脉冲响应式动态阻抗测量和调控装置、方法及存储介质

1.本发明涉及消融设备技术领域，特别是涉及一种脉冲响应式动态阻抗测量和调控装置、方法及存储介质。


背景技术：

2.高压短脉冲电场消融是近年来出现的新型物理治疗技术，该技术通过产生一种脉宽为微秒、纳秒的高压脉冲电场，在短时间内释放极高的能量，其能使得细胞膜甚至细胞内的细胞器，如内质膜、线粒体、细胞核等会产生大量的不可逆的微孔，进而造成病变细胞的凋亡，从而达到预期的治疗目的。基于不可逆电穿孔理论，脉冲电场技术目前已被用于治疗肿瘤及心律失常等疾病。
3.消融效果的实时可视化评估是有效治疗的重要保证，然而目前在治疗过程中脉冲电场参数对肿瘤消融的影响，仍然停留在依赖经验预估的阶段，高压脉冲电场消融效果的实施评估以及治疗参数的动态调控是目前临床治疗中仍未有效解决的问题。
4.不可逆电穿孔诱导细胞死亡需要一定的时间过程，常规影像技术对组织功能状态的评估具有时间滞后性，无法满足实时疗效评估的需求。
5.综上所述，如何评估消融效果是目前有待解决的问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种脉冲响应式动态阻抗测量和调控装置、方法及存储介质，以解决现有技术中无响应的设置及方法能够实时疗效评估的需求的问题。
7.为解决上述技术问题，本发明提供一种脉冲响应式动态阻抗测量和调控装置，包括：脉冲生成单元、控制单元、采集模块；
8.所述控制单元将包括工作参数的控制信号发送至所述脉冲生成单元；
9.所述脉冲生成单元生成低压脉冲，所述低压脉冲施加在负载两端；
10.所述采集模块同步测量负载两端的电压和电流，并对电压和电流进行检测，同时将模拟信号转换成数字信号；
11.所述控制单元将采集到的数字信号进行存储和传输，并根据所电压和电流得到阻抗值。
12.进一步地，还包括接口单元，所述接口单元设置脉冲生成单元的工作参数。
13.进一步地，所述接口单元还用于将阻抗值反馈给高压脉冲消融设备，以实现对高压脉冲消融结果的反馈。
14.进一步地，所述脉冲生成单元包括直流充电电源模块和脉冲成型拓扑模块；
15.所述脉冲成型拓扑网络由半桥结构构成。
16.进一步地，所述控制单元包括嵌入式控制单元和逻辑控制单元；
17.所述嵌入式控制单元包括微处理器，所述逻辑控制单元包括可编辑逻辑器件；所述控制单元采用了“stm32+fpga”双核心结构。
18.进一步地，还包括系统供电单元，包括220v转5v、12v、24v开关电源模块；
19.所述采集模块包括电压采集单元和电流采集单元和双路高速a/d模块，电压采集单元包括分压单元、信号调理单元和数据测量单元；通过电阻分压使输出电压值为0-5v供双路高速a/d模块采集，输出电流通过电流传感器转换为电压信号供高速a/d模块采集；电流采集模块为电流传感器，电流传感器的型号为hcs-lsp-6a，工作电压为5v，测量电流最大-6a至+6a，输出电压为2.5v-2v至2.5v+2v；
20.所述双路高速a/d模块采用的采集芯片型号为ad9226，精度为12位，最高采样率为65mps。
21.本发明还提供了一种脉冲响应式动态阻抗测量和调控方法，包括：
22.控制单元将包括工作参数的控制信号发送至脉冲生成单元；
23.脉冲生成单元生成低压脉冲，低压脉冲施加在负载两端；
24.采集模块同步测量负载两端的电压和电流，并对电压和电流进行检测，同时将模拟信号转换成数字信号；
25.控制单元将采集到的数字信号进行存储和传输，并根据所电压和电流得到阻抗值。
26.进一步地，接口单元设置脉冲生成单元的工作参数；脉冲生成单元可产生幅值、脉宽、频率、个数等参数都灵活可调的低压测量方波脉冲，其脉冲电压幅值10-100v可调，脉冲宽度5-100μs可调，同时脉冲前沿和后沿都低于50ns，可匹配不同组织消融的阻抗测量对测量脉冲参数的要求。
27.进一步地，接口单元将阻抗值反馈给高压脉冲消融设备，以实现对高压脉冲消融结果的反馈。
28.本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的一种脉冲响应式动态阻抗测量和调控方法的步骤。
29.本发明所提供的脉冲响应式动态阻抗测量装置和方法，通过施加实时测量的电压脉冲到消融组织，根据消融组织两端的电压和电流计算出消融组织的实时阻抗变化，从而实现对目标区域消融效果的实时评估。同时装置可通过接口单元联合高压脉冲消融设备使用，实现对高压脉冲参数的反馈调节，能够在更短的时间内得到更加优化的消融效果。
附图说明
