CN102441231A - 基于fpga控制的全固态高压纳秒方波脉冲发生器 - Google Patents
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Abstract
一种基于FPGA控制的全固态高压纳秒方波脉冲发生器，属于生物电磁技术领域。本发明主要包括电源系统、脉冲形成系统、脉冲测量系统、FPGA控制系统、信号转换系统和便携式计算机。本发明输出的脉冲幅值为0~10kV、脉冲宽度为200~1000ns、脉冲频率为1~1000Hz，下降沿为30~40ns，脉冲个数为1~1000个，具体参数根据治疗肿瘤的需要确定。本发明具有脉冲参数(脉冲幅值、宽度、频率和个数)智能调节，光纤传输，参数精确度高，使用寿命长，体积小，故障率低，安全性好等特点；本发明输出的脉冲频率高，通过智能调节更有利于快速寻求诱导肿瘤细胞凋亡的最佳窗口参数，从而提高肿瘤治疗效果。本发明可广泛应用于肿瘤的治疗中。
Description
技术领域
本发明属于生物电磁技术领域，具体涉及基于现场可编程门阵列(FPGA)控制的全固态高压纳秒方波脉冲发生器。
背景技术
目前，纳秒脉冲功率技术正在越来越广泛地被应用到高科技研究、高新技术和民用工业等研究领域，主要致力于在石油勘探、加速器、准分子激光器、粒子束、电子束和医疗技术等领域的应用研究。就民用领域的生物医学领域而言，纳秒脉冲电场对细胞结构和功能的影响以及其对生物体的治疗作用，已经成为生物电磁技术领域的研究热点。研究表明：当脉宽降低至纳秒(ns)级、电场强度升高到10kV/cm及以上时，这种纳秒脉冲电场带来的是一系列与电穿孔现象截然不同的细胞响应，尽管细胞膜表面没有发生明显的电穿孔现象，但细胞内部却出现了磷脂酰丝氨酸外翻、半胱氨酸蛋白酶(Caspases)活化、钙离子释放、DNA和染色体破碎、大量微核产生等一系列的功能性改变，同时诱导细胞发生程序性死亡(Programmed death)，也称之为凋亡(Apoptosis)，这种现象称之为细胞内处理电效应(Intracellular Electromanipulation，IEM)。纳秒脉冲电场以其独特的细胞内电处理效应及其诱导凋亡的重要特征已引起人们极大的关注，成为生物电磁技术研究的重要课题。
现有高压纳秒脉冲发生器，如申请号为200910191957.8的“便携式高压纳秒方波脉冲发生器”，该专利公开了一种基于布鲁姆莱恩(Blumlein)单形成线集中参数原理产生脉冲的纳秒脉冲发生器，该装置主要包括电源系统、高压直流模块、低压电源、脉冲形成系统和脉冲整形及计数系统。装置输出脉冲幅值最高15kV，脉宽调节范围50ns~1us，上升沿陡度可达10ns,输出脉冲重复频率0.2~15Hz可控，输出脉冲个数可设定。该装置主要缺点是：采用火花气体开关为主开关，维护和更换费用高，限制了该装置的使用寿命；输出脉冲重复频率低，不利于纳秒脉冲电场肿瘤细胞内电处理效应窗口参数的选择；输出脉冲脉宽调节需要通过手动增减或减少网络模块，很难实现对脉冲参数的精确显示与调节，不利于脉冲参数的实时调节；需要高精度的负载电阻与之匹配才能输出方波脉冲，限制了装置的使用范围。
发明内容
本发明的目的是针对现有高压纳秒脉冲发生器的不足之处，提供一种基于FPGA控制的全固态高压纳秒方波脉冲发生器。本发明具有体积小、使用寿命长、能精确控制输出纳秒方波脉冲的电压幅值(0~10kV)、脉冲宽度(200~1000ns)、脉冲频率(1~1000Hz)和脉冲个数(1~1000个)四项参数、下降沿陡(30~40ns)的特点。
