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CN110432977A - 一种电脉冲消融设备以及适用其仿真方法 - Google Patents

一种电脉冲消融设备以及适用其仿真方法 Download PDF

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CN110432977A
CN110432977A CN201910724331.2A CN201910724331A CN110432977A CN 110432977 A CN110432977 A CN 110432977A CN 201910724331 A CN201910724331 A CN 201910724331A CN 110432977 A CN110432977 A CN 110432977A
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CN
China
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ablation
fixed
tissue
lifting
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CN201910724331.2A
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陈永刚
张有干
孙婷婷
吕维敏
陈新华
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Rui Di Bio Tech Ltd Hangzhou
Original Assignee
Rui Di Bio Tech Ltd Hangzhou
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Publication date
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Priority to PCT/CN2019/111454 priority patent/WO2021022673A1/zh
Priority to US17/600,514 priority patent/US20220202477A1/en
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Abstract

本发明公开了一种电脉冲消融设备以及适用其仿真方法，属于电脉冲设备技术领域。现有技术存在不足：现有电脉冲消融的过程中，由于肿瘤组织的阻抗，消融区组织渗液电解质参数是随着消融时间变化的，变化的电解质参数与初始的电脉冲消融参数不再匹配，造成消融效果不佳。本发明能够根据压力传感器模块对穿刺过程进行预警，避免损伤正常器官组织的；通过定位系统能够为肿瘤手术穿刺定位导航。本发明根据生物阻抗分析仪采集的电解质参数的变化，阻抗自适应模块适时地调整输入脉冲参数，保持适配的高压电和陡脉冲达到最大程度的肿瘤毁损效果；消融效果十分理想。

Description

一种电脉冲消融设备以及适用其仿真方法
技术领域
本发明涉及一种电脉冲消融设备以及适用其仿真方法，属于电脉冲设备技术领域。
背景技术
纳秒脉冲治疗肿瘤技术是非热/冷消融技术，是利用高压纳秒脉冲作用于肿瘤细胞内部结构，引起细胞内部功能性改变，通过细胞膜穿孔作用引发细胞自然凋亡；诱导肿瘤凋亡的同时不会对周围正常组织或肿瘤附近血管，神经血管束，尿道，直肠，神经等造成热损伤。
但现有的消融设备存在以下不足：
第一、现有的电脉冲消融设备在手术穿刺的过程中，穿刺力度很难控制，所以通常很容易刺破或损伤关键组织或膜壁。
第二、现有电脉冲消融的过程中，由于肿瘤组织的阻抗，消融区组织渗液电解质参数是随着消融时间变化的，变化的电解质参数与初始的电脉冲消融参数不再匹配，造成消融效果不佳。
进一步，电脉冲消融设备的脉冲参数、双针电极间距、电极工作部长度等多项参数的设定都会影响高压纳秒脉冲治疗时的电场覆盖肿瘤范围、场强分布，进而影响脉冲消融治疗效果。
