一种基于生物阻抗的蒸汽消融实时疗效评估方法

1.本发明涉及肿瘤消融治疗技术领域，尤其是一种基于生物阻抗的蒸汽消融实时疗效评估方法。


背景技术：

2.肿瘤蒸汽消融是指将高温蒸汽通入肿瘤组织，利用蒸汽的高温使肿瘤细胞失活的热消融疗法。传统的热消融术包括射频消融，微波消融，激光消融。但是，上述的热消融术都存在消融中心区域组织碳化的问题，碳化组织会引起病人术后全身炎症反应以及高烧等不良反应，并且会在拔针过程中对周边组织形成挤压导致出血。而蒸汽消融的消融中心区域不会超过130℃，可以避免传统的热消融造成的碳化问题。
3.目前临床上主要把温度作为肿瘤细胞灭活的判定因子，把热敏元件插入患者体内测量消融部位的温度，当温度达到60℃时认定组织细胞已经坏死。但该方法只能测量探头局部的温度，不能反映消融区域的整体温度，因此不能反映消融区域组织整体灭活情况。寻找更为准确的评估因子实现疗效实时评估成为精准消融的关键。
4.生物电阻抗技术是利用生物组织与器官的电特性及其变化规律提取与人体生理、病理状况相关的生理信息的检测技术。从微观上讲，细胞由细胞膜和细胞内液组成，而细胞间充满着细胞外液。钾离子、钠离子和蛋白质等构成的电解液是细胞内液和细胞外液的主要成分，因此可以等效为电阻成分；细胞膜由磷脂双分子层和蛋白质构成，可以等效为电容成分。由此，细胞内液、细胞膜和细胞外液构成了三元件生物阻抗模型。从宏观上讲，生物组织由大量细胞构成，测量人体组织的生物阻抗能反映电极间生物组织的生理情况。
5.在蒸汽消融的过程中，随着温度的升高细胞膜破裂，细胞内液从细胞中逸出；随着消融的继续进行，蒸汽气流会撕裂消融中心区域组织形成空腔，对人体造成危害，此时应停止蒸汽消融。蒸汽消融过程生物阻抗的变化和生物组织的凝固和撕裂存在显著关联。
6.目前市场上不乏高测量精度和宽测量范围的阻抗测量仪器，但是价格昂贵，体积庞大，缺乏上位机接口，不能集成到已有的仪器内，无法对阻抗数据进行后续处理。