本发明的原理：本发明基于马克斯发生器原理，通过对一组电容器并联充电，然后由固态开关器件对电容器串联放电产生的初始脉冲斩波获得所需高压纳秒方波脉冲。操作人员通过便携式计算机的脉冲发生器控制程序用户界面设置输出脉冲幅值、脉冲宽度、脉冲频率和脉冲个数，被FPGA控制系统的单片机模块和FPGA模块运算处理后通过信号转换系统发送控制信号给脉冲形成系统和高压直流模块。高压直流模块按照操作人员设定的输出脉冲幅值通过限流电阻为脉冲形成系统中的马克斯电路供电，电容器组进行并联充电，充电完成后电容器组通过串联放电形成倍压释放到负载上。固态开关器件按照操作人员设定的脉冲宽度、脉冲频率和脉冲个数进行开关动作从而控制输出脉冲的宽度、频率和脉冲个数。脉冲测量系统中的分压器测量得到的输出脉冲电压通过处理电路处理后发送给FPGA控制系统，实时调节充电电压，这样可以使装置输出恒定的预设幅值的高压纳秒方波脉冲；电流传感器测量得到的输出脉冲电流信号通过处理电路处理后发送给FPGA控制系统，当超过整定电流信号时，由FPGA控制系统进行延时判断锁定控制信号，关断脉冲形成系统中的固态开关器件工作，实现整个装置的保护功能。
实现本发明目的的技术方案：一种基于FPGA控制的全固态高压纳秒方波脉冲发生器，主要包括电源系统、脉冲形成系统、脉冲测量系统、FPGA控制系统、信号转换系统和便携式计算机。
所述的电源系统，包括电源、隔离变压器(电压、频率变比均为1:1)、高压直流模块、开关电源T1、开关电源T2、DC-DC模块。所述的电源为220V市电，通过导线与隔离变压器的原边连接，隔离变压器的副边通过导线与高压直流模块的输入端连接，用以为高压直流模块提供交流电源。所述的高压直流模块为输出最高电压幅值2000V、最大电流幅值40mA直流电的市购模块，所述的高压直流模块的输出端通过导线与脉冲形成系统的充电隔离电阻串联后再与脉冲形成系统的马克斯电路的输入端连接，用以为脉冲形成系统的马克斯电路中的储能电容器组提供充电电源。所述的隔离变压器的原边的接地线与副边的接地线不直接连接，将所述的电源与所述的高压直流模块进行隔离，使它们不同大地连接，大大减少了来自于大地的各种干扰信号，提高了系统工作的稳定性。所述的开关电源T1(市购元件)的输入端通过导线与所述的电源连接，所述的开关电源T1将220V交流电转换为15V的直流电后，通过导线与所述的DC-DC模块的输入端连接，所述的DC-DC模块(市购元件)将15V直流电转换为15V直流电后通过导线与脉冲形成系统的马克斯电路中的开关驱动器的输入端连接，用以为开关驱动器提供电源，同时起到强、弱电之间的电压隔离作用。所述的开关电源T2(市购元件)的输入端通过导线与所述的电源连接，所述的开关电源T2将220V交流电转换为5V直流电后，分别通过导线分别与FPGA控制系统中的FPGA模块、单片机模块和报警模块及信号转换系统的两个电/光转换器J1、J2和两个光/电转换器K1、K2的输入端连接，用以为所述的FPGA控制系统中的FPGA模块、单片机模块和报警模块以及所述信号转换系统的所述四个转换器提供电源。所述的电源系统为本发明的所述的脉冲形成系统、所述的FPGA控制系统和所述的信号转换系统提供安全、稳定的电源，保障其正常工作。
所述的脉冲形成系统，包括充电隔离电阻、马克斯电路和负载。所述的充电隔离电阻的一端通过导线与前述电源系统的高压直流模块的输出端连接，用以起到充电的限流和马克斯电路的高压与充电直流模块电源电压隔离的作用。所述的充电隔离电阻的另一端通过导线与马克斯电路的第一级电压单元的旁路二极管的正极连接。所述的马克斯电路由4~10级串联在母板上的带旁路二极管的电压单元组成，用以形成高压纳秒方波脉冲。每级电压单元由全固态开关、开关驱动器、储能电容器、旁路二极管和二极管组成。