由于肿瘤因人而异，并且肿瘤的位置多变，肿瘤形状大小各不同，并且需要医生设定脉冲参数、双针电极间距、电极工作部长度等多项参数，依靠医生自身经验很难设置合理、有效的参数值；即使经验丰富的医生，也需要花费大量的时间去调试，去论证，费时费力，并且很难保证每次都设置的合理、有效。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种能够根据压力传感器模块对穿刺过程进行预警，避免损伤正常器官组织的；能够为肿瘤手术穿刺定位导航，同时通过阻抗自适应模块，调整脉冲发生器发出的脉冲参数，消融效果十分理想的电脉冲消融设备。
本发明的另一目的在于提供一种建立仿真数据库，能够根据肿瘤物，进行仿真模拟，得到消融设备的参数设定值，作为设定依据供医生选择，能够有效减少医生负担，省时省力的电脉冲消融仿真方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种电脉冲消融设备，包括：脉冲发生器、定位系统、进针机构、传感器模块、生物阻抗分析仪、阻抗自适应系统；
脉冲发生器，用于产生电脉冲；
所述定位系统，用于读取组织尺寸大小及位置；
所述进针机构设有穿刺引导针；
所述传感器模块，用于感知穿刺压力；
所述生物阻抗分析仪，用于实时监测待测组织的阻抗；
所述阻抗自适应系统，用于调整脉冲发生器发出的脉冲参数。
由于组织特性密度、粘弹性、张力、抗压力存在差别，导致不同组织层穿刺力会不同，穿刺引导针穿刺过程中，当穿刺力到达第一个临界值Fc1时，会有个急剧的下降，表示针刺破第一次组织，当达到Fc2时针开始进第二层组织。因此本发明设置传感器模块，用于感知穿刺压力，能够分段判别穿刺针穿刺何种组织及深度，实时判断穿刺正确与否。
对肿瘤进行消融时，消融的过程中，肿瘤组织的阻抗会随着消融时间而变化，因此本发明设置生物阻抗分析仪，用于实时监测待测组织的阻抗；根据组织电导率的变化，所述阻抗自适应系统指令脉冲发生器进行自动匹配电脉冲参数。
本发明能够根据压力传感器模块对穿刺过程进行预警，避免损伤正常器官组织的；通过定位系统能够为肿瘤手术穿刺定位导航。
本发明根据生物阻抗分析仪采集的电解质参数的变化，阻抗自适应模块适时地调整输入脉冲参数，保持适配的高压电和陡脉冲达到最大程度的肿瘤毁损效果；消融效果十分理想。
作为优选技术措施：所述进针机构还包括基座、穿刺针管座、支撑架、前密封活塞、后密封活塞、电极压接插座、空气注射泵、指示灯、弹珠锁、前排气孔、后排气孔、穿刺针压力腔、前空气注入管、前排空开关、电极压力腔、后排空开关、后空气注入管、电极。
各组织的穿刺力均不同，当穿刺针进入不同组织时，AI系统采集到压力传感器检测的压力值，判断压力变化是否在允许范围内，如超出压力范围，正常状态的指示灯灯光颜色转变为闪烁或高亮，并停止继续穿刺，提醒医生查看B超影像，确定继续穿刺或退出重新开始。
本发明的进针机构方案详尽，构思巧妙，切实可行。
作为优选技术措施：所述定位系统包括定向装置、支撑横杆、升降连杆、升降台、升降摇杆、支撑纵杆、固定锁紧块、纵杆锁紧手柄、固定架锁紧手柄、升降压块、升降锁紧手柄、升降固定块，方案详尽，切实可行。
将固定锁紧块套在病床导槽上，用纵杆锁紧手柄锁紧位置；将支撑纵杆安装在固定锁紧块上，用固定架锁紧手柄锁紧位置，可根据人体位置大致调整距离；升降台固定在支撑纵杆上，连接两个升降台之间的升降连杆，使升降同步，将升降摇杆安装在一侧升降台上；升降台上设有升降固定块，支撑横杆布置在升降固定块卡槽内，升降压块与升降固定块之间有铰链结构，升降锁紧手柄锁紧固定支撑横杆。
作为优选技术措施：所述定向装置包括定向板、超声探头、探头固定条、探头固定架、探头调节手柄、定位架后板、定位架锁紧手柄、定位架固定板、定位支架、探头锁紧螺钉、定向板架锁紧螺钉、定向板固定架、定向板锁紧螺钉、同步带轮一、同步带轮二。