技术实现要素：

7.本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于生物阻抗的蒸汽消融实时疗效评估方法，能够反映两片铜箔电极间一片区域的消融效果，对评判肿瘤蒸汽消融的实时疗效具有重大意义。
8.为解决上述技术问题，本发明提供一种基于生物阻抗的蒸汽消融实时疗效评估方法，包括如下步骤：
9.(1)搭建应用于蒸汽消融实时疗效评估的生物阻抗采集装置；
10.(2)获得消融过程中生物阻抗实时变化数据；
11.(3)根据生物阻抗的变化评估蒸汽消融的实时疗效。
12.优选的，步骤(1)中，生物阻抗采集装置包括铜箔电极、阻抗测量电路和arm微控制
器；铜箔电极通过导线连接阻抗测量电路，arm微控制器控制阻抗测量电路进行阻抗测量并计算得到阻抗值，arm微控制器通过通信模块将阻抗发送至上位机进行显示。
13.优选的，铜箔电极附着在蒸汽消融针表面；其中一个铜箔电极附着在蒸汽消融针前端开孔后端5mm处，另一个铜箔电极附着在前端开孔后端15mm处，两者间距10mm；两个铜箔电极分别通过导线连接到生物阻抗测量电路板上。
14.优选的，阻抗测量电路包含激励信号发生电路，响应电压测量电路，响应电流转换电路和adc驱动电路；激励信号发生电路采用直接数字合成器ad9833发出正弦激励信号，并通过高通滤波器去除直流成分，再经过精密运算放大器ad8638组成的低通滤波器滤除高频成分并提升负载驱动能力；响应电压测量电路采用程控增益放大器ad8251测量待测组织两端的电压差；响应电流转换电路采用精密运算放大器ad8638，模拟开关adg659和程控增益放大器ad8251，将响应电流转换为可供模数转换器(adc)测量的电压量，同时可以在较大范围内调节增益；电平抬升电路采用低噪声放大器opa365，将电压调整至adc的测量范围内并进行抗混叠滤波。
15.优选的，arm微控制器选用stm32h743vit6，主频为480mhz，内含双精度浮点运算单元(fpu)可以加速fft运算；arm微控制器采用串行外设接口spi与ad9833进行通信，控制ad9833发出指定频率的正弦激励信号；arm微控制器控制程控增益放大器ad8251和模拟开关adg659，改变响应电压测量电路和响应电流转换电路的信号放大倍数以便adc采样。
16.优选的，通信模块选用ch340c usb转串口芯片，波特率设置为115200bps。
17.优选的，步骤(2)中，铜箔电极附着在蒸汽消融针表面，随着蒸汽消融针送入离体生物组织内部；两个铜箔电极分别通过导线连接到生物阻抗测量电路板上；蒸汽消融开始时，打开蒸汽发生器同时启动阻抗测量；arm微控制器计算阻抗并发送至上位机以供阻抗信息读取和存储；阻抗计算具体为：
18.设待测阻抗响应电压为u
x
，程控增益放大器u3的增益为a1，则响应电压测量电路的输出电压u
o1
为：
19.u
o1
＝a1u
x
20.设待测阻抗响应电流为i
x
，接入运放u4的反馈回路的电阻为r
tia
，程控增益放大器u6的增益为a2，则响应电流转换电路的输出电压u
o2
为：
21.u
o2
＝i
xrtia
a222.adc分别测量电压u
o1
和u
o2
，采用下式可以计算待测阻抗z
x
：
[0023][0024]
adc的测量结果经过微控制器的fft运算后，得到实部r和虚部i，以响应电压为例，响应电压的幅值和相位分别为：
[0025][0026][0027]
同理可得响应电流的幅值和相位，由此可得阻抗的幅值和相位：
[0028]
[0029]
θ
x
＝θ
u-θi。
[0030]
优选的，步骤(3)中，随着蒸汽消融的进行，由于温度逐渐升高细胞膜破裂，细胞内液从细胞中逸出，消融部位的阻抗逐渐降低至约400ω；到一定时刻，蒸汽气流撕裂生物组织形成空腔，电极不再接触生物组织，可认为负载阻抗开路，阻抗显著上升；阻抗上升到一定阈值后，认为空腔过大并切断蒸汽输出，保护其他组织不受伤害。
[0031]
本发明的有益效果为：(1)本发明通过测量生物阻抗间接反映消融部位阻值的凝固和撕裂情况，相比单点温度测量，生物阻抗能够反映两片铜箔电极间一片区域的消融效果；(2)本发明采用若干分立元件实现阻抗测量，容易将阻抗测量功能集成至已有仪器的主控板；(3)本发明对评判肿瘤蒸汽消融的实时疗效具有重大意义。
附图说明
[0032]
图1为本发明的方法流程示意图。
[0033]
图2为本发明的采集装置结构示意图。
[0034]
图3为本发明的带有铜箔电极的蒸汽消融针结构示意图。
[0035]
图4为本发明的激励信号发生电路原理图。
[0036]
图5为本发明的响应电压测量电路原理图。
[0037]
图6为本发明的响应电流转换电路原理图。
