CN112386330A - 一种500a射频消融仪主机系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种500A射频消融仪主机系统，包括高压可调电源模块、功率输出模块、功率驱动器模块、低压供电电源模块、控制器模块、测温模块和液晶显示器模块，外置用于实时通信的蠕动泵和脚踏；所述控制器模块控制系统的运行；功率驱动器模块和功率输出部分相连，高压可调电源模块提供高频功率放大器的供电。低压供电电源模块给整个系统提供低压电源。液晶显示器模块提供人机交互界面，通过采集到射频消融针的插入后自动进行模式的识别，进入相关的工作界面，进行对人体组织的消融。本发明通过射频能量输出，实施对阻抗的监控，温度的控制，实现对人体癌细胞的热消融，不会对人体的正常组织造成热损伤。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械领域和射频消融领域，具体涉及一种500A射频消融仪主机系统。
背景技术
射频是一种频率达到每秒15万次以上的高频振动。人体是由许多有机和无机物质构成的复杂结构，体液中含有大量的电介质，如离子、水、胶体微粒等，人体主要依靠离子移动传导电流。在高频交流电的作用下，离子的浓度变化方向随电流方向为正负半周往返变化。在高频振荡下，两电极之间的离子沿电力线方向快速运动，由移动状态逐渐变为振动状态。由于各种离子的大小、质量、电荷及移动速度不同，离子相互磨擦并与其它微粒相碰撞而产生生物热作用。由于肿瘤散热差，使肿瘤组织温度高于其邻近正常组织，加上癌细胞对高热敏感，高热能杀灭癌细胞，而副作用不发生。
具有消融功能的射频治疗仪的治疗机理主要为热效应。射频波本质上是特定范围内的电磁波。目前医用射频大多采用200KHz --750KHz的频率。射频治疗仪工作频率为470KHz。当射频电流流经人体组织时，因电磁场的快速变化使得细胞内的正、负离子快速运动，于是它们之间以及它们与细胞内的其它分子、离子等的摩擦使病变部位升温，致使细胞内外水分蒸发、干燥、固缩脱落以致无菌性坏死，从而达到治疗的目的。
根据《2018年中国癌症数据统计》显示：全国新发恶性肿瘤病例约为380.4万例，恶性肿瘤发病率278.07/10万，死亡率167.89/10万,死亡比例占25%以上。已成为中国全人群死因第一位。并且随着中国人口老龄化的加剧，在可预期的时间段内，肿瘤会呈爆发的态势。
1.临床医学界已意识到单一治疗方式的局限性，肿瘤MDT多学科治疗模式成为世界肿瘤治疗的必然趋势。必须根据病人的实际情况，制定综合的个性化治疗方案。
2.中国的实际情况是病人发现患上肿瘤已是中晚期，已失去可做手术条件。在此后延长患者生命的治疗过程中，需要一种临床疗效确切、损伤小、可重复性的肿瘤局部治疗方式。
3.此外对于早期肿瘤，在现今临床学“内科外科化，外科微创化”的趋势下，也需要一种精准、微创的肿瘤局部根治治疗手段，提高患者生活质量。
基于充分的临床证据,欧洲肝病学会(BCLC)、美国肝病学会(AASLD)和亚太肝病学会(APASL)已经将手术切除、肝脏移植和射频消融治疗同列为直径小于3cm 肝癌的根治性治疗方法。我国 2009 年公布的《原发性肝癌规范化诊治的专家共识》中认为:对于直径 5cm 肝癌,局部消融可作为手术切除之外的另一种治疗选择;对于肝脏深部或中央型直径 3cm 的肝癌,局部消融可以达到手术切除疗效,获得微创下根治性消融,可优先选择。目前，国内外研究均显示,射频消融治疗有望能为肿瘤直径2cm或3cm肝癌的首选治疗手段。
此外射频消融在中晚期肿瘤中，因其临床有效且微创，在患者的长期患病周期里可重复操作，达到控制肿瘤的效果。此外在肿瘤的MDT综合治疗中，射频联合Tace，射频联合无水酒精注射或是射频联合索拉非尼等都取得了不错的疗效，大大提高了患者的生存率。