在每级所述的电压单元中：旁路二极管的负极通过导线与全固态开关和储能电容器的并联点连接，全固态开关的栅极通过导线与开关驱动器的输出端连接，开关驱动器的输入端通过导线与所述的电源系统的DC-DC模块的输出端连接，开关驱动器的控制端通过导线与所述的信号转换系统的第二光/电转换器K2连接，在所述的信号转换系统的第二光/电转换器K2的作用下，在马克斯电路中的开关驱动器输出驱动信号使全固态开关开通/关断；储能电容器的另一端与二极管的正极串联后，再与全固态开关并联。当全固态开关处于关断状态时，旁路二极管和二极管导通形成储能电容器的充电电流通路，储能电容器以并联方式进行充电；当全固态开关处于开通状态时，旁路二极管和二极管反向截止，已经充满至预设电压的储能电容器以串联方式对负载进行放电，控制储能电容器对负载放电的脉冲宽度而形成所需的高压纳秒方波脉冲；当全固态开关重新断开时，对储能电容器再次充电。同时，当某一个或者多个全固态开关失效的情况下，该一个或者多个电压单元的旁路二极管和二极管导通而自动旁路该一个或者多个电压单元，其余电压单元仍能正常工作，从而使系统仍然能够输出高压纳秒方波脉冲。所述的负载为无感电阻负载，通过导线并联在马克斯电路的输出端，从而构成马克斯电路的放电回路，作为治疗肿瘤的输出高压纳秒方波脉冲端。在马克斯电路的输出端与所述负载的连接处通过导线与脉冲测量系统连接。
所述的脉冲测量系统，包括分压器、电流传感器和处理电路。所述的分压器的输入端通过导线与所述的脉冲形成系统的输出端连接，所述分压器的输出端通过导线与处理电路的输入端连接，用于监测所述的脉冲形成系统的马克斯电路产生的脉冲电压信号。所述的电流传感器的输入端通过导线与所述的脉冲形成系统的输出端连接，所述电流传感器的输出端通过导线与处理电路的输入端连接，用于监测所述的脉冲形成系统的马克斯电路产生的脉冲电流信号。所述处理电路的输出端通过导线与所述的FPGA控制系统的FPGA模块的输入端连接。通过FPGA控制系统运算处理后检测出所述马克斯电路对所述负载的放电状态信息。
所述的FPGA控制系统，包括市购的FPGA模块和同步触发模块及单片机模块以及报警模块。所述的FPGA模块接收从所述测量系统的处理电路传输来的监测的所述脉冲形成系统的马克斯电路输出的高压纳秒方波脉冲的电压和电流信号，经过运算处理后，一方面所述的FPGA模块通过导线与所述的单片机模块进行数据交换。另一方面所述FPGA模块通过导线与所述的同步触发模块的输入端连接，所述同步触发模块的输出端通过光纤，经过信号转换系统的第二电/光转换器J2和第二光/电转换器K2，与所述的脉冲形成系统的马克斯电路的开关驱动器的控制端连接，将所述的同步触发模块发送给开关驱动器的同步触发脉冲信号转换成光信号进行传输，避免受到所述的脉冲形成系统的高压的干扰，确保同步触发脉冲信号的稳定性与同步性。所述的报警模块通过导线与所述的FPGA模块连接，当负载输出的脉冲电流超过整定电流时，由所述的FPGA模块进行延时判断后锁定同步触发脉冲信号，关断脉冲形成系统中的全固态开关工作并通过所述的报警模块发出报警信号，提示操作人员切断电源，从而确保本发明脉冲发生器和操作人员的安全。所述的单片机模块通过光纤，经过信号转换系统的第一电/光转换器J1和第一光/电转换器K1与所述电源系统的高压直流模块的控制端连接，将所述的FPGA控制系统发出的对所述的高压直流模块的控制信号转换成光信号进行传输，避免受到所述的脉冲形成系统的高压的干扰，控制所述的高压直流模块向所述的储能电容器组进行充电，确保方波脉冲的电压幅值达到设定值。所述的FPGA控制系统的主要功能是通过便携式计算机实现人机通信，发送高压直流模块、马克斯电路控制信号，接收所述的脉冲测量系统得到的测量信号，控制整个发生器的工作并进行突发事故处理，对本发明起到总体控制作用。
