一种用于不可逆电穿孔设备的电极控制系统的制作方法

1.本发明属于消融控制技术领域，尤其涉及一种用于不可逆电穿孔设备的电极控制系统。


背景技术：

2.心房颤动（简称房颤）(atrial fibrillation，af) 是常见的心律失常。目前 af 疗法主要有药物和导管消融。消融术是通过致热或致冷的方式使肺静脉及局部组织凝固坏死，从而隔离肺静脉达到终止af的治疗目的，导管消融术为 af 治疗的一线治疗方案。脉冲场消融是一种新的消融方式，它不是通过致冷或致热的方式使组织发生凝固性坏死，而是通过是在电极间释放高压直流脉冲，在细胞膜上形成大量亲水性的纳米级的透膜性孔洞，使细胞的通透性增加，导致细胞凋亡，从而在肺静脉前庭部位形成高阻带，阻断了异常起搏信号传入心脏，达到治疗房颤的目的。
3.不可逆电穿孔（irreversible electroporation ，ire）是指电极间施加高压超短电场脉冲作用于细胞膜的磷脂双分子层上产生纳米量级的不可恢复的空洞，破坏细胞内平衡,使细胞快速凋亡，达到消融有膜结构细胞的目的。产生不可逆电穿孔需要消融电势达到一定的阈值，不同有膜结构细胞电穿孔阈值不同，因此可以利用该梯度特性，实现对于消融区域内有膜结构的组织进行特异性消融，而未达到消融阈值组织则可以愈合，达到阈值的组织产生不可逆电穿孔，从而产生凋亡坏死。
4.通过导管将电极推送至目标组织，电极根据结构特性，适形展开为与组织或脉管贴合的形状，对组织或脉管进行消融治疗，例如治疗：房颤、顽固性性高血压、肥厚型心肌病。
5.经检索，现有技术大部分的消融控制均为对称脉冲。尽管也有现有技术提出一些非对称脉冲控制技术，例如公开号为cn112022331a的中国发明专利申请公开的不可逆电穿孔消融系统，其提出将不对称脉冲施加至所述消融电极使其输出电刺激信号，不对称脉冲正脉冲切换至负脉冲及负脉冲切换至正脉冲的过程均设置空闲时间。
6.然而，在实际应用中发现，上述技术方案依然采用单（极）电极，空闲时间为0.1-30us，使得在高压放电中设备需要频繁的充电和放电，而短时的充放电过程会导致脉冲异常（例如锯刺），从而使得消融区域的均匀性和安全性均受到影响，也无法和消融区域的状态形成实时反馈。


技术实现要素：

7.为解决上述技术问题，本发明提出一种高频不可逆电穿孔治疗系统，包括多个脉冲电极与脉冲发生器。
8.脉冲发生器将脉冲电刺激信号按照时间先后输送至一组脉冲电极的第一正相脉冲主电极和第二反相脉冲主电极；当第一光纤温度传感器检测到的第一温度与第二光纤温度传感器检测到的第二温度的差值绝对值大于预设值时，生成反馈信号发送至电极控制系
统；电极控制系统基于反馈信号调整脉冲发生器产生的脉冲电刺激信号的脉冲宽度和占空比。第一正相脉冲主电极和第二反相脉冲主电极均包含多个分支瓣，每个分支瓣由多个分支电极组成。
9.本发明可改善消融治疗的均匀性，并且提升安全性与稳定性。
10.具体的，本发明的技术方案实现如下：一种用于不可逆电穿孔设备的电极控制系统，所述电极控制系统连接所述不可逆电穿孔设备，所述不可逆电穿孔设备包括多组脉冲电极与脉冲发生器；所述脉冲发生器连接脉冲输出端、储能单元与放电单元；每组脉冲电极包括第一正相脉冲主电极和第二反相脉冲主电极；所述第一正相脉冲主电极和第二反相脉冲主电极均包含多个分支瓣，每个分支瓣由多个分支电极组成；所述脉冲发生器将产生的脉冲电刺激信号按照时间先后输送至一组脉冲电极的所述第一正相脉冲主电极和第二反相脉冲主电极；所述第一正相脉冲主电极耦合有第一光纤温度传感器，第二反相脉冲主电极均耦合有第二光纤温度传感器；当所述第一光纤温度传感器检测到的第一温度与所述第二光纤温度传感器检测到的第二温度的差值绝对值大于预设值时，生成反馈信号发送至所述电极控制系统；所述电极控制系统基于所述反馈信号调整所述脉冲发生器产生的脉冲电刺激信号的脉冲宽度和占空比。
