热疗的原理是由氦气在针尖急速释放时产生热量，且复温和升温急速，但其热疗能达到的最高温度有限，有数据表明传统的氩氦刀在体温度只能达到20°C 30°C之间，一般认为多数恶性肿瘤细胞的致死温度的临界点在42. 5 43°C，杀灭恶性肿瘤细胞的最低温度为42°C，并且加热持续时间需要在半小时以上；温度越 高，杀灭癌细胞所需要的时间就越短，因此，现在通用的氩氦刀常常无法达到杀死癌细胞或其他病灶区域所需要的温度，不能起到热疗的功效。发明内容
为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种核磁共振兼容型冷热疗系统，该冷热疗系统适合在核磁共振成像技术(MRI)的实时引导下工作。
本发明提供的核磁共振兼容型冷热疗系统，包括
冷疗模块，其进一步包括进气通路和出气通路，所述进气通路用于将冷源引导至所述热绝缘冷热刀5的刀尖，其依次包括装有冷源的钢瓶1、用于测量所述钢瓶I的压强的第一气压表2、第一阀门3 ;所述出气通路用于吸收冷疗过程中产生的废气，其依次包括 第三阀门7、用于对所述出气通路进行加热的加热器8、用于测量所述出气通路的压强的第二气压表10、用于为冷源的流动提供动力的泵11、第四阀门12、用于容置治疗过程中产生的废气的废气瓶14 ；
热疗模块，其包括射频发生器16和射频热疗天线，所述射频发生器16与控制模块和所述射频热疗天线相连，用于产生射频波；所述射频热疗天线贯穿整个热绝缘冷热刀5， 其末端通过射频信号线与所述射频发生器16连接，其置于所述热绝缘冷热刀5的刀尖处的顶端，用于发射所述射频发生器16产生的射频波；
多支能单独控制的热绝缘冷热刀5，用于插入到病变组织中进行冷热治疗，每个热绝缘冷热刀5的刀杆内部均包括一氩气管道和一射频热疗天线，氩气管道用于把高压氩气输送到刀尖处，每个热绝缘冷热刀5还设有一个连接所述进气通路的进气口和连接所述出气通路的出气口，用于为冷疗过程提供冷源以及排除冷疗过程中产生的废气；
温度传感器，安装在所述热绝缘冷热刀5的刀尖，并与所述控制模块连接，用于实时采集所述热绝缘冷热刀5刀尖的温度；
控制模块，至少包括一与所述泵11和所述射频发生器16连接的计算机15，用于根据事先设定的参数和所述温度传感器和第二气压表10传回的信号来调节所述泵11的流量和所述射频发生器16的发射功率。
与现有技术相比，本发明所提出的核磁共振兼容型冷热疗系统的优点如下
1.该系统工作时可由医学影像技术(MRI)实时监控和引导，从而避免了不能动态观察、组织结构不清晰、分辨率不高，存在伪影、有放射性等不足，使整个治疗和使用过程中，病灶的位置、冰球的生长及消融情况、病灶的消除状况都能得到很好的实时监控。
2.该系统的热疗过程通过射频加热，与氦气在刀尖释放使肿瘤组织升温相比，射频能把肿瘤组织加热到更高的温度，温度越高，杀灭癌细胞所需时间就越短。进一步，由于射频的波长比较大，对组织的穿透力很强，因此，热量可以渗透到比较深的组织。
3.本发明采用的是一种介入微创治疗的方式，具有其独特之处，如创伤小、费用低、恢复快，无需住院，随治随走，纯绿色疗法，无毒副作用，无放射性(介入治疗是一种精确靶向摧毁的过程)。
4.本发明装有4 8支型号不同且能单独控制的热绝缘冷热刀，可以适合治疗不同大小，不同位置，不同时期的肿瘤。
图1为根据 本发明一实施例的核磁共振兼容型冷热疗系统示意图。
图2为根据本发明另一实施例的核磁共振兼容型冷热疗系统示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提出一种核磁共振兼容型冷热疗系统，该系统包括冷热疗系统冷疗模块、 热疗模块、多支能单独控制的热绝缘冷热刀5、控制模块和传感器，其中
所述冷热疗系统冷疗模块进一步包括进气通路和出气通路，所述进气通路依次包括装有冷源的钢瓶1、第一气压表2、第一阀门3，用于将冷源引导至所述热绝缘冷热刀5 的刀尖；其中，所述冷源为高压氩气或低温液体(比如液氮)；所述第一气压表2用于测量所述钢瓶I的压强；所述出气通路依次包括第三阀门7、加热器8、流量计9、第二气压表 10、泵11、第四阀门12、第三气压表13、废气瓶14，用于吸收冷疗过程中产生的废气；其中，所述加热器8用于对所述出气通路进行加热，以辅助调节所述出气通路中的压强；所述流量计9用于测量所述出气通路中冷源的流量，操作者可以通过流量计9的读数判断仪器是否正常工作；所述第二气压表10用于测量所述出气通路的压强，以提供给所述控制模块进行调节操作；所述泵11用于为冷源的流动提供动力；所述第三气压表13用于测量所述废气瓶14的压强；所述废气瓶14用于容置治疗过程中产生的废气；