所述的便携式计算机为市购计算机，计算机内存为2GB DDR3，处理器为英特尔酷睿处理器i5-460M，采用Windows 7操作系统，硬盘为320GB，大容量的硬盘和高端的处理器，满足本发明对便携式计算机的要求。所述的便携式计算机通过串行电缆与所述的FPGA控制系统的单片机模块连接，操作人员通过控制程序的用户界面设置参数命令发送给所述的FPGA控制系统，从而实现人机交互通信。
本发明的脉冲发生器输出的脉冲幅值为0~10kV、脉冲宽度为200~1000ns、脉冲频率为1~1000Hz，下降沿为30~40ns，脉冲个数为1~1000个，具体参数根据治疗肿瘤的需要确定。
本发明采用上述的技术方案后，主要具有如下的效果：
1、本发明采用全固态开关器件，从而使使用寿命更长、工作频率更高。马克斯电路中的电压单元采用模块化设计，当电路内某个或者某几个全固态开关失效不会影响脉冲发生器产生脉冲，保证对负载产生高压纳秒方波脉冲。采用二极管代替电阻器，大大缩小了电路体积，并且降低了整个电路的损耗。
2、本发明采用FPGA为控制芯片控制触发脉冲的产生，精确控制脉冲参数和高压直流电源，并对本发明的工作状态实时监控，发现故障能及时提示报警并进行处理，实现所述的全固态高压纳秒方波脉冲发生器的智能控制，与传统的采用IC器件的控制方式相比，具有大大降低电路复杂程度、处理速度快、编程灵活、集成度高、成本低、使用安全等优点。
3、本发明采用光纤作为信号传输通道，实现强、弱电信号之间的电气隔离。与常用的采用光耦器件的方式相比，光纤的隔离电压更高，并且响应速度快。光纤的高抗干扰性能大大避免了光信号在传输过程中受周围环境的电磁干扰，确保所述的FPGA控制系统与主电路系统之间的绝缘。同时，光纤的响应速度能够达到几十纳秒，满足精度要求。
4、本发明结构紧凑，布局合理，减小了放电回路的杂散电感，采用无感电阻负载，提升了输出脉冲度陡度，从而能够提高肿瘤细胞凋亡率，达到更好的肿瘤治疗效果，便于推广应用。
5、本发明工作可靠，操作安全，故障率低，实现了输出脉冲幅值、脉宽、频率和个数的任意调节，能够输出脉冲幅值(0~10kV)连续可调、脉冲宽度(200~1000ns)灵活可变、脉冲频率(1~1000Hz)独立可控和脉冲个数(1~1000个)可设定的高压纳秒方波脉冲，本发明输出的高压纳秒方波脉冲，将更有利于诱导肿瘤细胞的凋亡。
本发明可广泛应用于肿瘤细胞的电脉冲治疗，诱导肿瘤细胞的凋亡，从而提高肿瘤的治疗效果。
附图说明
图1为本发明的原理框图；
图2为实施例1的脉冲形成系统的马克斯电路拓扑图；
图3为实施例1中的输出脉冲波形。
图中: 1电源系统，2脉冲形成系统，3脉冲测量系统，4 FPGA控制系统，5信号转换系统，6便携式计算机，7马克斯电路，8电压单元，RC充电隔离电阻，C1~C8储能电容器，D1~D16二极管， S1~S8全固态开关。
具体实施方式
下面结合具体实施方案，进一步说明本发明。
实施例1
如图1~2所示，一种基于FPGA控制的全固态高压纳秒方波脉冲发生器，主要包括电源系统1、脉冲形成系统2、脉冲测量系统3、FPGA控制系统4、信号转换系统5和便携式计算机6。
