便携式微波消融控制系统及微波消融仪

技术领域

本发明涉及微波消融技术，尤其涉及一种便携式微波消融控制系统及微波消融仪。

背景技术

传统的微波消融仪为推车式装置，具有体积庞大、价格昂贵和操作繁琐等缺点，同时还存在以下问题：(1)调查显示很多操作人员在使用仪器过程中，并不喜欢在屏幕上进行触摸、频繁操作，操作界面过于复杂，提高了操作人员的操作难度；(2)功能界面单一；(3)有些操作人员在使用时不清楚对消融区域需要哪种模式以及多大的功率和时间，需要专门系统学习，进一步提高了操作难度。

发明内容

发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种操作简单、功能齐全的便携式微波消融控制系统及微波消融仪。

技术方案：本发明所述的便携式微波消融控制系统，包括：

第一按键，用于每按压一次向主控板发送一次消融区短径增加指令；

第二按键，用于每按压一次向主控板发送一次消融区短径减少指令；

第三按键，用于在按压时向主控板发送自适应调节指令；

第四按键，用于在按压时向主控板发送消融开始/复位指令；

主控板，用于当接收到消融区短径增加指令时将消融区短径增加一个预设步长，当接收到消融区短径减少指令时将此时的消融区短径减少一个预设步长，当超过预设时间未接收到消融区短径减少指令或消融区短径增加指令后，将此时的消融区短径作为最终的消融区短径，当接收到自适应调节指令时，按照预设时间内接收到的指令次数判断消融模式，并从内部存储的消融计划表中查找到当前消融区短径对应的消融计划，并按照查找到的消融计划设置微波消融仪的参数，当接收到消融开始/复位指令时，对微波消融仪进行开始/复位；所述消融计划表记录消融区短径与包括消融时间和消融功率的消融计划的对应关系；

显示模块，用于在主控板控制下，对相关数据和信息进行显示。

进一步的，所述消融计划表通过以下方法得到：

分别在连续消融模式和脉冲消融模式下进行微波消融仪消融仿真，得到消融时间和消融功率为不同值时消融区短径值和消融区长径值；

对连续消融模式和脉冲消融模式下，消融时间和消融功率为不同值时消融区短径值和消融区长径值的数据，分别进行关系式拟合，得到连续消融模式和脉冲消融模式下，消融区短径、消融区长径分别与消融时间和消融功率的消融关系式；

将0与可消融的最大消融区短径之间的范围划分为若干区间，根据每个区间的最大消融区短径按照通用轴比计算得到对应消融区长径，再根据消融区短径、消融区长径分别与消融时间和消融功率的消融关系式，计算得到每个区间的最大消融区短径对应的消融时间和消融功率，作为每个区间的消融计划，将所有区间的消融计划汇总，得到消融计划表。

进一步的，所述主控板在接收到自适应调节指令时，获取预设时间段内接收到的自适应调节指令次数，若为奇数，则判定消融模式为连续消融模式，若为偶数，则判定消融模式为脉冲消融模式。

进一步的，所述主控板接收到消融开始/复位指令时，获取预设时间段内接收到的消融开始/复位指令次数，若为奇数，则微波消融仪消融开始，若为偶数，则微波消融仪消融复位。

进一步的，所述显示模块用于实时显示所有按键设置的参数值、温度变化曲线和微波消融仪工作状态。选用小型嵌入式GUI界面STemwin。

进一步的，所述主控板具体包括相连接的ARM微控制器和随机存取内存芯片。

进一步的，所述主控板还用于执行测温任务，当采集到的微波消融仪温度信号超过预设温度阈值时，停止微波消融仪的运行并发出超温报警信号；所述主控板还用于执行计时任务，当设置的时间计时快结束时，发出计时结束报警信号。

本发明所述的便携式微波消融仪，通过上述控制系统进行控制，还包括消融针、测温针、微波源和蠕动泵，所述消融针、测温针、微波源和蠕动泵分别连接至所述主控板。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：