30.为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1为本发明的一种脉冲响应式动态阻抗测量装置的框架图。
具体实施方式
32.本发明的核心是提供一种脉冲响应式动态阻抗测量和调控装置、方法及存储介质，有效解决现有技术中无响应的设置及方法能够实时疗效评估的需求的问题。
33.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.本发明发现通过测量消融组织的电阻或阻抗谱变化，但在实际的使用中，设备大都不具备阻抗实时测量的功能，特别是采用高压脉冲施压过程中，通过测量高压脉冲作用前和作用后组织阻抗的变化。虽然可将高压脉冲发生电路和低压测量脉冲电路整合在一套系统里，通过控制开关或继电器来切换高压脉冲治疗输出和低压脉冲阻抗测量功能，但该方法增加了系统结构和控制的复杂度。
35.请参考图1，本发明提供一种脉冲响应式动态阻抗测量和调控装置，包括：脉冲生成单元、控制单元、采集模块；
36.所述控制单元将包括工作参数的控制信号发送至所述脉冲生成单元；
37.所述脉冲生成单元生成低压脉冲，所述低压脉冲施加在负载两端；
38.所述采集模块同步测量负载两端的电压和电流，并对电压和电流进行检测，同时将模拟信号转换成数字信号；
39.所述控制单元将采集到的数字信号进行存储和传输，并根据所电压和电流得到阻抗值。
40.负载可以是消融组织，即测量消融组织两端的电压和电流，并根据电压和电流得到阻抗值。通过测量脉冲电压和电流得到阻抗值，为脉冲电场作用下个体化脉冲消融的预测与实时检测奠定基础。
41.优选地，该装置还包括接口单元，所述接口单元设置脉冲生成单元的工作参数。
42.所述接口单元还用于将阻抗值反馈给高压脉冲消融设备，以实现对高压脉冲消融结果的反馈。
43.具体的，接口单元包括脉冲输出接口、按键与开关接口、串口和外部触发接口。
44.按键与开口接口与用户操作的按键与开关数据通信，用于用户设置脉冲生成单元的工作参数。
45.脉冲输出接口用来与上位机或高压脉冲治疗装置进行数据通信的数据通信接口。串口和外部触发接口用于当装置工作出现故障时的声光报警指示。
46.脉冲生成单元包括直流充电电源模块和脉冲成型拓扑模块；脉冲成型拓扑网络由半桥结构构成。脉冲生成单元可产生幅值、脉宽、频率、个数等参数都灵活可调的低压测量方波脉冲，其脉冲电压幅值10-100v可调，脉冲宽度5-100μs可调，同时脉冲前沿和后沿都低于50ns，可匹配不同组织消融的阻抗测量对测量脉冲参数的要求。
47.由于电极和生物组织之间的界面(电极-电解质界面)阻抗，而对电穿孔现象最敏感的低频信号可能会因为界面阻抗的干扰导致测量结果失真。因此要求低压测量信号的幅值电压要足够大，使电化学反应被迫在电极的界面，改变电极的行为从容性到阻性，从而可以忽略界面阻抗的影响，但同时测量脉冲电压幅值又要足够低，以避免在组织出现电穿孔效应带来阻抗测量中的误差，低压测量信号的电压场强一般不超过100v/cm。因此本发明选用的电源模块的输出电压0-100v可调，可通过模拟调制接口0-5v电压调节输出电压。
48.为实现脉冲前沿低于50ns，脉冲后沿低于100ns，选择的开关管为cree公司碳化硅
材料的功率mosfet，型号为c2m0080120，其上升沿时间可达13.6ns，下降沿时间可达18.4ns，工作电压最大为1200v，能承受的最大脉冲电流为80a，均能很好的满足设计要求。储能电容选用epcos的薄膜电容，并且采用多个快恢复二极管串联来阻值高压脉冲对该实时检测脉冲系统的冲击。首先采用电源模块对储能电容进行充电，再通过同步控制模块，在高压脉冲施加之前和施加之后分别输出一个纳秒级的快脉冲到电极针上，根据肿瘤组织上的电压和回路电流信息，可以得到此时该肿瘤组织的阻抗信息，结合该组织的具体介电特性，判断消融效果，以此调节施加的高压脉冲宽度和电极针的深浅等位置信息，从而实现肿瘤消融过冲的实时优化。
49.控制单元包括嵌入式控制单元和逻辑控制单元。
50.嵌入式控制单元包括微处理器，所述逻辑控制单元包括可编辑逻辑器件；所述控制单元采用了“stm32+fpga”双核心结构。可满足课题测试测量及控制的需求。“arm”核心采用coretex-m4内核的stm32f407igt6，其不但具有168mhz主频、fpu浮点单元、dsp指令集等高性能特性，而且具有多外设、多接口及多i/o特性。“arm”核心作为cpu角色，负责功能实现、事件处理及接口等功能。“fpga”核心采用altera cyclone系列第四代产品ep4ce10f17c8n，具有功耗低、性能强、资源多、使用方便等优点。“fpga”核心作为“逻辑器件”角色，负责并行处理、实时性处理及逻辑管理等功能。