射频消融仪目前行业标准为YY 0776-2010《肝脏射频消融治疗设备》，我公司在产品研发中引用了此标准，在走访调研国内各级临床医疗机构，全面听取、分析广大医护人员的意见，我公司研发的射频消融用针状电极产品主要按照临床现在广泛使用的同类产品进行设计，与参考产品美国ANGIODYNAMICS公司生产的射频消融仪在工作原理、预期用途以及技术指标基本一致。另外参考产品临床应用成熟，未见发生不良事件。
发明内容
基于高频领域的技术为背景，开发的射频消融仪以安全性、有效性、适型性、复发率低等为主要目的同时，期以大大提升射频消融仪产品的品种以满足各类患者和医生的需求，本发明提供500A射频消融仪主机系统，已实现大电流下安全可靠的射频消融系统。
为实现上述目的，本发明提供的具体技术方案如下：
一种500A射频消融仪主机系统，其特征在于，包括高压可调电源模块、功率输出模块、功率驱动器模块、低压供电电源模块、控制器模块、测温模块和液晶显示器模块，外置用于进行实时通信的蠕动泵和脚踏；所述高压可调电源模块通过供电线路与所述低压供电电源模块相互连接；所述高压可调电源模块提供高频功率放大器的供电，所述低压供电电源模块给整个系统提供低压电源；所述功率驱动器模块和所述功率输出模块相连；所述控制器模块与所述测温模块连接，且控制整个系统的运行，通过连接的液晶显示器模块提供人机交互界面，所述控制器模块采集到射频消融针的插入后自动进行模式的识别，然后根据用户设置进入相关的工作界面，进行对人体组织的消融。
所述高压可调电源模块中，设置变压器T1A、变压器T1B推动场效应管Q和场效应管Q4, 设置变压器T4A、变压器T4B用于推动场效应管Q3、场效应管Q1；通过整流桥CR1进行全桥整流，输出的电压作为全桥开关电源的输入，接入信号QPOWER1和接入信号QPOWER2作为全桥变换电路的输入部分，利用电容C1、电容C2、电容C5、电容C4作为滤波电路进行滤波，高频交流信号通过LC滤波电路实现了从交流到直流的变化；使用高频信号驱动T1和高频信号驱动T4推动全桥变换电路实现直流到交流的变化，所述高频信号驱动T1和高频信号驱动T4的信号来自于PWM控制信号，其同时控制着输出变压器T2，继而使所述输出变压器T2的输出电压被整流输出变成直流电；此时所述高压可调电源模块完成了50Hz交流电通过全桥变换电路变化为直流电，再从直流电变成交流，然后交流再变成直流的过程，同时此电路实现了和网电源的隔离。
所述控制器模块中包含高压高频电源的信号跟随部分，高压高频信号被运算放大器U24采集后通过ADC3端口送到控制器模块中进行处理，所述运算放大器U24后面的信号是直流信号，这将便于控制器模块采集，电阻R10、电容C131组成了一个低通电路；所述控制器模块实现了一路采集信号，实际可能存在多路采集信号的要求；所述控制器模块上设置有主控芯片、P4接口与P6接口；所述主控芯片实现信号的数据采集和输出控制，所述信号包括继电器控制信号、模拟量的输入和输出信号、灯光信号、驱动信号以及数字量的控制信号，如控制温度传感器，检测附件的自动ID识别等。
所述功率输出模块输出高频交变的功率，并将在所述控制器模块的控制下作用到人体组织，所述功率输出模块由二极管D33,变压器T7和电感T6,电感T8组成,通过电容C155耦合后接入人体；其中所述变压器T7的供电来自于所述高压可调电源模块，通过所诉变压器T7的选频匹配电路实现高频波输出；所述功率驱动器模块和所述功率模块直接连接，直接推动所述功率模块，用于输出高频功率。