(1)本发明为仅需操作四个按键便可实现整个消融过程，极大的简化了操作流程，无需频繁操作各种参数设置；

(2)本发明功能齐全，可设置多个参量，可显示多个参数；

(3)本发明主控板采用ARM微控制器和随机存取内存芯片，显示模块采用小型嵌入式GUI界面STemwin，实现了小型化、成本低和可视性强的场景需求；

(4)本发明将消融计划融入到系统中，可以自适应调节消融时间、功率和模式，消除了操作人员实施消融方案的盲区，使得操作人员上手简单、操作流程简单，同时提高了微波消融治疗的准确性和效率。

附图说明

图1为本发明提供的便携式微波消融控制系统的模块示意图；

图2和图3为本发明使用的ARM微控制器的原理图；

图4为本发明使用的随机存取内存芯片原理图；

图5为本发明的显示模块的显示界面示意图；

图6为本发明连续消融模式下的长短径与功率、时间的3D关系图，其中，(a)为短径，(b)为长径；

图7为本发明脉冲消融模式下的长短径与功率、时间的3D关系图，其中，(a)为短径，(b)为长径；

图8为本发明提供的便携式微波消融仪的结构连接示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提供了一种便携式微波消融控制系统，如图1所示，包括第一按键、第二按键、第三按键、第四按键、主控板和显示模块。下面对各模块分别进行介绍。

第一按键用于每按压一次向主控板发送一次消融区短径增加指令，当主控板接收到消融区短径增加指令时将消融区短径增加一个预设步长；第二按键用于每按压一次向主控板发送一次消融区短径减少指令，当主控板接收到消融区短径减少指令时将此时的消融区短径减少一个预设步长，当超过预设时间未接收到消融区短径减少指令或消融区短径增加指令后，将此时的消融区短径作为最终的消融区短径，通过短时间连续的按压第一按键和/或第二按键来实现操作人员对短径的设置。其中，预设步长可根据需要设置，例如可以设置为0.2cm、0.5cm等。初始消融区短径可以设置为常用中位值，例如2.5cm，也可以设置为0cm。

第三按键用于在按压时向主控板发送自适应调节指令；当主控板接收到自适应调节指令时，按照预设时间内接收到的指令次数判断消融模式，并从内部存储的消融计划表中查找到当前消融区短径对应的消融计划，并按照查找到的消融计划设置微波消融仪的参数。其中按照预设时间内接收到的指令次数判断消融模式的方法具体为：获取预设时间段内接收到的自适应调节指令次数，若为奇数，则判定消融模式为连续消融模式，若为偶数，则判定消融模式为脉冲消融模式。所述消融计划表记录消融区短径与包括消融时间和消融功率的消融计划的对应关系，并存储于主控板内。

第四按键用于在按压时向主控板发送消融开始/复位指令；当主控板接收到消融开始/复位指令时，获取预设时间段内接收到的消融开始/复位指令次数，若为奇数，则微波消融仪消融开始，若为偶数，则微波消融仪消融复位。

通过以上四个按键的设置可以实现微波消融仪的控制操作，简单方便，容易上手，极大消除了操作人员实施消融计划方案的盲区，并简化了操作流程。

主控板具体包括相连接的ARM微控制器和随机存取内存芯片。ARM微控制器可选用STM32F29BIT6，主频为180MHz，原理图参见图2和图3。随机存取内存芯片采用同步动态随机存取内存芯片MT48LC4M32B2用来缓存与显示模块进行交互的微波消融仪各个模块数据，原理图参见图4。所述主控板还用于执行测温任务，当采集到的微波消融仪温度信号超过预设温度阈值时，停止微波消融仪的运行并发出超温报警信号；所述主控板还用于执行计时任务，当设置的时间计时快结束时，发出计时结束报警信号。