所述的电源系统1，包括电源、隔离变压器(电压、频率变比均为1:1)、高压直流模块、开关电源T1、开关电源T2、DC-DC模块。所述的电源为220V市电，通过导线与隔离变压器的原边连接，隔离变压器的副边通过导线与高压直流模块的输入端连接，用以为高压直流模块提供交流电源。所述的高压直流模块为输出最高电压幅值2000V、最大电流幅值40mA直流电的市购模块，所述的高压直流模块的输出端通过导线与脉冲形成系统2的充电隔离电阻RC串联后再与脉冲形成系统2的马克斯电路7的输入端连接，用以为脉冲形成系统2的马克斯电路7中的储能电容器组C1~C8提供充电电源。所述的隔离变压器的原边的接地线与副边的接地线不直接连接，将所述的电源与所述的高压直流模块进行隔离，使它们不同大地连接，大大减少了来自于大地的各种干扰信号，提高了系统工作的稳定性。所述的开关电源T1(市购元件)的输入端通过导线与所述的电源连接，所述的开关电源T1将220V交流电转换为15V的直流电后，通过导线与所述的DC-DC模块的输入端连接，所述的DC-DC模块(市购元件)将15V直流电转换为15V直流电后通过导线与脉冲形成系统2的马克斯电路7中的开关驱动器的输入端连接，用以为开关驱动器提供电源，同时起到强、弱电之间的电压隔离作用。所述的开关电源T2(市购元件)的输入端通过导线与所述的电源连接，所述的开关电源T2将220V交流电转换为5V直流电后，分别通过导线分别与FPGA控制系统4中的FPGA模块、单片机模块和报警模块及信号转换系统5的两个电/光转换器J1、J2和两个光/电转换器K1、K2的输入端连接，用以为所述的FPGA控制系统4中的FPGA模块、单片机模块和报警模块以及所述信号转换系统5的所述四个转换器提供电源。所述的电源系统1为本发明的所述的脉冲形成系统2、所述的FPGA控制系统4和所述的信号转换系统5提供安全、稳定的电源，保障其正常工作。
所述的脉冲形成系统2，包括充电隔离电阻RC、马克斯电路7和负载。所述的充电隔离电阻RC的一端通过导线与前述电源系统1的高压直流模块的输出端连接，用以起到充电的限流和马克斯电路7的高压与充电直流模块电源电压隔离的作用。所述的充电隔离电阻RC的另一端通过导线与马克斯电路7的第一级电压单元8的旁路二极管D1的正极连接。所述的马克斯电路7由8级串联在母板上的带旁路二极管的电压单元8组成，用以形成高压纳秒方波脉冲。每级电压单元8由全固态开关、开关驱动器、储能电容器、旁路二极管和二极管组成。在每级所述的电压单元8中：旁路二极管的负极通过导线与全固态开关和储能电容器的并联点连接，全固态开关的栅极通过导线与开关驱动器的输出端连接，开关驱动器的输入端通过导线与所述的电源系统1的DC-DC模块的输出端连接，开关驱动器的控制端通过导线与所述的信号转换系统5的第二光/电转换器K2连接，在所述的信号转换系统5的第二光/电转换器K2的作用下，在马克斯电路7中的开关驱动器输出驱动信号使全固态开关开通/关断；储能电容器的另一端与二极管的正极串联后，再与全固态开关并联。当全固态开关S1~S8处于关断状态时，旁路二极管D1~D8和二极管D9~D16导通形成储能电容器C1~C8的充电电流通路，储能电容器C1~C8以并联方式进行充电；当全固态开关S1~S8处于开通状态时，旁路二极管D1~D8和二极管D9~D16反向截止，已经充满至预设电压的储能电容器C1~C8以串联方式对负载进行放电，控制储能电容器C1~C8对负载放电的脉冲宽度而形成所需的高压纳秒方波脉冲；当全固态开关S1~S8重新断开时，对储能电容器C1~C8再次充电。同时，当某一个或者多个全固态开关失效的情况下，该一个或者多个电压单元8的旁路二极管和二极管导通而自动旁路该一个或者多个电压单元8，其余电压单元8仍能正常工作，从而使系统仍然能够输出高压纳秒方波脉冲。所述的负载为无感电阻负载，通过导线并联在马克斯电路7的输出端，从而构成马克斯电路7的放电回路，作为治疗肿瘤的输出高压纳秒方波脉冲端。在马克斯电路7的输出端与所述负载的连接处通过导线与脉冲测量系统3连接。