所述低压供电电源模块，实现了从网电源220V到12V、-12V以及5V的变换，这些电源将提供给系统进行供电，J1接口设置在主板上，用以连接外置的电源模块，所述低压供电电源模块通过由电感L3,电感L7,电感L8和电容C40,电容C45,电容C48以及电容C39、电容C46和电容C49组成的多级滤波系统完成稳定的低压电源输出。
所述控制器模块包括脉宽调制控制芯片UC3825，实现了开关电源的控制功能，通过电容C11,电阻R9等的设定实现了系统的软启动，所述脉宽调制控制芯片UC3825上设置有2脚、11脚以及14脚，在所述2脚注入可调参考电压，实现小电压控制大电压的功能，所述11脚和所述14脚用于驱动，互补输出的PWM能实现对电压的控制功能。
所述测温模块通过接口PtempDual连接到传感器部分，所述接口PtempDual 提供多个数据选择通道和多路温度测量系统实现对温度的实施监控。
所述蠕动泵的通信接口通过串口线缆连接到所述控制器模块的P4接口上，通过P4接口电路实现了和所述蠕动泵的通信功能，所述蠕动泵处于不同的转速模式，这些模式的设定通过所述控制器模块实现，所述控制器模块根据用户设置、当前阻抗以及温度状态来输出不同的转速需求。
所述液晶显示器模块实现人机交互中的液晶屏幕显示功能，通过控制器模块实现对液晶屏幕的数据监控，采集并对触摸指令做出响应，所述液晶显示器模块连接在所述控制模块的P6接口上，通过串口实现数据交换。
所述射频消融仪电路系统软件实施综合步骤包括：
S1：模块初始化：关键IO口的初始化，蠕动泵初始化；
S2：系统自检，双CPU通信自检，自动识别装置的启动；
S3：在运行过程中采取基于PID算法的功率控制算法和温度控制算法监控阻抗的变化并对温度进行采集。
本发明的500A射频消融仪主机系统实现了通过读取电阻,电容等电参数识别接入的附件；本发明的500A射频消融仪主机系统通过射频能量输出，通过实施对阻抗的监控，温度的控制，实现对人体癌细胞的热消融，不会对人体的正常组织造成热损伤，是一种新型，高效，底风险的消融手段。
附图说明
图1为本发明可调电源网电源部分电路示意图；
图2为本发明全桥变换电路示意图；
图3为本发明对交流信号变成直流信号的电路示意图；
图4为本发明UC3825 实现开关电源的控制功能的电路示意图；
图5为本发明接口电路示意图；
图6为本发明测温模块电路示意图；
图7为本发明传感器部分电路示意图；
图8为本发明低压电源模块电路示意图；
图9为本发明功率输出模块电路示意图；
图10为本发明高频功率的分配电路示意图；
图11为本发明高压高频电源的信号跟随部分电路示意图；
图12为本发明人机交互中的液晶屏幕模块电路示意图；
图13为本发明实现信号数据采集和输出控制的主控芯片电路示意图；
图14为本发明射频消融仪电路系统模块连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。
如图1至图14，一种500A射频消融仪主机系统，其特征在于，包括高压可调电源模块、功率输出模块、功率驱动器模块、低压供电电源模块、控制器模块、测温模块和液晶显示器模块，外置用于进行实时通信的蠕动泵和脚踏；所述高压可调电源模块通过供电线路与所述低压供电电源模块相互连接；所述高压可调电源模块提供高频功率放大器的供电，所述低压供电电源模块给整个系统提供低压电源；所述功率驱动器模块和所述功率输出模块相连；所述控制器模块与所述测温模块连接，且控制整个系统的运行，通过连接的液晶显示器模块提供人机交互界面，所述控制器模块采集到射频消融针的插入后自动进行模式的识别，然后根据用户设置进入相关的工作界面，进行对人体组织的消融。