11.进一步的，所述脉冲输出端通过选通器与所述多组脉冲电极中的一组脉冲电极连接；所述电极控制系统监测所述储能单元的剩余容量；当所述储能单元的剩余容量低于第一预设值时，所述电极控制系统控制所述脉冲输出端断开与当前通信的脉冲电极组之间的通信，并在等待预定时间段后，控制所述脉冲输出端与另一组脉冲电极通信。
12.当所述储能单元的剩余容量大于第一预设值时，基于储能单元的当前剩余容量调整所述脉冲发生器产生的脉冲电刺激信号的脉宽。
13.所述脉冲发生器通过所述脉冲输出端在同一时刻仅与一组脉冲电极中的第一正相脉冲主电极和第二反相脉冲主电极通信；所述脉冲发生器将产生的脉冲电刺激信号按照时间先后输送至一组脉冲电极的所述第一正相脉冲主电极和第二反相脉冲主电极，具体包括：所述电极控制系统在第一时刻控制所述脉冲输出端与所述第一正相脉冲主电极和第二反相脉冲主电极通信，并在第一时刻将所述脉冲发生器产生的脉冲电刺激信号输送至所述第一正相脉冲主电极，在第二时刻将所述脉冲发生器产生的所述脉冲电刺激信号输送至所述第二反相脉冲主电极，所述第一时刻不同于所述第二时刻。
14.进一步的，所述第一正相脉冲主电极和第二反相脉冲主电极均包含多个分支瓣，每个分支瓣由多个分支电极组成，具体如下：每个分支瓣上的分支电极的截面积相同，每个分支瓣上的多个分支电极的布置方式采用如下之一或者其任意组合：
a)采取相等间距和不等间距形式布置；b)采用相等长度和不等长度形式布置；c)采用相等数量和不等数量形式布置。
15.其中，不同分支瓣上的电极两两放电，每个分支瓣作为一个放电侧枝，形成线性消融。
16.同一分支瓣上的电极两两放电，形成环形消融或橘瓣形消融。
17.将所有分支电极进行连续数值编号；奇数编号的分支电极为同一正极性，偶数编号的分支电极为同一负极性，分支电极同时放电，形成快速环形消融。
18.所述第一正相脉冲主电极直接接收所述脉冲发生器产生的脉冲电刺激信号分发至分支瓣的分支电极作用于消融区域；第二反相脉冲主电极接收所述脉冲发生器产生的所述脉冲电刺激信号后进行反相处理后分发至分支瓣的分支电极作用于消融区域。
19.基于上述架构，本发明所述的所述电极控制系统控制所述不可逆电穿孔设备耦合消融脉冲与心脏刺激信号。
20.本发明的进一步优点将结合说明书附图在具体实施例部分进一步详细体现。
21.附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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。
23.图1是本发明一个实施例的一种用于不可逆电穿孔设备的电极控制系统的基本架构示意图；图2是图1所述用于不可逆电穿孔设备的电极控制系统的控制流程示意图；图3是图1所述用于不可逆电穿孔设备的电极控制系统的控制原理的第一控制流程示意图；图4是图1所述用于不可逆电穿孔设备的电极控制系统的控制原理的第二控制流程示意图；图5是本发明所述不可逆电穿孔设备采用的分支瓣与分支电极的布局示意图；图6-图11是图5所述分支瓣与分支电极的不用组合方案的效果示意图。
具体实施方式
24.下面，结合附图以及具体实施方式，对发明做出进一步的描述。
25.参照图1，图1是本发明一个实施例的一种用于不可逆电穿孔设备的电极控制系统的基本架构示意图。
26.在图1中，示出所述电极控制系统连接不可逆电穿孔设备，所述不可逆电穿孔设备包括多组脉冲电极与脉冲发生器；