所述的脉冲测量系统3，包括分压器、电流传感器和处理电路。所述的分压器的输入端通过导线与所述的脉冲形成系统2的输出端连接，所述分压器的输出端通过导线与处理电路的输入端连接，用于监测所述的脉冲形成系统2的马克斯电路7产生的脉冲电压信号。所述的电流传感器的输入端通过导线与所述的脉冲形成系统2的输出端连接，所述电流传感器的输出端通过导线与处理电路的输入端连接，用于监测所述的脉冲形成系统2的马克斯电路7产生的脉冲电流信号。所述处理电路的输出端通过导线与所述的FPGA控制系统4的FPGA模块的输入端连接。通过FPGA控制系统4运算处理后检测出所述马克斯电路7对所述负载的放电状态信息。
所述的FPGA控制系统4，包括市购的FPGA模块和同步触发模块及单片机模块以及报警模块。所述的FPGA模块接收从所述测量系统3的处理电路传输来的监测的所述脉冲形成系统2的马克斯电路7输出的高压纳秒方波脉冲的电压和电流信号，经过运算处理后，一方面所述的FPGA模块通过导线与所述的单片机模块进行数据交换。另一方面所述FPGA模块通过导线与所述的同步触发模块的输入端连接，所述同步触发模块的输出端通过光纤，经过信号转换系统5的第二电/光转换器J2和第二光/电转换器K2，与所述的脉冲形成系统2的马克斯电路7的开关驱动器的控制端连接，将所述的同步触发模块发送给开关驱动器的同步触发脉冲信号转换成光信号进行传输，避免受到所述的脉冲形成系统2的高压的干扰，确保同步触发脉冲信号的稳定性与同步性。所述的报警模块通过导线与所述的FPGA模块连接，当负载输出的脉冲电流超过整定电流时，由所述的FPGA模块进行延时判断后锁定同步触发脉冲信号，关断脉冲形成系统2中的全固态开关S1~S8工作并通过所述的报警模块发出报警信号，提示操作人员切断电源，从而确保本发明脉冲发生器和操作人员的安全。所述的单片机模块通过光纤，经过信号转换系统5的第一电/光转换器J1和第一光/电转换器K1与所述电源系统1的高压直流模块的控制端连接，将所述的FPGA控制系统4发出的对所述的高压直流模块的控制信号转换成光信号进行传输，避免受到所述的脉冲形成系统2的高压的干扰，控制所述的高压直流模块向所述的储能电容器组进行充电，确保方波脉冲的电压幅值达到设定值。所述的FPGA控制系统4的主要功能是通过便携式计算机6实现人机通信，发送高压直流模块、马克斯电路7控制信号，接收所述的脉冲测量系统3得到的测量信号，控制整个发生器的工作并进行突发事故处理，对本发明起到总体控制作用。
所述的便携式计算机6为市购计算机，计算机内存为2GB DDR3，处理器为英特尔酷睿处理器i5-460M，采用Windows 7操作系统，硬盘为320GB，大容量的硬盘和高端的处理器，满足本发明对便携式计算机6的要求。所述的便携式计算机6通过串行电缆与所述的FPGA控制系统4的单片机模块连接，操作人员通过控制程序的用户界面设置参数命令发送给所述的FPGA控制系统4，从而实现人机交互通信。
本实施例1所产生的方波脉冲为单向负电压纳秒方波脉冲。调节方波脉冲通过控制高压直流模块输出电压、全固态开关S1~S8每次导通时间、开断频率和开断次数来完成，纳秒脉冲的电压幅值在0~8kV可调、脉冲宽度在200~1000ns可调、脉冲频率在1~1000Hz可调、脉冲个数在1~1000个可调、下降沿30~40ns。本发明装置通过上述参数的调节实现对输出方波脉冲能量的精确控制，这些参数调节各自独立，互补干扰，并且具有体积小，使用寿命长的特点。测试时，选择马克斯电路7电压单元数为8级，高压直流模块输出电压为1kV，负载采用200Ω无感电阻负载，采用美国Tektronix公司DPO4054数字荧光式示波器和P6015A型高压探头，对装置输出波形进行测试。本装置输出的脉冲波形如图3所示，脉冲幅值8kV、下降沿35ns、脉冲宽度300ns。