所述高压可调电源模块中，设置变压器T1A、变压器T1B推动场效应管Q和场效应管Q4, 设置变压器T4A、变压器T4B用于推动场效应管Q3、场效应管Q1；通过整流桥CR1进行全桥整流，输出的电压作为全桥开关电源的输入，接入信号QPOWER1和接入信号QPOWER2作为全桥变换电路的输入部分，利用电容C1、电容C2、电容C5、电容C4作为滤波电路进行滤波，高频交流信号通过LC滤波电路实现了从交流到直流的变化；使用高频信号驱动T1和高频信号驱动T4推动全桥变换电路实现直流到交流的变化，所述高频信号驱动T1和高频信号驱动T4的信号来自于PWM控制信号，其同时控制着输出变压器T2，继而使所述输出变压器T2的输出电压被整流输出变成直流电；此时所述高压可调电源模块完成了50Hz交流电通过全桥变换电路变化为直流电，再从直流电变成交流，然后交流再变成直流的过程，同时此电路实现了和网电源的隔离。
所述控制器模块中包含高压高频电源的信号跟随部分，高压高频信号被运算放大器U24采集后通过ADC3端口送到控制器模块中进行处理，所述运算放大器U24后面的信号是直流信号，这将便于控制器模块采集，电阻R10、电容C131组成了一个低通电路；所述控制器模块实现了一路采集信号，实际可能存在多路采集信号的要求；所述控制器模块上设置有主控芯片、P4接口与P6接口；所述主控芯片实现信号的数据采集和输出控制，所述信号包括继电器控制信号、模拟量的输入和输出信号、灯光信号、驱动信号以及数字量的控制信号，如控制温度传感器，检测附件的自动ID识别等。
所述功率输出模块输出高频交变的功率，并将在所述控制器模块的控制下作用到人体组织，所述功率输出模块由二极管D33,变压器T7和电感T6,电感T8组成,通过电容C155耦合后接入人体；其中所述变压器T7的供电来自于所述高压可调电源模块，通过所诉变压器T7的选频匹配电路实现高频波输出；所述功率驱动器模块和所述功率模块直接连接，直接推动所述功率模块，用于输出高频功率。
所述低压供电电源模块，实现了从网电源220V到12V、-12V以及5V的变换，这些电源将提供给系统进行供电，J1接口设置在主板上，用以连接外置的电源模块，所述低压供电电源模块通过由电感L3,电感L7,电感L8和电容C40,电容C45,电容C48以及电容C39、电容C46和电容C49组成的多级滤波系统完成稳定的低压电源输出。
所述控制器模块包括脉宽调制控制芯片UC3825，实现了开关电源的控制功能，通过电容C11,电阻R9等的设定实现了系统的软启动，所述脉宽调制控制芯片UC3825上设置有2脚、11脚以及14脚，在所述2脚注入可调参考电压，实现小电压控制大电压的功能，所述11脚和所述14脚用于驱动，互补输出的PWM能实现对电压的控制功能。
所述测温模块通过接口PtempDual连接到传感器部分，所述接口PtempDual 提供多个数据选择通道和多路温度测量系统实现对温度的实施监控。
所述蠕动泵的通信接口通过串口线缆连接到所述控制器模块的P4接口上，通过P4接口电路实现了和所述蠕动泵的通信功能，所述蠕动泵处于不同的转速模式，这些模式的设定通过所述控制器模块实现，所述控制器模块根据用户设置、当前阻抗以及温度状态来输出不同的转速需求。
所述液晶显示器模块实现人机交互中的液晶屏幕显示功能，通过控制器模块实现对液晶屏幕的数据监控，采集并对触摸指令做出响应，所述液晶显示器模块连接在所述控制模块的P6接口上，通过串口实现数据交换。
所述射频消融仪电路系统软件实施综合步骤包括：
S1：模块初始化：关键IO口的初始化，蠕动泵初始化；
S2：系统自检，双CPU通信自检，自动识别装置的启动；
S3：在运行过程中采取基于PID算法的功率控制算法和温度控制算法监控阻抗的变化并对温度进行采集。
作为一种可能的实施方式，本发明所用算法包括功率控制算法和温度控制算法，二者都使用了基于PID的控制算法。
PID算法如下：
PID增量式算法，离散化公式：
△u(k)= u(k)- u(k-1)
