The Experimental Study on Gas-cooled RFA System

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 2.16MB 54 页 15积分

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摘要

恶性肿瘤是威胁人类生命健康的主要因素之一。由于人口老龄化、人们不良

生活习惯越来越多以及环境污染等原因，恶性肿瘤的发病率及死亡率都曾明显的

上升趋势。目前肿瘤治疗的方式有传统的手术切除治疗、放疗、化疗以及微创手

术治疗。而在所有的微创方法当中，射频消融是目前应用最广泛，比较有前途的

治疗方法。但是射频消融射频存在着单针射频消融范围小的问题，本课题利用气

冷式射频消融电极设计新型的气冷式射频消融系统以及相应的控制模式来增大射

频消融的范围。

为了解决射频消融系统存在的单针消融范围小的问题，增大射频消融的范围，

提高射频消融的疗效。本研究主要是使用新型的气冷式射频消融电极，结合硬件

系统设计和验证新型的气冷式射频消融系统的性能。

首先，在已有的射频消融仪的基础上采用 PID 控制算法实现了射频功率的精

确控制，并利用上位机软件实现了射频功率、电压、电流等电量参数以及组织阻

抗和温度的显示和记录。通过实验验证射频功率控制在±0.6W 以内，达到了系统

的要求。

其次，在射频功率精确控制的基础上，设计了三种控制模式：间断功率控制

模式、间断氮气控制模式以及恒温控制模式，并通过设计相应的电路以及软件控

制算法进行实现。间断功率的控制模式是在功率精确控制的基础上，通过上位机

软件实现功率的间断控制；间断氮气的控制模式是采用电磁阀实现氮气的开断的。

在系统中采用 c8051f350 单片机以及设计相应的控制电路实现电磁阀开断的控制；

恒温控制模式是根据气冷式射频消融电极的特点设计出的一种新型的控制模式。

在恒温控制模式中，在保持组织温度恒定的基础上，通过调节制冷的功率来控制

消融的范围。其中温度恒定的控制算法采用的是改进的 PID 控制算法，并通过

labview 软件进行试验。

最后，在实验平台的基础上，以离体猪肝为研究对象实验验证各种控制方式

的效果，并选出最理想的控制模式及控制参数。经实验验证：在间断式功率射频

的模式下组织的温度控制在 100℃之下，并且在射频开通的时候维持了较高的功

率，从而实现增大消融范围；在间断氮气控制模式下通过氮气的开断可以看到组

织的温度明显的下降，防止了组织的烧焦炭化，同时射频功率的输出也维持在一

个很高的水平；恒温控制模式的算法的稳定性好、抗干扰能力较强，能满足对温

度控制的要求以及通过调节制冷功率控制射频消融范围的目的。

关键词：射频消融气冷式消融电极控制模式 PID 算法

ABSTRACT

Cancer was one of the main factors of threat to human life and health . As the

aging population, people’s bad habits and environmental pollution and so on, the

incidence and mortality of cancer have increased significantly. Current methods of

tumor therapy with traditional surgical resection, radiotherapy, chemotherapy and

minimally invasive surgery developed in recent years. Minimally invasive surgery as a

new treatment of tumors attached more and more attention. RF ablation was more

widely used and promising method in all minimally invasive approach. However there

was a problem of single ablation needle that the range of coagulation necrosis was

small .In this project design new gas-cold radiofrequency ablation system to increase

the range of radiofrequency ablation.

In order to solve the problem of range of single-needle ablation is small, increase

range of radiofrequency ablation, improve the curative effect of RFA, new gas-cooled

electrode and hardware system was used to validate new gas cooled radiofrequency

ablation system performance.

Firstly, the power of RFA was precisely controlled by the PID control

algorithmusing which based on existing instruments. RF power, voltage, current and

other electronic parameters and tissue impedance are displayed and record by PC

software.

Secondly, based on the precise control of RF power, three controlled mode was

researched. There were intermittent power control mode, intermitten nitrogen control

mode and constant temperature control mode. Intermittent power control mode was base

on the precise control of RF power, and was achieved by PC software; Intermitten

nitrogen control mode was achieved by solenoid valve breaking the nitrogen .In the

project the solenoid valve was controlled by the slave machine the CPU was c8051f350.