[0038]
图7为本发明的adc驱动电路原理图。
[0039]
图8为本发明的某一组蒸汽消融实验中生物阻抗ω与时间t数据实时变化示意图。
[0040]
图9为本发明的某一组离体猪肝蒸汽消融效果图。
具体实施方式
[0041]
如图1所示，一种基于生物阻抗的蒸汽消融实时疗效评估方法，包括如下步骤：
[0042]
s1、搭建应用于蒸汽消融实时疗效评估的生物阻抗采集装置；
[0043]
s2、获得消融过程中生物阻抗实时变化数据；
[0044]
s3、根据生物阻抗的变化评估蒸汽消融的实时疗效。
[0045]
如图2所示，为生物阻抗采集装置的结构示意图。其中1为蒸汽消融针，2为生物阻抗采集板，3为上位机，4为蒸汽发生器，5为离体猪肝；蒸汽消融针带有铜箔电极，铜箔电极通过导线连接到生物阻抗采集板。
[0046]
如图3所示，为带有铜箔电极的蒸汽消融针示意图。所述铜箔电极6附着在蒸汽消融针表面，分别位于蒸汽出口7后端5mm和15mm，两者通过导线8连接到生物阻抗测量电路板上；铜箔电极随着蒸汽消融针插入离体生物组织内部，测量消融部位的阻抗。
[0047]
如图4所示，为激励信号发生电路原理图。其中u1是直接数字合成器ad9833，微控制器控制u1发生指定的正弦激励电压，经过电容c1和电阻r1组成的高通滤波器去除直流成分；u2是精密运放ad8638，与电容c2和电阻r2组成一阶低通滤波器，滤除直接数字合成器台阶输出引起的高频分量。电阻r3是限流电阻，防止电极短接或者待测阻抗过小时导致响应电流转换电路的输出电压饱和。激励电压通过电极f+接到待测生物组织上。
[0048]
如图5所示，为响应电压测量电路原理图。其中u3是程控增益放大器ad8251。ad8251是仪表放大器结构，对正负输入端的电压差进行放大，放大倍数可由微控制器控制，
放大倍数在1、2、4、8倍中选择。当正负输入端的电压差过小时，微控制器增大放大倍数，使输出电压尽可能覆盖adc量程。
[0049]
如图6所示，为响应电流转换电路原理图。其中u4是精密运放ad8638，u5是模拟开关adg659，u6是程控增益放大器ad8251。微控制器控制模拟开关u5的导通通道，将电阻r5、r6、r7、r8分别接入运放u4的反馈回路和程控增益放大器u6的负输入端，得到1倍、10倍、100倍、1000倍的电流放大倍数；程控增益放大器u6的正负输入端分别接在电极f-和u5的db引脚，u6的高输入阻抗消除了模拟开关导通电阻对放大倍数的影响，并且信号进行1、2、4、8倍的放大。
[0050]
如图7所示，为adc驱动电路原理图。u4是低噪声放大器opa365，u4和电阻r10、r11、r12、r13构成电平抬升电路，将静默电压由0v抬升至1.65v，使输出电压范围覆盖adc量程。电容c15和电阻r14构成低通滤波电路，对输出电压进行抗混叠滤波。
[0051]
下面介绍阻抗计算方法：
[0052]
设待测阻抗响应电压为u
x
，程控增益放大器u3的增益为a1，则响应电压测量电路的输出电压u
o1
为：
[0053]uo1
＝a1u
x
[0054]
设待测阻抗响应电流为i
x
，接入运放u4的反馈回路的电阻为r
tia
，程控增益放大器u6的增益为a2，则响应电流转换电路的输出电压u
o2
为：
[0055]uo2
＝i
xrtia
a2[0056]
adc分别测量电压u
o1
和u
o2
，采用下式可以计算待测阻抗z
x
：
[0057][0058]
adc的测量结果经过微控制器的fft运算后，得到实部r和虚部i，以响应电压为例，响应电压的幅值和相位分别为：
[0059][0060][0061]
同理可得响应电流的幅值和相位。由此可得阻抗的幅值和相位：
[0062][0063]
θ
x
＝θ
u-θi[0064]
下面介绍蒸汽消融疗效评估试验：
[0065]
在实验前，将贴有铜箔电极的蒸汽消融针插入离体猪肝8cm，以确保整个消融区在肝实质内；当蒸汽发生器炉内压力达到0.4mpa时打开出气阀门开始蒸汽消融，同时启动生物阻抗采集系统。
[0066]
如图8所示，是本发明实施例的一种基于生物阻抗的蒸汽消融实时疗效评估方法中某一组消融实验生物阻抗ω与时间t数据实时变化。该组实验蒸汽消融从45s处开始。观察图像，发现随着消融时间的增加，消融部位的阻抗先逐渐由约800ω降低至约400ω，随后在120s处开始上升，在250s时达到10kω左右。为了避免消融中心的空腔过大，在250s时切断蒸汽，停止消融和阻抗测量。消融结束后，取下蒸汽消融针，并沿蒸汽消融针插入的方向
切开肝组织，测量消融部位长径约6cm，短径约3cm，在消融中心区域出现了直径约1cm的空腔区域。图9是蒸汽消融效果图。