所述脉冲发生器连接脉冲输出端、储能单元与放电单元；每组脉冲电极包括第一正相脉冲主电极和第二反相脉冲主电极；所述第一正相脉冲主电极和第二反相脉冲主电极均包含多个分支瓣，每个分支瓣由多个分支电极组成；所述脉冲发生器将产生的脉冲电刺激信号按照时间先后输送至一组脉冲电极的所述第一正相脉冲主电极和第二反相脉冲主电极；在图1中，所述脉冲输出端通过选通器与所述多组脉冲电极中的一组脉冲电极连接。
27.基于图1，参见图2，图2是图1所述用于不可逆电穿孔设备的电极控制系统的控制流程示意图。
28.在图2中，所述第一正相脉冲主电极耦合有第一光纤温度传感器，第二反相脉冲主电极均耦合有第二光纤温度传感器；当所述第一光纤温度传感器检测到的第一温度与所述第二光纤温度传感器检测到的第二温度的差值绝对值大于预设值时，生成反馈信号发送至所述电极控制系统；所述电极控制系统基于所述反馈信号调整所述脉冲发生器产生的脉冲电刺激信号的脉冲宽度和占空比。
29.作为更具体的实施例，可将光纤温度传感器fbg耦合于消融电极，当电极温度发生变化，带动传感器部分温度发生变化，光纤的热膨胀效应和热光效应引起布拉格光栅反射中心波长漂移，温度和波长漂移量成正比。使反射光光谱发生变化，反射光经光纤反馈至光谱仪，转换为温度变化，将温度变化量转换为控制量，送入高压陡脉冲控制模块和局部热消融模块。
30.高压陡脉冲消融：通过电极间释放高压直流超窄脉冲，在电极间形成大电流，使极间肿瘤细胞产生不可逆电穿孔，进入凋亡。该模组通过耦合与消融电极内部的光纤温度传感器，精准采样消融电极温度，动态调整脉冲宽度，实现无热损不可逆电穿孔消融。
31.局部热消融：在消融电极内耦合了光纤温度传感器，温度的变化引起激光波长变化，通过耦合接口将反射光连接至集成于主机的光谱仪，识别光谱变化，转换为温度信号，反馈至局部热消融控制模块，动态调整电极间交变电压输出功率。局部热消融采用单电极与腿部极板间释放高频交变电流，以电极为中心形成完成局部热消融，通过精准的光纤温度传感器，精准调节输出功率，准确控制消融范围，达到破坏肿瘤微环境，增强局部药物传递浓度提高药物疗效的作用。
32.所述电极控制系统基于所述反馈信号调整所述脉冲发生器产生的脉冲电刺激信号的脉冲宽度和占空比之后，所述脉冲发生器将产生的脉冲电刺激信号按照时间先后输送至一组脉冲电极的所述第一正相脉冲主电极和第二反相脉冲主电极。
33.接下来参见图3和图4。
34.图3是图1所述用于不可逆电穿孔设备的电极控制系统的控制原理的第一控制流程示意图；在图3中，首先，所述脉冲输出端通过选通器与所述多组脉冲电极中的一组脉冲电极连接；然后，所述电极控制系统监测所述储能单元的剩余容量；
当所述储能单元的剩余容量低于第一预设值时，所述电极控制系统控制所述脉冲输出端断开与当前通信的脉冲电极组之间的通信，并在等待预定时间段后，控制所述脉冲输出端与另一组脉冲电极通信；此时，可以回到开始步骤（首先步骤）。
35.在图4中，控制流程起始于：所述脉冲输出端通过选通器与所述多组脉冲电极中的一组脉冲电极连接；然后，所述电极控制系统监测所述储能单元的剩余容量；当所述储能单元的剩余容量大于第一预设值时，基于储能单元的当前剩余容量调整所述脉冲发生器产生的脉冲电刺激信号的脉宽；此时不改变选通信号，继续回到控制起始流程。
36.作为一个具体的实施例，所述储能单元的剩余容量可以采用剩余比例ratio来衡量，基于储能单元的当前剩余容量调整所述脉冲发生器产生的脉冲电刺激信号的脉宽可以采用如下公式进行调节：；ratio为0-1之间的百分比例值；其中，plusw为调节后的脉冲宽度；plus为调节前的脉冲宽度，sum为所述储能单元的总容量，sumr为所述储能单元的剩余容量，二者采用同一单位衡量。sum的数值大于1。