所述热疗模块包括射频发生器16和置于所述热绝缘冷热刀5内部的射频热疗天线，其中，所述射频发生器16与所述控制模块和所述射频热疗天线相连；所述射频发生器 16用于产生射频波；所述射频热疗天线为由导电性材料制成的圆棒，所述射频热疗天线贯穿整个热绝缘冷热刀(比如沿所述热绝缘冷热刀5的中心轴)，所述射频热疗天线的末端由射频线连接到所述射频发生器16上，其顶端，也就是所述热绝缘冷热刀5的刀尖处，用于发射所述射频发生器16产生的射频波，以激发刀尖周围的病变组织(一般指人体癌变组织) 发生离子震荡摩擦产热；
所述热绝缘冷热刀5用于插入到病变组织中进行冷热治疗，每个热绝缘冷热刀5 的刀杆内部包括一根氩气管道(内径可选为O. 3 Imm)和一根所述射频热疗天线，氩气管道把高压氩气引至冷热刀刀头，每个热绝缘冷热刀5还设有一个进气口和出气口，其中，所述进气口连接所述冷热疗系统冷疗模块中的进气通路，以为冷疗过程提供冷源；所述出气口连接所述冷热疗系统冷疗模块中的出气通路，以排除冷疗过程中产生的废气，同时还通过所述控制模块调节所述出气口所连接的出气通路的压强，来间接控制所述热绝缘冷热刀 5的冷源的流量。所述热绝缘冷热刀5的数量通常为4 8支，直径通常设计为I 8_， 其中，所述热绝缘冷热刀5的直径和数量可根据具体使用情况而定。
在所述冷热疗系统中，所述热绝缘冷热刀5和与其相连的气体通路以及所述射频信号线处在核磁共振区，故这些部件需要用顺磁材料制成。
进一步地，所述热绝缘冷热刀5的刀杆上嵌有基于热补偿的主动式绝热段，以避免病变组织周围的正常组织被冷冻伤害。
进一步地，本发明可根据病变组织的具体种类、位置、大小以及所处的不同时期， 来选择不同的冷热疗方案以及不同型号的刀具，另外，为了防止冷源压强过大而损坏所述热绝缘冷热刀，可在所述热绝缘冷热刀的进气口和出气口处分别连接一个减压阀，如图1 和图2中所示的第一减压阀4和第二减压阀6。
所述传感器包括压强传感器(第二气压表10)和温度传感器，其中，所述第二气压表10安装在所述出气通路中，并与所述控制模块连接，用于采集所述出气通路的压强值， 而所述控制模块可以根据所述第二气压表10采集得到的气体压强值来调节所述出气通路的压强；所述温度传感器安装在所述热绝缘冷热刀5的刀尖，并与所述控制模块连接，用于实时采集所述热绝缘冷热刀5刀尖的温度，而所述控制模块可根据所述温度传感器传回的刀尖实时温度值，来调节所述冷热疗系统的工作；
所述控制模块至少包括一计算机15，所述计算机15与所述泵11和所述射频发生器16连接，用于根据事先设定的参数和所述传感器传回的信号来 调节所述泵11的流量和所述射频发生器16的发射功率。
在本发明一实施例中，该冷热疗系统采用氩气来进行制冷，如图1所示，在采用氩气来进行制冷的冷热疗系统中，所述钢瓶I中装有高压氩气；所述进气通路中，在所述第一阀门3之后还设有一低温液体(比如液氮)瓶17和一第二阀门18，用于对从所述钢瓶I出来的高压氩气进行预冷。
该系统工作时，冷疗过程是采用氩气的急速释放所产生的节流效应(氩气快速致冷技术)来降温的，借助氩气在刀尖内部的急速膨胀，可在30-60秒内冷冻至-100°C以下， 即冷冻速率为100-200°C /min。在冷疗过程中，所述热绝缘冷热刀刀尖周围的病变组织迅速被冷冻结冰，形成冰球，且随着冷疗过程的进行，冰球的体积不断增大；热疗过程是采用射频(RF)进行加热的，其中，射频频率为IOOkHz 100MHz，与微波不同，射频的波长更长， 因而穿透力更强，同时，这种射线具有加热和传感的双重功能，因此，与微波热疗相比，射频热疗方案使得人体组织中的热量渗透深度大，这是射频热疗方案最为显著的优点。