定向装置通过定位架固定板的卡槽固定在支撑横杆上，可在支撑横杆左右调整位置，用定位架锁紧手柄锁紧位置；病人在病床上就位后，通过升降摇杆调节升降台高度，通过定位架固定板调节定向装置左右位置，使超声探头对准病人肛门位置；定位架固定板上设有定位支架，定位支架上端设有探头固定架，超声探头固定在探头固定架上凹槽内，通过探头固定条，用探头锁紧螺钉锁紧位置；定位支架前端设有定向板固定架，通过定向板架锁紧螺钉锁紧位置；定向板固定架上设有定向板，用定向板锁紧螺钉锁紧位置；定位支架内部中空，设有同步带轮一、同步带轮二，探头固定架固定在同步带轮一上，定位支架后端设有定位架后板，定位架后板上设有探头调节手柄，探头调节手柄与同步带轮二同轴固定，通过探头调节手柄可使超声探头前进或后退。
作为优选技术措施：传感器模块组包括压力传感器模块、深度传感器。
一种适用于电脉冲消融设备的仿真方法，建立仿真数据库，具体包括以下步骤：
第一步，收集肿瘤影像数据建立数据库，并标定出组织中肿瘤的准确区域；
第二步，根据组织参数以及不同的双针电极间距、电极工作部长度，建立参数三维模型；
第三步，利用参数三维模型实现间距、长度的更改，
模拟出不同的脉冲幅度、脉冲宽度、脉冲频率、馈电形式，并基于不同参数三维模型，进行仿真模拟，选取其中电场覆盖范围大、场强分布均匀的参数设置，加入仿真数据库。
本发明建立仿真数据库，能够根据肿瘤物，进行仿真模拟，得到消融设备的参数设定值，作为设定依据供医生选择，能够有效减少医生负担，省时省力，并且每次设置的参数不受外界影响，有效保持参数设置的合理性、有效性。
作为优选技术措施：
所述第一步，利用卷积神经网络并基于DenseNet网络模型设计组织及肿瘤的全自动分割模型；再将数据库中标定过的原始影像与同组的肿瘤mask作为卷积网络的输入进行学习；
所述第二步，所述组织参数为组织介电常数、相对磁导率、体电导率、介电损耗角正切。
作为优选技术措施：
对肿瘤进行消融时，消融的过程中，肿瘤组织的阻抗会随着消融时间而变化，因此本发明仿真方法，为消融的有效性，需要模拟出消融过程中组织电导率的变化，根据组织电导率的变化，调整外加消融电场，进而调整脉冲参数。
建立组织电导率与外加消融电场的变化模型，根据组织电导率变化，计算外加消融电场强度；组织内电导率与外加消融电场的函数关系：
σ＝σ0(1+α(T-T0))+(σ′-σ0)Fflc(E-E1，Erange)，
其中：脉冲电场为温度不变或变化很小的，因此始终T＝T0；
σ0是组织的初始电导率，正常组织及肿瘤的初始电导率，可通过测试电路测量；
σ’为组织只在电场中的电导率，对正常组织及肿瘤，可通过测试电路测量；
Fflc为具有二阶连续导数的平滑Heaviside函数；
E为电场强度；
E1和Erange的值分别为30KV/cm-X，30KV/cm+X，其中X为电压阀值，确保电导率在构成细胞内部功能性改变的电场强度阈值的范围内随电场强度变化；
a为计算系数；
由于在电脉冲消融的过程中，肿瘤组织的阻抗，消融区组织渗液电解质参数是随着消融时间变化的，变化的电解质参数与初始的电脉冲消融参数不再匹配，造成消融效果不佳。因此为确保能够设置出合理的脉冲参数，并且实时了解电解质参数的变化，适时地调整输入脉冲参数，保持适配的高压电和陡脉冲达到最大程度的肿瘤毁损效果。
电导率与阻抗率Z相互倒数；
组织阻抗变化计算公式为：Z＝Re//(ZC+Ri)
其中ZC＝1/(2πfC)；其中：Ri、Re和C分别等效为细胞内液电阻、细胞外液电阻和细胞膜电容，f表示电流频率。根据组织初始阻抗能够计算得到组织的初始电导率，便于公式应用。
作为优选技术措施：
利用基于间断伽辽金时域算法的有限元仿真算法进行建模，肿瘤及正常组织内的电场分布通过求解方程得到：
式中：为旋度符号；μr为介质相对磁导率；εr为介质相对电导率；k为库伦常量；E为电场强度；
通过上述公式可以得到正常状态下的组织电场强度，便于确定较为合理的初始脉冲参数。
为了得到消融不同形状不同尺寸的肿瘤的最优脉冲参数及电极布置，采用网格初始化算法和优化迭代自适应算法对脉冲参数及电极参数进行优化。网格之间通过数值通量进行耦合，自动的细化剖分网格，经过多次迭代后达到收敛，求解区域内的电场分布满足物理环境的特性以及边界条件。