37.脉宽调节技术也可以参照现有技术。
38.在上述实施例中，所述脉冲发生器通过所述脉冲输出端在同一时刻仅与一组脉冲电极中的第一正相脉冲主电极和第二反相脉冲主电极通信；所述脉冲发生器将产生的脉冲电刺激信号按照时间先后输送至一组脉冲电极的所述第一正相脉冲主电极和第二反相脉冲主电极，具体包括：所述电极控制系统在第一时刻控制所述脉冲输出端与所述第一正相脉冲主电极和第二反相脉冲主电极通信，并在第一时刻将所述脉冲发生器产生的脉冲电刺激信号输送至所述第一正相脉冲主电极，在第二时刻将所述脉冲发生器产生的所述脉冲电刺激信号输送至所述第二反相脉冲主电极，所述第一时刻不同于所述第二时刻。
39.显然，第二时刻是第一时刻延后预设时间段的时刻。
40.这种延后，避免了短时频繁充放电的同时，又能够确保治疗的延续性，因此提升了安全性与稳定性。
41.同时，在上述实施例中，所述第一正相脉冲主电极直接接收所述脉冲发生器产生的脉冲电刺激信号分发至分支瓣的分支电极作用于消融区域；第二反相脉冲主电极接收所述脉冲发生器产生的所述脉冲电刺激信号后进行反相处理后分发至分支瓣的分支电极作用于消融区域。
42.相比于单极性，可以提升均匀性效果；同时，相比于采用单极性分别施加非对称脉冲的现有技术，以上改进方式不需要调节脉冲发生器本身产生的脉冲，使得响应更为迅速，不必等待空闲时间。
43.在图1-图4基础上，为进一步增强均匀性，参见图5，所述第一正相脉冲主电极和第二反相脉冲主电极均包含多个分支瓣，每个分支瓣由多个分支电极组成。图5示出了本发明所述不可逆电穿孔设备采用的分支瓣与分支电极的布局示意图。
44.在图5中，电极包含2-8个分支瓣，分支电极瓣上附有3-8个电极，每个电极可以独立寻址，电极既可以作为刺激电极，产生刺激信号，同时也可以用于释放消融脉冲电压，电极绝缘管及引导线具有绝缘特性，至少电压2000v、脉宽100us脉冲电压作用下，对应的绝缘材质未发生击穿。导管包含4-8个电极瓣，在牵引管的拉或推的作用力下可以打开呈灯笼状，也可以收紧为柱状。电极收缩后，导管直径为4-10mm，打开后，前端直径为10-40mm。
45.每个分支瓣上采用相同截面的电极情况下，可以采用如下但并不限于形式：a)采取相等间距和不等间距形式布置，b)采用相等长度和不等长度形式布置c)采用相等数量和不等数量形式布置d)采用上述三种情况任意组合形式，并在不同分支瓣自由布置。
46.电极布置形式上可以根据分支瓣数、每分支瓣电极数、电极间距、电极长度、电极直径、花瓣打开圆周直径、电极截面形状等情况布置，同时电极材质也有不同选择。
47.独立分支瓣上的电极两两放电，每个分支瓣作为一个放电侧枝，形成放电侧枝，形成线性消融。
48.以3个分支瓣4电极布置方式进行介绍，如图5所示选取分支1中电极，从顶部依次命名电极0、电极1、电极2、电极3，在分支瓣上采用放电次序为1-2、2-3，形成脉冲电场为12、23区域范围，如图6所示。
49.分支间电极放电，电极两两放电，形成环形消融或橘瓣形消融。
50.以3个分支瓣4电极布置方式进行介绍，如图5所示选取分支1、分支2、分支3，从顶部依次命名电极0、电极11、电极21、电极31，在分支瓣上采用放电次序为11-21、21-31、31-11，形成脉冲电场为a1、a2、a3区域范围，同时围城一个平行环形电场a区域，参见图7。
51.依次类推电极12、电极22、电极32，在分支瓣上采用放电次序为12-22、22-32、32-12，形成脉冲电场为b1、b2、b3区域范围，同时围城一个平行环形电场b区域；依次类推电极13、电极23、电极33，在分支瓣上采用放电次序为13-23、23-33、33-13，形成脉冲电场为c1、c2、c3区域范围，同时围城一个平行环形电场c区域。