具体地，在该系统使用氩气快速致冷技术进行冷疗时，在核磁共振的引导下，将所述热绝缘冷热刀5插入到病变组织，比如肿瘤中，使刀尖位于所述病变组织的中心点上；所述控制模块控制打开第一阀门3、第二阀门18、第三阀门7、第四阀门12、加热器8和泵11， 从所述钢瓶I出来的高压氩气先通过低温液体瓶17进行预冷，然后经过一段传输管到达所述热绝缘冷热刀5的刀尖，所述高压氩气在刀头处由氩气管道末端喷入体积比较大的冷热刀内部的气体回流腔，此时氩气的压力迅速降至常压，发生降温类节流效应，使得刀尖的温度迅速下降，通常可在30-60秒内冷冻至-100°C以下，即冷冻速率为100-200°C /min ;同时，回流的氩气通过泵11抽回至废气瓶14中。其中，所述控制模块根据所述第二气压表10 采集的信号，通过调节泵11的流量和加热器8的加热时间来调节所述冷疗模块中的压强， 以间接控制所述冷疗模块中氩气的流量。在核磁共振的监控下，待冰球包围整个病变组织时，停止冷疗，此时所述控制模块控制关闭第一阀门3、第二阀门18、第三阀门7、第四阀门 12、加热器8和泵11。
该系统进行热疗时，所述控制模块控制打开所述射频发生器16，与所述射频发生器16连接的所述射频热疗天线发出高频射频波，从而激发所述热绝缘冷热刀周围的病变组织发生离子震荡产热，随着病变组织自身温度的不断上升，冰球渐渐融化，最终使得冰球全部 融化。在热疗过程中，可根据病变组织的种类和所处不同时期决定射频热疗所要加热到的最高温度点。一般认为多数恶性肿瘤细胞的致死温度临界点在42. 5 43°C，杀灭恶性肿瘤细胞的最低温度为42°C，并且要求加热持续时间需在半小时以上。
在本发明另一实施例中，该冷热疗系统采用低温液体(比如液氮)来进行制冷，以下以液氮为例来进行说明。如图2所示，本实施例与上一实施例的区别在于，上一实施例中，所述钢瓶I中装的是高压氩气，而在本实施例中，钢瓶I中装的是液氮；另外，本实施例还在所述钢瓶I中增加了一小功率加热器19，用于使少部分液氮变成气态，以增加钢瓶I内的压强，从而将液氮压入至所述热绝缘冷热刀中。
采用液氮来进行制冷的冷热疗系统工作时，冷疗过程是通过使低温液氮流过所述热绝缘冷热刀的刀尖来降温的(低温液氮致冷技术)，借助液氮的迅速气化，可在20-30秒内冷冻至_190°C以下，即冷冻速率为200-300°C /min ;与上一实施例相同，在冷疗过程中， 所述热绝缘冷热刀刀尖周围的病变组织迅速被冷冻结冰，形成冰球，且随着冷疗过程的进行，冰球的体积不断增大。在采用液氮来进行制冷的冷热疗系统中，热疗过程与上一实施例相同，也是采用射频(RF)进行加热的，其中，射频频率为IOOkHz IOOMHz。
具体地，在该系统采用低温液氮致冷技术进行冷疗时，在核磁共振的引导下，将所述热绝缘冷热刀5插入到病变组织，比如肿瘤中，使刀尖位于所述病变组织的中心点上；所述控制模块控制打开第一阀门3、第三阀门7、第四阀门12、加热器8、小功率加热器19和泵 11，所述小功率加热器19通过给所述钢瓶I中的液氮加热，使部分液氮气化，其中，所述控制模块可以通过控制所述小功率加热器19的加热时间，来使所述钢瓶I中维持一个合适的压强，以确保液氮能流到所述热绝缘冷热刀5的刀尖上；流到刀尖的液氮迅速气化，吸收大量的热量，使得刀尖的温度迅速下降，一般在20-30秒内可冷冻至_190°C以下。同时，由于回流物质中绝大部分为氮气，因此，可通过泵11将其抽回至废气瓶14。另外，所述控制模块根据所述第二气压表10采集得到的信号，通过调节泵11的流量和加热器8的加热时间来调节所述冷疗模块中的压强，以间接控制所述冷疗模块中液氮的流量。在核磁共振的监控下，待冰球包围整个病变组织时，停止冷疗，此时所述控制模块控制关闭第一阀门3、第三阀门7、第四阀门12、加热器8、小功率加热器19和泵11。
该系统进行热疗时，所述控制模块控制打开所述射频发生器16，接下来的射频热疗过程与上一实施例的射频热疗过程相同，在此不再赘述。
在本发明冷热疗系统的实际使用中，所述冷疗模块和热疗模块通过控制模块的协调交替工作，另外可根据病变组织的种类、位置、大小以及所处时期的不同，来确定不同的冷热疗方案，比如选择不同型号的热绝缘冷热刀、设置冷疗的降温速率和热疗的升温速率、 热疗所要达到的最高温度以及冷热疗交替的次数，而所述控制模块则根据所选择的不同的冷热疗方案来实施不同的冷热疗过程，其中，所述冷热疗交替的次数是根据病变组织种类和核磁共振监测到病变组织的状态变化来决定的。