作为优选技术措施：还包括第五步，分析实体肿瘤，给出设置方案：取病人的超声影像，分析形成肿瘤组织三维模型，在仿真数据库中选择合适的应用数据，根据肿瘤的大小、形态，模拟布置单组或多组电极，形成多种脉冲设置方案，作为设置依据供医生选择。节省医生时间，提高参数设置的合理性以及有效性。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明能够根据压力传感器模块对穿刺过程进行预警，避免损伤正常器官组织的；通过定位系统能够为肿瘤手术穿刺定位导航。
本发明根据生物阻抗分析仪采集的电解质参数的变化，阻抗自适应模块适时地调整输入脉冲参数，保持适配的高压电和陡脉冲达到最大程度的肿瘤毁损效果；消融效果十分理想。
进一步：本发明建立仿真数据库，能够根据肿瘤物，进行仿真模拟，得到消融设备的参数设定值，作为设定依据供医生选择，能够有效减少医生负担，省时省力，并且每次设置的参数不受外界影响，有效保持参数设置的合理性、有效性。
附图说明
图1为本发明一种控制流程框图；
图2为本发明一种结构示意图；
图3为图2所示结构剖视图；
图4为本发明穿刺示意图；
图5为本发明穿刺前后示意图；
图6为不同组织穿刺力的变化图；
图7为本发明定位系统结构示意图；
图8为本发明定向装置结构示意图；
图9为本发明定向装置剖视图；
图10为本发明肿瘤定向示意图；
图11为本发明仿真方法流程图；
图12为本发明脉冲参数自适应流程图；
图13为本发明组织的三元等效电路；
图14为本发明阻抗测试系统电路图；
图15为本发明采用网格计算示意图。
附图标记说明：
1、穿刺引导针；2、基座；3、穿刺针管座；4、支撑架；5、前密封活塞；6、后密封活塞；7、电极压接插座；8、AI控制系统；9、空气注射泵；10、指示灯；11、穿刺深度传感器；12、压力传感器；13、弹珠锁；14、前排气孔；15、后排气孔；16、穿刺针压力腔；17、前空气注入管；18、前排空开关；19、电极压力腔；20、后排空开关；21、后空气注入管； 22、电极；
201、定向装置；202、支撑横杆；203、升降连杆；204、升降台；205、升降摇杆；206、支撑纵杆；207、固定锁紧块；208、纵杆锁紧手柄；209、固定架锁紧手柄；2010、升降压块；2011、升降锁紧手柄；2012、升降固定块；
3011、定向板；3012、超声探头；3013、探头固定条；3014、探头固定架；3015、探头调节手柄；3016、定位架后板；3017、定位架锁紧手柄；3018、定位架固定板；3019、定位支架；30110、探头锁紧螺钉；30111、定向板架锁紧螺钉；30112、定向板固定架；30113、定向板锁紧螺钉；30114、同步带轮一；30115、同步带轮二。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
需要说明的是，当两个元件被称为“固定连接”时，两个元件可以直接连接或者也可以存在居中的元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“上”、“下”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“或/和”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
一种电脉冲消融设备，包括：脉冲发生器、定位系统、进针机构、传感器模块、生物阻抗分析仪、阻抗自适应系统；
脉冲发生器，用于产生电脉冲；
所述定位系统，用于读取组织尺寸大小及位置；
所述进针机构设有穿刺引导针；
所述传感器模块，用于感知穿刺压力；
所述生物阻抗分析仪，用于实时监测待测组织的阻抗；
所述阻抗自适应系统，用于调整脉冲发生器发出的脉冲参数。
如图1-3所示，本发明进针机构具体实施例：
进针机构的工作原理为：以前列腺肿瘤治疗为例，穿刺针进入肿瘤需经过会阴部皮肤、空腔、前列腺组织包膜、前列腺组织、肿瘤包膜、肿瘤组织，各组织的穿刺力均不同。当穿刺针进入不同组织时，AI系统采集到压力传感器12检测的压力值，判断压力变化是否在允许范围内，如超出压力范围，正常状态的灯光颜色转变为闪烁或高亮，并停止继续穿刺，提醒医生查看B超影像，确定继续穿刺或退出重新开始。