实施例2
一种基于FPGA控制的全固态高压纳秒方波脉冲发生器，同实施例1，其中脉冲形成系统2的马克斯电路7由4级串联在母板上的带旁路二极管的电压单元8组成。
实施例3
一种基于FPGA控制的全固态高压纳秒方波脉冲发生器，同实施例1，其中脉冲形成系统2的马克斯电路7由10级串联在母板上的带旁路二极管的电压单元8组成。
实验结果
用本实施例1的基于FPGA控制的全固态高压纳秒方波脉冲发生器，对人宫颈癌细胞HeLa进行凋亡诱导实验，实验时，将处于对数生长期贴壁生长的HeLa细胞用0.25%胰酶(GIBCO公司)消化后离心，用RPMI-1640培养液制成单肿瘤细胞悬液，并校正肿瘤细胞浓度至1×106/ml。取2ml肿瘤细胞悬液盛于铂金电极细胞槽，两铂金电极之间距离为2mm。发生器产生纳秒脉冲对肿瘤细胞液进行处理，装置输出所有脉冲参数均为10Hz。
脉冲电场处理完后，采用流式细胞术检测肿瘤细胞凋亡。按照FITC标记Annexin V细胞凋亡试剂盒(晶美生物公司)的说明书操作，收集各组脉冲电场处理后培养4h细胞各1×106个，冷却，PBS洗涤2次后，用250μl的Annexin 结合缓冲液重悬细胞，取100μl细胞悬液于5ml流式管中，加5μl的Annexin V FITC和10μl的PI，混匀后室温避光孵育15min，在反应管中加入400μl的PBS，立即用流式细胞仪(FACSCalibur)检测。以Annexin+/PI-判定为早期凋亡，Annexin+/PI+判定为晚期凋亡或坏死，Annexin-/PI+为机械性损伤的细胞，Annexin-/PI-为正常细胞。每组参数重复3次。
根据上述方法得到的各组参数细胞凋亡实验结果如表1所示，表中凋亡实验数据为每组参数重复3次实验后得到的平均值±均值误差(M±SE)。
表1
由表1所示的实验结果可以看出：利用本发明产生的高压纳秒方波脉冲能有效诱导肿瘤细胞发生凋亡。同时发现第7组脉冲参数(40kV/cm、200ns、40s)所诱导的早期凋亡细胞数最多(65.833±1.892)，第6组脉冲参数(20kV/cm、800ns、15s)次之(64.693±3.590)。即第7组脉冲参数是最佳的诱导凋亡脉冲参数组合，后续实验即可根据这一实验结果进行参数优化设计。
由实验结果可知：本发明能够输出脉冲幅值高、脉宽调节范围大、下降沿陡的高压纳秒方波脉冲，有助于深入研究肿瘤细胞内电处理效应，提高肿瘤细胞的凋亡率；本发明对于脉冲参数(脉冲幅值、脉冲宽度、脉冲频率和脉冲个数)的实时智能化控制有利于在医学实验中尽快寻求最佳的脉冲治疗窗口参数，诱导肿瘤细胞凋亡而正常细胞不受影响，提高肿瘤细胞治疗效果；同时本发明结构紧凑，工作可靠，操作安全，使用寿命长，故障率低，能有效满足医疗装置的需要，便于推广应用。
Claims (2)
1.一种基于FPGA控制的全固态高压纳秒方波脉冲发生器，主要包括电源系统(1)、脉冲形成系统(2)，其特征在于还包括脉冲测量系统(3)、FPGA控制系统(4)、信号转换系统(5)和便携式计算机(6)；
所述的电源系统(1)，包括电源、隔离变压器、高压直流模块、开关电源T1、开关电源T2、DC-DC模块，所述的电源为220V市电，通过导线与隔离变压器的原边连接，隔离变压器的副边通过导线与高压直流模块的输入端连接，所述的高压直流模块的输出端通过导线与脉冲形成系统(2)的充电隔离电阻RC串联后再与脉冲形成系统(2)的马克斯电路(7)的输入端连接，所述的隔离变压器的原边的接地线与副边的接地线不直接连接，所述的开关电源T1的输入端通过导线与所述的电源连接，所述的开关电源T1将220V交流电转换为15V的直流电后通过导线与所述的DC-DC模块的输入端连接，所述的DC-DC模块将15V直流电转换为15V直流电后通过导线与脉冲形成系统(2)的马克斯电路(7)中的开关驱动器的输入端连接，所述的开关电源T2的输入端通过导线与所述的电源连接，所述的开关电源T2将220V交流电转换为5V直流电后，分别通过导线分别与FPGA控制系统(4)中的FPGA模块、单片机模块和报警模块及信号转换系统(5)的两个电/光转换器J1、J2和两个光/电转换器K1、K2的输入端连接；