显示模块用于在主控板控制下，对相关数据和信息进行显示，具体实时显示所有按键设置的参数值、温度变化曲线和微波消融仪(消融针、测温针、微波源和水泵)工作状态，如图5所示。选用小型嵌入式GUI界面STemwin，STemWin提供了高效且独立于处理器和显示控制器的图形用户界面，可用于任何使用图形显示进行操作的应用,支持回调函数、多种控件和绘图等应用。显示模块由参数设置模块、温度显示模块和状态指示灯模块组成。参数设置模块用来显示长径、短径、消融时间、功率、模式和倒计时；温度显示模块用来显示消融针部温度和消融区组织温度，不仅可以用坐标曲线来表示，而且也可以用实际数值大小来表示，状态指示灯模块包括微波消融仪消融针、测温针、微波源和水泵状态。当系统控制水泵和微波源运行时对应的指示灯亮；当系统连接消融针和测温针时对应的指示灯亮，消融针连接状态判别依据为当检测到微波源的反射电压在0.03V～0.3V时表示连接，测温针判别依据为当ARM微控制器采集到持续温度时表示已经连接。

消融计划表通过COMSOL有限元仿真软件大量、全面且精确的仿真数据仿真得到，已验证仿真结果与实际消融效果十分相符，具体为：分别在连续消融模式和脉冲消融模式下进行微波消融仪消融仿真，得到消融时间和消融功率为不同值时消融区短径值和消融区长径值；对连续消融模式和脉冲消融模式下，消融时间和消融功率为不同值时消融区短径值和消融区长径值的数据，分别进行关系式拟合，得到连续消融模式和脉冲消融模式下，消融区短径、消融区长径分别与消融时间和消融功率的消融关系式；连续模式下参见公式(1)，脉冲模式下参见公式(2)：

其中，L_short、L_long表示消融区短径、长径值，P表示功率，t表示时间。仿真数据与拟合函数之间的吻合程度较高，均在0.96以上，表明该数学模型的准确性。为了可视化差异，其中连续消融模式下的长短径与功率、时间3D关系参见图6；脉冲消融模式下的长短径与功率、时间3D关系参见图7。从图中可以看出不同功率时间对应不同的消融长短径，连续和脉冲消融模式下也会有不同的结果。根据上式可计算出所需消融范围对应的消融功率和时间。该式是一个二元二次函数，为了减轻单片机计算运行的时间，因此提前计算好对应的消融功率和时间，同时兼顾实际消融情况，将0与可消融的最大消融区短径之间的范围划分为若干区间，根据每个区间的最大消融区短径按照通用轴比计算得到对应消融区长径，再根据消融区短径、消融区长径分别与消融时间和消融功率的消融关系式，计算得到每个区间的最大消融区短径对应的消融时间和消融功率，作为每个区间的消融计划，将所有区间的消融计划汇总，得到消融计划表，如表1所示，表中每行表示了每个区间的消融计划，例如30-1/30-3表示连续模式下功率为30瓦，所需时间为1分钟，脉冲模式下功率为30瓦，所需时间为3分钟。

表1消融计划表

本实施例的使用方法为：操作人员操作第一按键和第二按键，使得消融区短径达到需要消融掉的范围短径，然后按压第三按键，实现功率和时间自适应设定，若模式不对，则再按压一次第三按键切换模式，最后按压第四按键开启消融，若中途要停止消融，则直接按压第四按键即可，各项任务停止，当所设置的时间计时结束时，也会停止各项任务。操作十分简单，容易上手，功能也齐全。

本实施例还提供一种便携式微波消融仪，该便携式微波消融仪通过上述控制系统进行控制，如图8所示，除了控制系统的主控板1、四个按键形成的按键模块2、显示模块3外，还包括消融针4、微波源4、蠕动泵6和测温针(图未示)，消融针4、微波源4、蠕动泵6和测温针分别连接至主控板1，其中微波源5输出端通过同轴电缆与消融针4电性相连，因此会将微波传输到消融区内。同时通过RS485通信控制蠕动泵6转动从而利用冷却水管为消融针4进行冷却，并将蠕动泵6的转向、转速参数反馈给主控板1。通过四个按键的按键模块2向主控板1下发控制参数，主控板1自适应设置时间、功率和模式，使电压控制型微波源5输出功率进行热消融，同时开启水泵和测温任务。所述测温任务为采集消融针针体的温度和热消融区域组织的温度并反馈给主控板1，并实时在显示模块3的屏幕上进行显示。

值得注意的是，以上所描述的实施例仅是示意性的，其中作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以只通过硬件实现，只要能实现功能或作用都可以。