进针系统主要由穿刺引导针1、基座2、穿刺针管座3、支撑架4、前密封活塞5、后密封活塞6、电极22压接插座7、AI控制系统8、空气注射泵9、指示灯10、穿刺深度传感器 11、压力传感器12、弹珠锁13、前排气孔14、后排气孔15、穿刺针压力腔16、前空气注入管17、前排空开关18、电极22压力腔19、后排空开关20、后空气注入管21、电极22组成。
本发明自动控制进针一种具体实施例：
AI控制系统8设定穿刺不同组织的标准压力和判断用的压力范围；使前密封活塞5、后密封活塞6处于初始位置，关闭前排空开关18、后排空开关20；调节基座2位置、方向，使穿刺引导针1方向对准肿瘤，针尖接触会阴部皮肤表面；AI控制系统8控制空气注射泵9 按设定标准压力在穿刺针压力腔16内注入空气，推动穿刺引导针1穿刺进入人体，压力传感器12将采集到的穿刺针压力腔16内压力信息传递给AI控制系统8，在实时压力小于所设定的标准穿刺压力时输注空气，以提高压力腔空气压力，达到穿刺所设定的标准穿刺压力；穿刺深度传感器11将采集到的穿刺深度数值传递给AI控制系统8，AI控制系统8根据穿刺压力、穿刺深度判断穿刺针属处的组织位置，调整穿刺压力；穿刺引导针1达到设定位置后， AI控制系统8控制关闭前空气注入管17，维持穿刺针压力腔16内压力，锁定穿刺引导针1 的位置；AI控制系统8控制空气注射泵9按设定标准压力在电极22压力腔19内注入空气，推动电极22穿出穿刺引导针1进入肿瘤，达到设定位置后，AI控制系统8控制关闭后空气注入管21，维持电极22压力腔19内压力，锁定电极22的位置；从电极22压接插座7端引入高压纳秒脉冲，进行肿瘤消融治疗。依据消融手术方案，需多次脉冲消融的，AI控制系统8控制打开后排空开关20，通过弹簧力使后密封活塞6回到初始位置(电极22退回穿刺引导针1轨道内)，通过调节穿刺针管座3旋转180度或任意事先设定的角度，使穿刺引导针1原位调整电极22出口方向，关闭后排空开关20，在电极22压力腔19内再次注入空气，推动电极22穿出穿刺引导针1进入肿瘤，重复多次可增加电场覆盖范围，加强脉冲消融治疗效果。
纳秒脉冲消融治疗结束后，打开前排空开关18、后排空开关20，使前密封活塞5、后密封活塞6回到初始位置，缩回穿刺引导针1和电极22。
如图4-6所示，本发明设置传感器模块具体实施例：
不同组织层穿刺力的变化是由于组织特性密度、粘弹性、张力、抗压力的差别。目前，临床上应用广泛的组织特性检测技术可分为接触式和非接触式，接触式仪器如皮肤压弹计，一般反映组织的静态弹性特征，非接触式仪器如超声、MRI等成像技术，得益于超声成像技术的发展，现有技术可从超声散射回波中提取组织弹性信息，采用多普勒速度测量和互相关技术反映组织的动态弹性特征。
DICOM3.0规范作为国际医疗影像设备图像通信和交流的唯一规范，AI集成医学图像管理系统以此规范为标准，可方便连接超声等设备，实现图像的实时采集、后处理。AI系统根据采集的穿刺针途经各组织参数，制定手术治疗方案。
以前列腺肿瘤治疗为例，穿刺针进入肿瘤需经过会阴部皮肤、软组织、前列腺组织包膜、前列腺组织、肿瘤包膜、肿瘤组织。针穿刺过程分为预穿刺阶段和穿刺后阶段。在预穿刺阶段，针的穿刺力在大小上等于其受到阻力。在穿刺后阶段，针穿刺力由摩擦力和切割力组成。在预穿刺状态，针尖受力由平稳增长直到突然减小，说明进入穿刺状态。
针穿刺过程中，当穿刺力到达第一个临界值Fc1时，会有个急剧的下降，表示针刺破会阴部皮肤进入软组织，当达到Fc2时针开始进第二层组织，以此类推。当穿刺针穿刺会阴部皮肤时，AI系统采集到压力传感器12检测的压力值，刺穿皮肤后，阻力减小，判断穿刺针已进入软组织区域，采集穿刺深度传感器11数值，判断穿刺针进入软组织的深度。同上，AI系统分段判别穿刺针穿刺何种组织及深度，与手术方案对比，实时判断穿刺正确与否，提示预警：超出压力范围或穿刺深度范围，正常状态的灯光颜色转变为闪烁或高亮，并停止继续穿刺，提醒医生查看B超影像，确定继续穿刺或退出重新开始。
如图7-10本发明定位系统具体实施例：