本发明的上述核磁共振兼容型冷热疗系统，适合在核磁共振成像技术(MRI)的实时引导下工作，相对于传统的电子计算机X射线断层扫描技术(CT)而言，核磁共振成像技术的辐射剂量更低，对软组织的分辨率更高；相对于超声成像技术而言，核磁共振成像技术可以更精确地定位肿瘤组织，且可以实时高效的判断肿瘤的杀伤效果。
本发明中，通过磁场的调节可自由选择所需剖面，从而避免了不能动态观察、组织结构不清晰、分辨率不高，存在伪影、有放射性等不足，使在整个治疗过程中，对于病灶的位置、冰球的生长及消融情况、病灶的消除状况都能进行很好的实时监控。因此，本发明能够准确、迅速、干净地杀死肿瘤细胞，且对周围正常组织杀伤的区域比较小。
另外，由于本发明能够比较干净地杀死肿瘤细胞，因此大大降低了术后复发的概率。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之`内。
权利要求
1.一种核磁共振兼容型冷热疗系统,其特征在于,该系统包括冷疗模块，其进一步包括进气通路和出气通路，所述进气通路用于将冷源引导至所述热绝缘冷热刀(5)的刀尖，其依次包括装有冷源的钢瓶(I)、用于测量所述钢瓶(I)的压强的第一气压表(2)、第一阀门(3);所述出气通路用于吸收冷疗过程中产生的废气，其依次包括第三阀门(7)、用于对所述出气通路进行加热的加热器(8)、用于测量所述出气通路的压强的第二气压表(10)、用于为冷源的流动提供动力的泵(11)、第四阀门(12)、用于容置治疗过程中产生的废气的废气瓶(14)；热疗模块，其包括射频发生器(16)和射频热疗天线，所述射频发生器(16)与控制模块和所述射频热疗天线相连，用于产生射频波；所述射频热疗天线贯穿整个热绝缘冷热刀(5)，其末端通过射频信号线与所述射频发生器(16)连接，其置于所述热绝缘冷热刀(5)的刀尖处的顶端，用于发射所述射频发生器(16)产生的射频波；多支能单独控制的热绝缘冷热刀(5)，用于插入到病变组织中进行冷热治疗，每个热绝缘冷热刀(5)的刀杆内部均包括一氩气管道和一射频热疗天线，氩气管道把高压氩气引至冷热刀刀头，每个热绝缘冷热刀(5)还设有一个连接所述进气通路的进气口和连接所述出气通路的出气口，用于为冷疗过程提供冷源以及排除冷疗过程中产生的废气；温度传感器，安装在所述热绝缘冷热刀(5)的刀尖，并与所述控制模块连接，用于实时采集所述热绝缘冷热刀(5)刀尖的温度；控制模块，至少包括一与所述泵(11)和所述射频发生器(16)连接的计算机(15)，用于根据事先设定的参数和所述温度传感器和第二气压表(10)传回的信号来调节所述泵(11) 的流量和所述射频发生器(16)的发射功率。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述冷源为高压氩气或低温液体。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述废气瓶(14)还连接有一第三气压表(13)，用于测量所述废气瓶(14)的压强。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述出气通路中还设有一流量计(9)，用于测量所述出气通路中冷源的流量。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述射频热疗天线为由导电性材料制成的圆棒。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述热绝缘冷热刀(5)和与其相连的气体通路以及所述射频信号线用顺磁材料制成。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述热绝缘冷热刀(5)的刀杆上嵌有基于热补偿的主动式绝热段，以避免病变组织周围的正常组织被冷冻伤害。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述热绝缘冷热刀(5)的进气口和出气口处分别连接一个减压阀，以防止冷源压强过大而损坏所述热绝缘冷热刀。