△u(k)=Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]
进一步可以改写成：
△u(k)=Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2)
对于增量式算法，可以选择的功能有：
滤波的选择：
可以对输入加一个前置滤波器，使得进入控制算法的给定值不突变，而是有一定惯性延迟的缓变量。
系统的动态过程加速：
在增量式算法中，比例项与积分项的符号有以下关系：如果被控量继续偏离给定值，则这两项符号相同，而当被控量向给定值方向变化时，则这两项的符号相反。
由于这一性质，当被控量接近给定值的时候，反号的比例作用阻碍了积分作用，因而避免了积分超调以及随之带来的振荡，这显然是有利于控制的。但如果被控量远未接近给定值，仅刚开始向给定值变化时，由于比例和积分反向，将会减慢控制过程。
为了加快开始的动态过程，我们可以设定一个偏差范围v，当偏差|e(t)|< β时，即被控量接近给定值时，就按正常规律调节，而当|e(t)|>= β时，则不管比例作用为正或为负，都使它向有利于接近给定值的方向调整，即取其值为|e(t)-e(t-1)|，其符号与积分项一致。利用这样的算法，可以加快控制的动态过程。
PID增量算法的饱和作用及其抑制：
在PID增量算法中，由于执行元件本身是机械或物理的积分储存单元，如果给定值发生突变时，由算法的比例部分和微分部分计算出的控制增量可能比较大，如果该值超过了执行元件所允许的最大限度，那么实际上执行的控制增量将时受到限制时的值，多余的部分将丢失，将使系统的动态过程变长，因此，需要采取一定的措施改善这种情况。
纠正这种缺陷的方法是采用积累补偿法，当超出执行机构的执行能力时，将其多余部分积累起来，而一旦可能时，再补充执行。
作为一种可能的实施方式，本发明的工作原理：
在CT 、B超的引导下，将射频消融电极或射频消融针准确刺入肿瘤部位，射频消融仪在微处理器的控制下将射频脉冲能量通过消融电极或射频消融针传导到肿瘤组织中，使肿瘤组织产生局部高温，如90℃-100℃，从而达到使肿瘤组织及其邻近的可能被扩散的组织凝固坏死的目的，坏死组织在原位被机化或吸收。
作为一种可能的实施方式，所述脚踏开关可选择型号为RF 1S-MED；蠕动泵可选择型号为AJ-5001；串口线选择DB15转DB9；液晶显示屏模块可选用型号为DMG80480S070-01WT；控制模块可选用型号为STM32F103VET6 LQFP100。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.一种500A射频消融仪主机系统，其特征在于，包括高压可调电源模块、功率输出模块、功率驱动器模块、低压供电电源模块、控制器模块、测温模块和液晶显示器模块，外置用于进行实时通信的蠕动泵和脚踏；所述高压可调电源模块通过供电线路与所述低压供电电源模块相互连接；所述高压可调电源模块提供高频功率放大器的供电，所述低压供电电源模块给整个系统提供低压电源；所述功率驱动器模块和所述功率输出模块相连；所述控制器模块与所述测温模块连接，且控制整个系统的运行，通过连接的液晶显示器模块提供人机交互界面，所述控制器模块采集到射频消融针的插入后自动进行模式的识别，然后根据用户设置进入相关的工作界面，进行对人体组织的消融；所述高压可调电源模块中，设置变压器T1A、变压器T1B推动场效应管Q2和场效应管Q4, 