通过定向控制系统8，控制B超探头从肛门处进入人体，通过超声影像找到病变区域， AI系统读取超声影像，以B超探头中心建立网格线，定位肿瘤组织，调整B超探头位置，使肿瘤全部位于网格线内，锁定探头位置，AI系统基于电场脉冲数据库和影像数据制定手术方案，在网格上确定电极22进入肿瘤的位置。在探头前端设置与AI系统网格线等比例的定向板3011，治疗电极22根据医生选择的手术方案穿刺进入肿瘤，行高压纳秒脉冲消融治疗。
肿瘤所述定位系统包括定向装置201、支撑横杆202、升降连杆203、升降台204、升降摇杆205、支撑纵杆206、固定锁紧块207、纵杆锁紧手柄208、固定架锁紧手柄209、升降压块2010、升降锁紧手柄2011、升降固定块2012组成。
所述定向装置201包括定向板3011、超声探头3012、探头固定条3013、探头固定架3014、探头调节手柄3015、定位架后板3016、定位架锁紧手柄3017、定位架固定板3018、定位支架3019、探头锁紧螺钉30110、定向板架锁紧螺钉30111、定向板固定架30112、定向板锁紧螺钉30113、同步带轮一30114、同步带轮二30115组成。
本发明定位系统一种具体实施方式：将固定锁紧块207套在病床导槽上，用纵杆锁紧手柄208锁紧位置；将支撑纵杆206安装在固定锁紧块207上，用固定架锁紧手柄209锁紧位置，可根据人体位置大致调整距离；升降台204固定在支撑纵杆206上，连接两个升降台204 之间的升降连杆203，使升降同步，将升降摇杆205安装在一侧升降台204上；升降台204上设有升降固定块2012，支撑横杆202布置在升降固定块2012卡槽内，升降压块2010与升降固定块2012之间有铰链结构，升降锁紧手柄2011锁紧固定支撑横杆202；定向装置201 通过定位架固定板3018的卡槽固定在支撑横杆202上，可在支撑横杆202左右调整位置，用定位架锁紧手柄3017锁紧位置；病人在病床上就位后，通过升降摇杆205调节升降台204 高度，通过定位架固定板3018调节定向装置201左右位置，使超声探头3012对准病人肛门位置；定位架固定板3018上设有定位支架3019，定位支架3019上端设有探头固定架3014，超声探头3012固定在探头固定架3014上凹槽内，通过探头固定条3013，用探头锁紧螺钉 30110锁紧位置；定位支架3019前端设有定向板固定架30112，通过定向板架锁紧螺钉30111 锁紧位置；定向板固定架30112上设有定向板3011，用定向板锁紧螺钉30113锁紧位置；定位支架3019内部中空，设有同步带轮一30114、同步带轮二30115，探头固定架3014固定在同步带轮一30114上，定位支架3019后端设有定位架后板3016，定位架后板3016上设有探头调节手柄3015，探头调节手柄3015与同步带轮二30115同轴固定，通过探头调节手柄 3015可使超声探头3012前进或后退。
如图11-12所示，一种适用于电脉冲消融设备的仿真方法，建立仿真数据库，具体包括以下步骤：
第一步，收集肿瘤影像数据建立数据库，并标定出组织中肿瘤的准确区域；
第二步，根据组织参数以及不同的双针电极间距、电极工作部长度，建立参数三维模型；
第三步，利用参数三维模型实现间距、长度的更改，
模拟出不同的脉冲幅度、脉冲宽度、脉冲频率、馈电形式，并基于不同参数三维模型，进行仿真模拟，选取其中电场覆盖范围大、场强分布均匀的参数设置，加入仿真数据库；
第五步，分析实体肿瘤，给出设置方案：取病人的超声影像，分析形成肿瘤组织三维模型，在仿真数据库中选择合适的应用数据，根据肿瘤的大小、形态，模拟布置单组或多组电极，形成多种脉冲设置方案，作为设置依据供医生选择。节省医生时间，提高参数设置的合理性以及有效性。
本发明建立仿真数据库，能够根据肿瘤物，进行仿真模拟，得到消融设备的参数设定值，作为设定依据供医生选择，能够有效减少医生负担，省时省力，并且每次设置的参数不受外界影响，有效保持参数设置的合理性、有效性。
本发明一种具体实施例：
所述第一步，利用卷积神经网络并基于DenseNet网络模型设计组织及肿瘤的全自动分割模型；再将数据库中标定过的原始影像与同组的肿瘤mask作为卷积网络的输入进行学习；
所述第二步，所述组织参数为组织介电常数、相对磁导率、体电导率、介电损耗角正切。
本发明消融过程电导率变化即阻抗自适应过程具体实施例：
建立组织电导率与外加消融电场的变化模型，根据组织电导率变化，计算外加消融电场强度；