9.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，当所述冷源为高压氩气时，在所述第一阀门(3)之后还设有一低温液体瓶(17)和一第二阀门(18)，用于对从所述钢瓶(I)出来的高压氩气进行预冷。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，当所述冷源为高压氩气时，在核磁共振的引导下，将所述热绝缘冷热刀(5)插入到病变组织中，使刀尖位于所述病变组织的中心点上；所述控制模块控制打开第一阀门(3)、第二阀门(18)、第三阀门(7)、第四阀门(12)、加热器⑶和泵(11)，从所述钢瓶⑴出来的高压氩气先通过低温液体瓶(17)进行预冷， 然后经过一段传输管到达所述热绝缘冷热刀(5)的刀尖，所述高压氩气在刀头处由氩气管道末端喷入体积比较大的冷热刀内部的气体回流腔，此时氩气的压力迅速降至常压，发生降温类节流效应，使得刀尖的温度迅速下降；同时，回流的氩气通过泵(11)抽回至废气瓶(14)中；其中，所述控制模块根据所述第二气压表(10)采集的信号，通过调节泵(11)的流量和加热器(8)的加热时间来调节所述冷疗模块中的压强，以间接控制所述冷疗模块中氩气的流量；在核磁共振的监控下，待冰球包围整个病变组织时，停止冷疗，此时所述控制模块控制关闭第一阀门(3)、第二阀门(18)、第三阀门(7)、第四阀门(12)、加热器⑶和泵(11)。
11.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，当所述冷源为低温液体时，所述钢瓶(I) 中还设有一小功率加热器(19)，用于使少部分液氮变成气态，以增加钢瓶(I)内的压强，从而将液氮压入至所述热绝缘冷热刀中。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，当所述冷源为低温液体时，在核磁共振的引导下，将所述热绝缘冷热刀(5)插入到病变组织中，使刀尖位于所述病变组织的中心点上；所述控制模块控制打开第一阀门(3)、第三阀门(7)、第四阀门(12)、加热器(8)、小功率加热器(19)和泵(11)，其中，所述控制模块通过控制所述小功率加热器(19)的加热时间，来使所述钢瓶(I)中维持一个合适的压强，以确保液氮能流到所述热绝缘冷热刀(5)的刀尖上；流到刀尖的液氮迅速气化，吸收大量的热量，使得刀尖的温度迅速下降；同时，治疗过程中产生的废气通过泵(11)抽回至废气瓶(14)中；其中，所述控制模块根据所述第二气压表(10)采集的信号，通过调节泵(11)的流量和加热器(8)的加热时间来调节所述冷疗模块中的压强，以间接控制所述冷疗模块中液氮的流量；在核磁共振的监控下，待冰球包围整个病变组织时，停止冷疗，此时所述控制模块控制关闭第一阀门(3)、第三阀门(7)、第四阀门(12)、加热器(8)、小功率加热器(19)和泵(11)。
13.根据权利要求9或11所述的系统，其特征在于，该系统进行热疗时，所述控制模块控制打开所述射频发生器(16)，与所述射频发生器(16)连接的所述射频热疗天线发出高频射频波，从而激发所述热绝缘冷热刀周围的病变组织发生离子震荡产热，随着病变组织自身温度的不断上升，冰球渐渐融化，最终使得冰球全部融化。
全文摘要
本发明公开了一种核磁共振兼容型冷热疗系统，该系统包括冷疗模块、热疗模块、热绝缘冷热刀、温度传感器和控制模块，其中所述冷疗模块和热疗模块通过控制模块的协调交替工作，所述控制模块采集冷疗过程中病灶处的温度和回路中气体压强，并控制回路中气体或液体的流量，所述控制模块采集热疗过程中病灶处的温度，控制加热功率。通过本发明的核磁共振冷热疗系统能够实时监控冰球的生长及消融情况从而能够准确快速地杀死肿瘤细胞。
文档编号A61B18/02GK103027742SQ20121059051
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月31日 优先权日2012年12月31日
发明者赵刚, 朱凯旋, 高大勇, 邱本胜, 许云鹏, 沈凌霄, 汪涛 申请人:中国科学技术大学