设置变压器T4A、变压器T4B用于推动场效应管Q3、场效应管Q1；通过整流桥CR1进行全桥整流，输出的电压作为全桥开关电源的输入，接入信号QPOWER1和接入信号QPOWER2作为全桥变换电路的输入部分，利用电容C1、电容C2、电容C5、电容C4作为滤波电路进行滤波，高频交流信号通过LC滤波电路实现了从交流到直流的变化；使用高频信号驱动T1A,T1B和高频信号驱动T4A,T4B推动全桥变换电路实现直流到交流的变化，所述高频信号驱动T1A,T1B和高频信号驱动T4A,T4B的信号来自于PWM控制信号，其同时控制着输出变压器T2，继而使所述输出变压器T2的输出电压被整流输出变成直流电；此时所述高压可调电源模块完成了50Hz交流电通过全桥变换电路变化为直流电，再从直流电变成交流，然后交流再变成直流的过程，同时此电路实现了和网电源的隔离。
2.根据权利要求1所述的500A射频消融仪主机系统，其特征在于，所述控制器模块中包含高压高频电源的信号跟随部分，高压高频信号被运算放大器U24A采集后通过ADC3端口送到控制器模块中进行处理，所述运算放大器U24A后面的信号是直流信号，这将便于控制器模块采集，电阻R10、电容C131组成了一个低通电路；所述控制器模块实现了一路采集信号，实际可能存在多路采集信号的要求；所述控制器模块上设置有主控芯片、P4接口与P6接口；所述主控芯片实现信号的数据采集和输出控制，所述信号包括继电器控制信号、模拟量的输入和输出信号、灯光信号、驱动信号以及数字量的控制信号。
3.根据权利要求1所述的500A射频消融仪主机系统，其特征在于，所述功率输出模块输出高频交变的功率，并将在所述控制器模块的控制下作用到人体组织，所述功率输出模块由场效应管D35,变压器T7和电感T6,电感T9组成,通过电容C155耦合后接入人体；其中所述变压器T7的供电来自于所述高压可调电源模块，通过所诉变压器T7的选频匹配电路实现高频波输出；所述功率驱动器模块和所述功率模块直接连接，直接推动所述功率模块，用于输出高频功率。
4.根据权利要求1所述的500A射频消融仪主机系统，其特征在于，所述低压供电电源模块，实现了从网电源220V到12V、-12V以及5V的变换，这些电源将提供给系统进行供电，J1接口设置在主板上，用以连接外置的电源模块，所述低压供电电源模块通过由电感L3,电感L7,电感L8和电容C40,电容C45,电容C48以及电容C39、电容C46和电容C49组成的多级滤波系统完成稳定的低压电源输出。
5.根据权利要求1所述的500A射频消融仪主机系统，其特征在于，所述控制器模块包括脉宽调制控制芯片UC3825，实现了开关电源的控制功能，通过电容C11,电阻R9等的设定实现了系统的软启动，所述脉宽调制控制芯片UC3825上设置有2脚、11脚以及14脚，在所述2脚注入可调参考电压，实现小电压控制大电压的功能，所述11脚和所述14脚用于驱动，互补输出的PWM能实现对电压的控制功能。
6.根据权利要求1所述的500A射频消融仪主机系统，其特征在于，所述测温模块通过接口PtempDual连接到传感器部分，所述接口PtempDual 提供多个数据选择通道和多路温度测量系统实现对温度的实施监控。
7.根据权利要求1所述的500A射频消融仪主机系统，其特征在于，所述蠕动泵的通信接口通过串口线缆连接到所述控制器模块的P4接口上，通过P4接口电路实现了和所述蠕动泵的通信功能，所述蠕动泵处于不同的转速模式，这些模式的设定通过所述控制器模块实现，所述控制器模块根据用户设置、当前阻抗以及温度状态来输出不同的转速需求。
8.根据权利要求1所述的500A射频消融仪主机系统，其特征在于，所述液晶显示器模块实现人机交互中的液晶屏幕显示功能，通过控制器模块实现对液晶屏幕的数据监控，采集并对触摸指令做出响应，所述液晶显示器模块连接在所述控制模块的P6接口上，通过串口实现数据交换。
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