组织内电导率与外加消融电场的函数关系：
σ＝σ0(1+α(T-T0))+(σ′-σ0)Fflc(E-E1，Erange)，
其中：脉冲电场为温度不变或变化很小的，因此始终T＝T0；
σ0是组织的初始电导率，正常组织及肿瘤的初始电导率，可通过测试电路测量；
σ’为组织只在电场中的电导率，对正常组织及肿瘤，可通过测试电路测量；
Fflc为具有二阶连续导数的平滑Heaviside函数；
E为电场强度；
E1和Erange的值分别为30KV/cm-X，30KV/cm+X，确保电导率在构成细胞内部功能性改变的电场强度阈值的范围内随电场强度变化；
a为计算系数；
由于在电脉冲消融的过程中，肿瘤组织的阻抗，消融区组织渗液电解质参数是随着消融时间变化的，变化的电解质参数与初始的电脉冲消融参数不再匹配，造成消融效果不佳。因此为确保能够设置出合理的脉冲参数，并且实时了解电解质参数的变化，适时地调整输入脉冲参数，保持适配的高压电和陡脉冲达到最大程度的肿瘤毁损效果。
电导率与阻抗率Z相互倒数；
如图13所示，组织阻抗变化计算公式为：Z＝Re//(ZC+Ri)
其中ZC＝1/(2πfC)；其中：Ri、Re和C分别等效为细胞内液电阻、细胞外液电阻和细胞膜电容，f表示电流频率。根据组织初始阻抗能够计算得到组织的初始电导率，便于公式应用。
根据仿真出的电脉冲参数作为脉冲发生器的初始的电脉冲参数，对肿瘤进行消融，消融的过程中，肿瘤组织的阻抗会随着消融时间而变化，消融的过程中对脉冲电流强度进行实时监控，待电流数值达到一定值/变量时，系统自动切换阻抗检测电路，阻抗检测电路如图14 所示。根据阻抗检测电路进行阻抗的测量，获取阻抗数值，通过高速USB、以太网或无线局域网连接，数据传输至AI控制系统，随后进行数据处理，并指令脉冲发生器进行自动匹配电脉冲参数。
本发明电场初始建模时计算具体实施例：
利用基于间断伽辽金时域算法的有限元仿真算法进行建模，肿瘤及正常组织内的电场分布通过求解方程得到：
式中：μr为介质相对磁导率；εr为介质相对电导率；k为库伦常量；E为电场强度；通过上述公式可以得到正常状态下的组织电场强度，便于确定较为合理的初始脉冲参数。
如图15所示，为了得到消融不同形状不同尺寸的肿瘤的最优脉冲参数及电极布置，采用网格初始化算法和优化迭代自适应算法对脉冲参数及电极参数进行优化。网格之间通过数值通量进行耦合，自动的细化剖分网格，经过多次迭代后达到收敛，求解区域内的电场分布满足物理环境的特性以及边界条件。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电脉冲消融设备，其特征在于，包括：脉冲发生器、定位系统、进针机构、传感器模块、生物阻抗分析仪、阻抗自适应系统；
脉冲发生器，用于产生电脉冲；
所述定位系统，用于读取组织尺寸大小及位置；
所述进针机构设有穿刺引导针；
所述传感器模块，用于感知穿刺压力；
所述生物阻抗分析仪，用于实时监测待测组织的阻抗；
所述阻抗自适应系统，用于调整脉冲发生器发出的脉冲参数。
2.如权利要求1所述的一种电脉冲消融设备，其特征在于，所述进针机构还包括基座、穿刺针管座、支撑架、前密封活塞、后密封活塞、电极压接插座、空气注射泵、指示灯、弹珠锁、前排气孔、后排气孔、穿刺针压力腔、前空气注入管、前排空开关、电极压力腔、后排空开关、后空气注入管、电极。
3.如权利要求1所述的一种电脉冲消融设备，其特征在于，所述定位系统包括定向装置、支撑横杆、升降连杆、升降台、升降摇杆、支撑纵杆、固定锁紧块、纵杆锁紧手柄、固定架锁紧手柄、升降压块、升降锁紧手柄、升降固定块；
将固定锁紧块套在病床导槽上，用纵杆锁紧手柄锁紧位置；将支撑纵杆安装在固定锁紧块上，用固定架锁紧手柄锁紧位置，可根据人体位置大致调整距离；升降台固定在支撑纵杆上，连接两个升降台之间的升降连杆，使升降同步，将升降摇杆安装在一侧升降台上；升降台上设有升降固定块，支撑横杆布置在升降固定块卡槽内，升降压块与升降固定块之间有铰链结构，升降锁紧手柄锁紧固定支撑横杆。