Temperature control mode a new control mode which was based on gas-cooled RF

ablation electrode design features. In this mode, the melting ranges controlled by

adjusting the cooling power . The algorithm of this mode is improved PID algorithm

obtained by the software of Labview.

Finally, experimental verification of the control effect of various modes was tested.

The results showed that the temperature of organization below 100℃ and the power of

RF was higher when it open under the intermittent power control mode, thus the

purpose of increasing ablation range was achieved; With discontinuous nitrogen control

mode, it showed that temperature of organization significantly reduced when nitrogen

open, thus preventing carbonization and vaporization processes occurred ,at the same

time ,the power of RF maintain in a very high level; the algorithm of Temperature

control mode was good stability, strong anti-jamming ability, can satisfy the temperature

control requirements, as well as by adjusting the refrigerating power to control the range

of radiofrequency ablation.

Key words：RF ablation, gas-cooled electrode, controlling mode of

RFA , PID algorithm

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .............................................................................................................. 1

§1.1 背景介绍 .......................................................................................................... 1

§1.2 射频消融的治疗肿瘤的原理及特点 .............................................................. 1

§1.2.1 射频消融治疗的基本原理 ....................................................................... 1

§1.2.2 射频消融治疗的特点 ............................................................................... 2

§1.3 射频消融的发展历程及现状 ....................................................................... 2

§1.3.1 原始的单针电极 ....................................................................................... 3

§1.3.2 多极电极 ................................................................................................... 3

§1.3.3 内冷式电极 .............................................................................................. 6

§1.3.4 复合型电极 ............................................................................................... 7

§1.4 新型气冷式射频电极的介绍 ......................................................................... 7

§1.5 本文的主要研究内容 ...................................................................................... 8

第二章气冷式射频消融系统的设计 ........................................................................ 9

§2 .1 气冷式射频消融系统系统的构成 ................................................................. 9

§2.2 射频发生器的构成 ....................................................................................... 10

§2.2.1 射频发生器的射频产生与放大电路 .................................................... 10

§2.2.2 电压电流检测电路 ................................................................................. 12

§2.2.3 控制单元电路 ........................................................................................ 13

§2.3 上位机软件 .................................................................................................... 15

第三章射频消融的功率控制系统设计 .................................................................. 16

§3.1 单片机控制系统的软件设计 ....................................................................... 16

§3.2 上位机系统软件的设计 ............................................................................... 17

§3.2.1 上位机串口通讯软件 ............................................................................ 17

§3.2.2 显示界面 ................................................................................................ 18

§3.2.3 数据记录程序 ........................................................................................ 19

§3.2.4 功率控制程序 ........................................................................................ 20

§3.3 PID 功率控制算法 ......................................................................................... 21

§3.4 功率控制算法的实验验证 ........................................................................... 22

§3.4.1 实验方法 ................................................................................................ 22

§3.4.2 结果与分析 ............................................................................................ 22

第四章气冷式射频消融系统控制模式的研究 ...................................................... 24

§4.1 射频消融控制模式 ....................................................................................... 24

§4.1.1 射频系统的控制方式 ............................................................................. 24

§4.1.2 射频系统的能量输出方式 ..................................................................... 25

§4.2 控制模式设计及效果验证 ............................................................................ 25

§4.2.1 控制模式设计 ......................................................................................... 25

§4.2.2 控制模式效果实验验证 ......................................................................... 26

§4.3 间断射频的控制模式设计及实现 ................................................................ 26

§4.3.1 间断射频的控制模式设计 ..................................................................... 26

§4.3.2 间断射频的控制模式实现 ..................................................................... 27

§4.3.3 间断射频控制模式实验验证 ................................................................. 27

§4.4 间断氮气的控制模式设计及实现 ................................................................ 28

§4.4.1 间断氮气的控制模式设计 ..................................................................... 28

§4.4.2 间断氮气的控制模式控制系统电路设计 ............................................. 29

§4.4.3 间断氮气的控制模式软件设计 ............................................................. 33

§4.4.3 间断氮气的控制模式实验验证 ............................................................. 35

§4.5 恒温控制模式设计及实现 ............................................................................ 35

§4.5.1 恒温控制模式设计 ................................................................................. 35

§4.5.2 控制模式的实现 ..................................................................................... 36

§4.5.2 恒温控制模式上位机软件控制算法的介绍 ........................................ 38

§4.5.2 恒温模式的控制效果实验验证 ............................................................ 42