52.根据前面分支上电极间相互放电分别形成橘瓣状脉冲场d、e、f区域，这样形成环形与与橘瓣混合电场，如图8所示。
53.奇数侧枝为同一极性，偶数侧支为同一极性，支间同时放电，形成快速环形消融。
54.以4个分支瓣4电极布置方式进行介绍，如图5所示选取分支1、分支2、分支3、分支4，将分支13作为正极，分支24作为负极，在分支瓣上采用放电次序为13-24，形成一个环形脉冲电场g区域，如图9所示。
55.顶部电极为一极性，侧枝紧邻顶部电极为同一极性，进行脉冲放电，形成平面消融。
56.以3个分支瓣4电极布置方式进行介绍，如图5所示选取分支1、分支2、分支3，从顶部依次命名电极0、电极11、电极21、电极31，采用放电次序为0-21/21/31，形成环面脉冲电场h区域，如图10所示。
57.顶部电极为一极性，侧枝电极为同一极性，进行快速脉冲放电，形成伞状消融。
58.以3个分支瓣4电极布置方式进行介绍，如图5所示选取分支1、分支2、分支3，从顶部依次命名电极0为正极，分支1、分支2、分支3所有电极为负极，采用正负极放电，形成伞形脉冲电场i区域，如图11所示。
59.消融电极瓣底端与接口连接，接口将电极瓣与导管联通，电极引线通过接口进入导管，导管为中控官腔，使电极引导线与牵引金属管通过，导管长度为1-2.5m，导管末端与手柄连接。
60.手柄设置了拉伸旋转旋钮，通过拉伸运动控制牵引金属管控制消融电极瓣的打开及收缩，通过旋转控制电极瓣打开姿态，手柄末端为双开接线端子，分别接入脉冲消融系统，一个端子用于耦合消融脉冲，一个端子用于耦合心脏刺激信号。
61.消融电极释放脉冲奇数电极瓣为一个极性，偶数电极瓣为一个极性，所有电极同时放电，以四个电极瓣为例：1、3电极瓣为同一极性，2、4电极瓣为同一极性，电极瓣最远端的电极不参与放电。放电脉冲可以为单向方波，脉冲宽度2us-100us连续可选，放电电压不高于1000v，也可以为交变脉冲序列（交变脉冲序列参数范围）。
62.消融电极释放脉冲以电极瓣为单元，电极瓣间两两释放脉冲，以四个电极瓣为例：1-2，2-3，3-4，4-1释放，最远端的电极不参与放电，放电脉冲可以为单向方波，脉冲宽度2us-100us连续可选，也可以为交变脉冲序列（交变脉冲序列参数范围）。
63.消融电极释放脉冲以电极为单位独立寻址，电极间两两释放脉冲，以四瓣电极每瓣上有3个电极为例：每个电极瓣上的电极可以相邻电极间两两放电1-2，2-3放电，相邻电极瓣间相同纬度的电极可以两两放电1-4，2-5，3-6放电。电极间放电脉冲可以为单向方波，脉冲宽度2us-100us连续可选，也可以为交变脉冲序列（交变脉冲序列参数范围）。
64.导管依据电极瓣数量和导管应用人群血管情况，导管分为8fr、8.5fr、9fr、9.5fr、10fr、10.5fr、11fr、11.5fr、12fr、12.5fr。导管经股静脉经房间隔穿刺进入左心房。导丝经过中空金属管穿过防回流夹膜进入新房，引导导管到达目标位置。拉中空金属管打开消融电极瓣，呈花瓣状，按照设计的放电序列进行放电。
65.需要注意的是，本发明可以解决多个技术问题或者达到相应的技术效果，但是并不要求本发明的每一个实施例均解决所有技术问题或者达到所有的技术效果，单独解决某一个或者某几个技术问题、获得一个或多个改进效果的某个实施例同样构成单独的技术方案。
66.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。