所述的脉冲形成系统(2)，包括充电隔离电阻RC、马克斯电路(7)和负载，所述的充电隔离电阻RC的一端通过导线与前述电源系统(1)的高压直流模块的输出端连接，所述的充电隔离电阻RC的另一端通过导线与马克斯电路(7)的第一级电压单元(8)的旁路二极管D1的正极连接，所述的马克斯电路(7)由4~10级串联在母板上的带旁路二极管的电压单元(8)组成，每级电压单元(8)由全固态开关、开关驱动器、储能电容器、旁路二极管和二极管组成，在每级所述的电压单元(8)中：旁路二极管的负极通过导线与全固态开关和储能电容器的并联点连接，全固态开关的栅极通过导线与开关驱动器的输出端连接，开关驱动器的输入端通过导线与所述的电源系统(1)的DC-DC模块的输出端连接，开关驱动器的控制端通过导线与所述的信号转换系统(5)的第二光/电转换器K2连接，储能电容器的另一端与二极管的正极串联后，再与全固态开关并联，所述的负载为无感电阻负载，通过导线并联在马克斯电路(7)的输出端，在马克斯电路(7)的输出端与所述负载的连接处通过导线与脉冲测量系统(3)连接；
所述的脉冲测量系统(3)，包括分压器、电流传感器和处理电路，所述的分压器的输入端通过导线与所述的脉冲形成系统(2)的输出端连接，所述分压器的输出端通过导线与处理电路的输入端连接，所述的电流传感器的输入端通过导线与所述的脉冲形成系统(2)的输出端连接，所述电流传感器的输出端通过导线与处理电路的输入端连接，所述处理电路的输出端通过导线与所述的FPGA控制系统(4)的FPGA模块的输入端连接；
所述的FPGA控制系统(4)，包括FPGA模块和同步触发模块及单片机模块以及报警模块，所述的FPGA模块接收从所述测量系统(3)的处理电路传输来的监测的所述脉冲形成系统(2)的马克斯电路(7)输出的高压纳秒方波脉冲的电压和电流信号，经过运算处理后，一方面所述的FPGA模块通过导线与所述的单片机模块进行数据交换，另一方面所述FPGA模块通过导线与所述的同步触发模块的输入端连接，所述同步触发模块的输出端通过光纤，经过信号转换系统(5)的第二电/光转换器J2和第二光/电转换器K2，与所述的脉冲形成系统(2)的马克斯电路(7)的开关驱动器的控制端连接，所述的报警模块通过导线与所述的FPGA模块连接，所述的单片机模块通过光纤，经过信号转换系统(5)的第一电/光转换器J1和第一光/电转换器K1与所述电源系统(1)的高压直流模块的控制端连接，将所述的FPGA控制系统(4)发出的对所述的高压直流模块的控制信号转换成光信号进行传输；
所述的便携式计算机(6)通过串行电缆与所述的FPGA控制系统(4)的单片机模块连接，操作人员通过控制程序的用户界面设置参数命令发送给所述的FPGA控制系统(4)而实现人机交互通信。
2.按照权利要求1所述的一种基于FPGA控制的全固态高压纳秒脉冲发生器，其特征在于权利要求1所述的脉冲发生器输出的脉冲幅值为0~10kV、脉冲宽度为200~1000ns、脉冲频率为1~1000Hz，下降沿为30~40ns，脉冲个数为1~1000个，具体参数根据治疗肿瘤的需要确定。
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