第五章结论与展望 .................................................................................................. 44

§5.1 总结 ............................................................................................................... 44

§5.2 展望 ............................................................................................................... 44

参考文献 .................................................................................................................... 46

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ........................................ 50

致谢 ...................................................................................................................... 51

第一章绪论

§1.1 背景介绍

目前恶性肿瘤是世界人口死亡的主要的因素之一[1, 2]。在中国每 5个死亡的人

中就有 1人死于肿瘤。由于人口剧增、生态破坏、环境污染、不良生活方式等因

素的影响使恶性肿瘤成为 21 世纪威胁人类健康、导致死亡的主要疾病。恶性肿瘤

死亡率在疾病死亡谱的顺序从 50 年前第 7位, 10 年前第二位, 目前已跃居首位。

恶性肿瘤也逐渐成为我国常见病、多发病, 肿瘤防治工作面临前所未有的压力[3]。

目前肿瘤治疗的方式有传统的手术切除治疗、放疗、化疗以及近几年发展起

来的微创手术治疗，其中传统疗法占据主要的地位。但是传统的方法在治疗肿瘤

上存在着很大的缺陷。以在中国发病率及死亡率都很高的肝脏肿瘤为例。虽然手

术肝脏切除治疗具有很高的存活率，其五年的存活率在 25%-60%之间，而不经手

术治疗的五年存活率几乎为 0%。但是由于肿瘤位置，病人的肝脏功能等因素的影

响，使得手术治疗有较高的风险，只有 10%-20%的病人适合手术治疗[1]。而放疗

和化疗有很大的副作用，会严重影响病人的生活质量。

基于以上原因微创疗法作为一种新型的肿瘤治疗方法在过去几年中得到了发

展。目前，主要的微创肿瘤治疗方法有以下几种：射频消融、间质激光热疗、微

波、高聚强度超声和冷冻治疗等。射频消融由于其特点，目前已成为临床中治疗

不适合手术病人的主要的方法[1]。一项调查显示在 117 位经过射频消融术治疗的病

人其 1年，2年，3年的存活率分别为 93%，62%，41%[4]。并且相对其他的微创

治疗的方法，射频消融治疗的并发症也比较低[5-8]。所以射频消融是目前国际上应

用最广的微创治疗方法，也是比较有前途的微创肿瘤治疗方法[2, 9-11]。

§1.2 射频消融的治疗肿瘤的原理及特点

§1.2.1 射频消融治疗的基本原理

射频消融是一种高温热疗技术，它是利用正弦形态的高频交流电（500KHz 左

右），通过射频电极发射进入周围组织内，从而在射频电极和置于患者皮肤上的中

性电极间产生射频场，高频电流可自由的来回运动从而引起细胞内离子运动而摩

擦生热[12]。射频消融治疗是利用这种高频的交流电对组织的热作用，对组织加热

达到杀死肿瘤细胞的温度，从而达到治疗肿瘤的目的。而且在射频消融的过程当

中，正常组织和肿瘤组织同样吸收电磁波能量，但是由于肿瘤组织散热不良，并

且肿瘤细胞对高温比较敏感，因此高温能杀死肿瘤细胞，而对正常组织损伤较小，

所以在射频消融的过程当中，副作用很小，对正常的组织影响不大[9, 13]。从而实现

在不损伤正常细胞的前提下杀死肿瘤细胞，达到治疗肿瘤的目的。

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摘要：

摘要恶性肿瘤是威胁人类生命健康的主要因素之一。由于人口老龄化、人们不良生活习惯越来越多以及环境污染等原因，恶性肿瘤的发病率及死亡率都曾明显的上升趋势。目前肿瘤治疗的方式有传统的手术切除治疗、放疗、化疗以及微创手术治疗。而在所有的微创方法当中，射频消融是目前应用最广泛，比较有前途的治疗方法。但是射频消融射频存在着单针射频消融范围小的问题，本课题利用气冷式射频消融电极设计新型的气冷式射频消融系统以及相应的控制模式来增大射频消融的范围。为了解决射频消融系统存在的单针消融范围小的问题，增大射频消融的范围，提高射频消融的疗效。本研究主要是使用新型的气冷式射频消融电极，结合硬件系统设计和验证新型的气冷式射...

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