CN104901630B - 实现线性消融的可调射频相位差功率放大电路 - Google Patents

Abstract

本发明属于医疗电子技术领域，具体为一种实现线性消融的可调射频相位差功率放大电路。本发明电路结构包括：相位控制单元、射频幅值控制单元、射频谐振及滤波电路、阻抗匹配网络。其中采用阻抗匹配网络，使消融过程中变化的心肌阻抗等效到电路的额定负载范围，减小电路内部损耗，稳定输出频率；采用软开关技术，使得电子开关管实现零电压开启或零电压导数开启，降低开关损耗，提高工作效率。该电路可克服传统逐点离散射频消融技术较难形成连续消融灶的缺点，通过调节相邻消融电极射频输出电压的相位差，产生连续线性消融的效果，从而实现对心肌组织的连续线性消融。

Description

实现线性消融的可调射频相位差功率放大电路

技术领域

本发明属于医疗电子技术领域，具体涉及一种实现线性消融的可调射频相位差功率放大电路，可应用于心脏射频消融设备，实现心肌连续线性消融的效果。

背景技术

心房纤颤是临床中最常见的心律失常，其本身及并发症，使患者卒中发生率和死亡率显著增高。研究表明，肺静脉肌袖内存在的异位兴奋灶是房颤发生和维持的一个重要来源，所以隔离肺静脉与心房之间的异常兴奋传导路径，是治疗房颤的有效手段之一。目前射频消融是完成肺静脉隔离最有效的方式，但在临床上，现有的心脏射频消融功率放大器存在以下不足：

现有的心脏射频消融功率放大电路，通常只产生体内消融电极与体外参考电极之间的单路射频电流，手术中医生通过控制消融导管的位置，逐点离散消融肺静脉口，完成环肺静脉的电解剖隔离。由于是逐点离散消融，两消融靶点之间较难形成连续的消融损伤，有时会造成环肺静脉隔离不完全，残留异常传导路径，以至治疗房颤的成功率下降。

现有的心脏射频消融功率放大电路，其额定负载范围小，当心肌阻抗在消融过程中变化时，射频频率漂移不稳定，内部功耗增加。

现有的心脏射频消融功率放大电路，通常采用射频信号发生器和功率放大电路的拓扑结构，整个电路工作于线性放大模式，其开关损耗明显，需要大量散热，使得整个电路体积增大。

发明内容

为了克服现有射频消融仪的不足，本发明的目的在于提供一种实现线性消融的可调射频相位差功率放大电路，应用于心脏射频消融设备，实现对心肌组织的连续线性消融。

本发明提供的实现线性消融的可调射频相位差功率放大电路，以两个对称的E类功率放大器为基本功率放大结构，实现双路具有相位差的射频电压输出，施加于多极消融导管的相邻电极，进而在相邻电极之间形成消融电流，实现连续消融灶；由于采用非线性功率放大器，提高了放大器的工作效率，整个电路体积明显减小，适用于集成多路射频消融系统；电路中还采用阻抗匹配网络使消融过程中变化的心肌阻抗等效到电路的额定负载范围，减小电路内部损耗，稳定输出频率；运用软开关技术，使得射频谐振及滤波电路中的开关管实现零电压开启或零电压导数开启，降低开关损耗，提高工作效率。

本发明提供的可调节射频相位差的功率放大电路，由射频谐振及滤波电路、阻抗匹配网络、相位控制单元、射频幅值控制单元等模块组成；其中，射频谐振及滤波电路由非线性功率放大器构成，完成选频功能，输出射频电压；相位控制单元输出两路具有初始相位差的高频方波，通过对射频谐振及滤波电路中电子开关管的驱动，实现射频电压之间的相位差；射频幅值控制单元通过调节射频谐振及滤波电路中电子开关管的工作电压，完成对输出射频电压幅值的实时调节；阻抗匹配网络完成阻抗转换，使心肌阻抗等效到电路的额定负载范围，实现稳定高效的工作。

所述射频谐振及滤波电路，由两个对称的E类功率放大器组成，实现双路具有相位差的射频电压输出；其中，包括两只工作于软开关模式的电子开关管，以及分别由电感和电容组成的两个串联谐振回路；软开关模式使电子开关管实现零电压或零电压导数开启，从而降低开关损耗；每个电子开关管的控制端接相位控制单元的输出，相位控制单元使两只电子开关管的开关时序具有相位差。两个电子开关管的一端同时接地，另一端分别接到各自的射频幅值控制单元（经过射频扼流圈后的直流端），电路中的串联谐振回路完成滤波处理，产生射频正弦电压。