4.如权利要求3所述的一种电脉冲消融设备，其特征在于，所述定向装置包括定向板、超声探头、探头固定条、探头固定架、探头调节手柄、定位架后板、定位架锁紧手柄、定位架固定板、定位支架、探头锁紧螺钉、定向板架锁紧螺钉、定向板固定架、定向板锁紧螺钉、同步带轮一、同步带轮二；
定向装置通过定位架固定板的卡槽固定在支撑横杆上，可在支撑横杆左右调整位置，用定位架锁紧手柄锁紧位置；定位架固定板上设有定位支架，定位支架上端设有探头固定架，超声探头固定在探头固定架上凹槽内，通过探头固定条，用探头锁紧螺钉锁紧位置；定位支架前端设有定向板固定架，通过定向板架锁紧螺钉锁紧位置；定向板固定架上设有定向板，用定向板锁紧螺钉锁紧位置；定位支架内部中空，设有同步带轮一、同步带轮二，探头固定架固定在同步带轮一上，定位支架后端设有定位架后板，定位架后板上设有探头调节手柄，探头调节手柄与同步带轮二同轴固定，通过探头调节手柄可使超声探头前进或后退。
5.如权利要求1所述的一种电脉冲消融设备，其特征在于，传感器模块组包括压力传感器模块、深度传感器。
6.一种适用于电脉冲消融设备的仿真方法，其特征在于，
建立仿真数据库，具体包括以下步骤：
第一步，收集肿瘤影像数据建立数据库，并标定出组织中肿瘤的准确区域；
第二步，根据组织参数以及不同的双针电极间距、电极工作部长度，建立参数三维模型；
第三步，利用参数三维模型实现间距、长度的更改，
模拟出不同的脉冲幅度、脉冲宽度、脉冲频率、馈电形式，并基于不同参数三维模型，进行仿真模拟，选取其中电场覆盖范围大、场强分布均匀的参数设置，加入仿真数据库。
7.如权利要求6所述的一种适用于电脉冲消融设备的仿真方法，其特征在于，
所述第一步，利用卷积神经网络并基于DenseNet网络模型设计组织及肿瘤的全自动分割模型；再将数据库中标定过的原始影像与同组的肿瘤mask作为卷积网络的输入进行学习；
所述第二步，所述组织参数为组织介电常数、相对磁导率、体电导率、介电损耗角正切。
8.如权利要求6所述的一种适用于电脉冲消融设备的仿真方法，其特征在于，
对肿瘤进行消融时，消融的过程中，肿瘤组织的阻抗会随着消融时间而变化，因此需要模拟出消融过程中组织电导率的变化，根据组织电导率的变化，调整外加消融电场，进而调整脉冲参数：
建立组织电导率与外加消融电场的变化模型，根据组织电导率变化，计算外加消融电场强度；组织内电导率与外加消融电场的函数关系：
σ＝σ0(1+α(T-T0))+(σ′-σ0)Fflc(E-E1，Erange)，
其中：脉冲电场为温度不变或变化很小的，因此始终T＝T0；
σ0是组织的初始电导率，正常组织及肿瘤的初始电导率，可通过测试电路测量；
σ’为组织只在电场中的电导率，对正常组织及肿瘤，可通过测试电路测量；
Fflc为具有二阶连续导数的平滑Heaviside函数；
E为电场强度；
E1和Erange的值分别为30KV/cm-X，30KV/cm+X，其中X为电压阀值，确保电导率在构成细胞内部功能性改变的电场强度阈值的范围内随电场强度变化；
a为计算系数；
电导率与阻抗率Z相互倒数；
组织阻抗变化计算公式为：Z＝Re//(ZC+Ri)
其中ZC＝1/(2πfC)；其中：Ri、Re和C分别等效为细胞内液电阻、细胞外液电阻和细胞膜电容，f表示电流频率。
9.如权利要求6所述的一种适用于电脉冲消融设备的仿真方法，其特征在于，
利用基于间断伽辽金时域算法的有限元仿真算法进行建模，肿瘤及正常组织内的电场分布通过求解方程得到：
式中：μr为介质相对磁导率；εr为介质相对电导率；k为库伦常量；E为电场强度；
为了得到消融不同形状不同尺寸的肿瘤的最优脉冲参数及电极布置，采用网格初始化算法和优化迭代自适应算法对脉冲参数及电极参数进行优化；网格之间通过数值通量进行耦合，自动的细化剖分网格，经过多次迭代后达到收敛，求解区域内的电场分布满足物理环境的特性以及边界条件。
10.如权利要求6所述的一种适用于电脉冲消融设备的仿真方法，其特征在于，
还包括第五步，分析实体肿瘤，给出设置方案：取病人的超声影像，分析形成肿瘤组织三维模型，在仿真数据库中选择合适的应用数据，根据肿瘤的大小、形态，模拟布置单组或多组电极，形成多种脉冲设置方案，作为设置依据供医生选择。
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