51.本装置还包括系统供电单元，包括220v转5v、12v、24v开关电源模块；
52.所述采集模块包括电压采集单元和电流采集单元和双路高速a/d模块，电压采集单元包括分压单元、信号调理单元和数据测量单元；通过电阻分压使输出电压值为0-5v供ad模块采集，输出电流通过电流传感器转换为电压信号供高速a/d模块采集。电流采集模块为电流传感器，电流传感器的型号为hcs-lsp-6a，工作电压为5v，测量电流最大-6a至+6a，输出电压为2.5v-2v至2.5v+2v。
53.双路高速a/d模块采用的采集芯片型号为ad9226，精度为12位，最高采样率为65mps。
54.本装置采用模块化的结构，可通过电极施加实时测量的电压脉冲到消融组织，根据消融组织两端的电压和电流计算出实际阻抗，实现对目标区域消融效果的实时评估。同时模块还可通过外部通讯接口和同步触发接口联合高压脉冲消融设备使用，将测到的实时电压、电流及阻抗值反馈给高压脉冲消融设备，实现对高压脉冲参数和电极针的位置信息的反馈调节，从而在更短的时间内得到更加均匀的消融效果。
55.本装置采用碳化硅开关管设计的脉冲测量系统，可产生幅值、脉宽、频率、个数等参数都灵活可调的方波脉冲，同时脉冲前沿和后沿都低于50ns，可匹配不同组织消融的阻抗测量对测量脉冲参数的要求。
56.本装置采用高跟随精度、快速响应时间的电流传感器和高精度、高速a/d采集芯片，采用双控制器的核心控制架构，实现电压和电流数据的同步采集和传输，采样时间和采集数据深度可通过软件设置，结合数据处理算法提高数据的稳定性和准确性。
57.本发明还提供了一种脉冲响应式动态阻抗测量和调控方法，包括：
58.控制单元将包括工作参数的控制信号发送至脉冲生成单元；
59.脉冲生成单元生成低压脉冲，低压脉冲施加在负载两端；
60.采集模块同步测量负载两端的电压和电流，并对电压和电流进行检测，同时将模
拟信号转换成数字信号；
61.控制单元将采集到的数字信号进行存储和传输，并根据所电压和电流得到阻抗值。
62.进一步地，接口单元设置脉冲生成单元的工作参数。
63.进一步地，接口单元将阻抗值反馈给高压脉冲消融设备，以实现对高压脉冲消融结果的反馈。
64.接口单元在进行数据收发之前还包括开始和系统初始化。之后接口单元接收命令，解析命令得到脉冲生成单元的工作参数；
65.之后控制单元将包括工作参数的控制信号发送至脉冲生成单元；
66.脉冲生成单元根据设定的低压测量脉冲的工作参数输出低压脉冲；脉冲生成单元可产生幅值、脉宽、频率、个数等参数都灵活可调的低压测量方波脉冲，其脉冲电压幅值10-100v可调，脉冲宽度5-100μs可调，同时脉冲前沿和后沿都低于50ns，可匹配不同组织消融的阻抗测量对测量脉冲参数的要求。
67.采集模块同步测量或采集负载两端的电压和电流；采集模块将电压和电流的采集数据转换成数字信号，存储在控制单元中；
68.控制单元根据电压和电流值，计算负载的阻抗值，反馈给高压脉冲消融设备，以实现对高压脉冲消融结果的反馈。
69.本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的一种脉冲响应式动态阻抗测量和调控方法的步骤。
70.本发明所提供的方法，通过施加实时测量的电压脉冲到消融组织，根据消融组织两端的电压和电流计算出实际阻抗，实现对目标区域消融效果的实时评估。同时装置可通过接口单元联合高压脉冲消融设备使用，实现对高压脉冲参数的反馈调节，从而在更短的时间内得到更加均匀的消融效果。
71.本发明具体实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述一种脉冲响应式动态阻抗测量和调控方法的步骤。
72.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
73.专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
74.结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存
储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
75.以上对本发明所提供的脉冲响应式动态阻抗测量和调控装置方法以及计算机可读存储介质进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。