所述阻抗匹配网络，由于心肌阻抗在消融过程中不断地增加，本发明设计了一个阻容并联阻抗匹配网络，使心肌阻抗转换到E类射频功放的额定负载范围，从而减小电路内部损耗，稳定输出频率。

所述相位控制单元，由控制器（MCU或CPLD）和驱动电路构成，控制器可程控产生两路具有相位差的高频方波，该高频方波经过驱动电路后作用到电子开关管的控制端。通过控制两个电子开关管开关时序，使得两个电子开关管两端的开关电压具有相位差。

所述射频幅值控制单元，由开关电源构成。本发明中采用两个独立的开关电源，其幅值可程控调节，两路电源共地，高电压端分别接到两个E类功率放大器的供电端，可通过控制开关电源的幅值实现对射频电压幅值的调节。

本发明中，射频谐振及滤波电路中，通过设计并联在电子开关管漏源极两端电容的值，实现软开关，即电子开关管实现零电压开启或零电压导数开启。

本发明中，所述相位控制单元能够输出具有初始相位差的高频方波用以驱动射频谐振及滤波电路中的两个开关管，以控制输出射频相位差，初始相位差可在0 -2π范围任意设置。

本发明电路可实现可调节相位差的双路射频电压同时输出，使得消融过程中既有单极（消融电极与参考电极之间）电流流动又有双极（多极消融导管的相邻电极之间）电流流动，实现连续线性消融的效果。

附图说明

图1电路结构框图。

图2电路原理图及其工作波形。

图3阻抗匹配网络及其阻抗转换示意图。

图4相位控制单元。

图5连续消融示意图。

具体实施方式

本发明提出一种实现线性消融的可调射频相位差功率放大电路，应用于心脏射频消融设备，实现心肌组织连续线性消融。在消融仪的具体实现时，一个心脏射频消融设备可以配备多个本发明电路，结合多极消融导管，实现多路（例如10路）具有相位差的射频电压输出，由于相位差的存在，使得双极（相邻消融电极之间）和单极（消融电极与参考电极之间）能量同时存在，完成连续线性消融。

下面结合附图对本发明作进一部说明。

附图1是电路结构框图。相位控制单元S5产生两路具有初始相位差的高频方波，作为射频谐振及滤波电路S1、S3中开关管的驱动信号。相位差可根据需要在0 -2π范围内调节；射频幅值控制单元S6由幅值可调节开关电源构成，通过控制开关电源输出电压的幅度，改变射频谐振及滤波电路S1、S3中开关管的工作电压，完成对射频电压幅值的调节；射频谐振及滤波电路S1、S3完成直流-交流转换，将相位控制单元S5产生的方波，放大并滤波为射频波；阻抗匹配网络S3、S4将负载阻抗等效转换到电路的额定负载范围。

附图2是电路原理图及其工作波形。附图2(a)为可调节射频相位差的功率放大电路，整个电路结构具有对称性，其中、、、、、、和、、、L^*、、、分别组成两个基本的E类功率放大器。E1和E2为幅值可调节开关电源，构成射频幅值控制单元S6，分别作为三极管和的工作电源；通过调节开关电源E1和E2的输出电压，可以控制射频谐振及滤波电路S1、S3输出射频电压的幅值；两电源共地，高电压端输入到高频扼流圈或，完成对整个电路的供电；高频扼流圈、只允许恒定的直流电流通过，其一端接E1或E2的输出端，另一端接到开关管或的漏极上；、分别并联在开关管、的漏源极；和分别构成串联谐振回路；另外，相位控制单元输出具有两路相位差的高频方波，分别接至开关管、的栅极，用以驱动开关管和，这使得最终输出的射频电压之间也具有相位差；、分别并联在负载、两端，完成阻抗转换的功能，使实际负载等效到电路的额定负载范围，阻抗转换详见附图3中的阐述。

电路工作原理叙述：

由于整个电路具有对称性，在以下叙述中，不失一般性，选取、、、、、、构成的回路作为对象，以说明其工作原理和参数设计。规定：期间导通，期间截止，栅极的驱动方波频率为(或)。在驱动信号的作用下，呈现开关模式，当其导通时，的漏源极电压为零；当其关断时，由于滤波网络（、、组成）和负载网络（、组成）的共同作用，使的漏源极电压有一个先上升再下降的过程，形如一个半正弦波，并在时刻下降到零(为正整数)。漏源极电压和电流波形如附图2(b)，整个过程中电压和电流不同时出现，使得开关损耗基本为零，即所谓软开关过程。组成的串联谐振回路，对半正弦脉冲波进行带通滤波，产生所的射频电压，如附图2(b)中虚线波形。和并联组成负载网络，具有“向下阻抗转换(Downward impedancetransformation)”的作用，使实际负载等效到电路的额定负载范围，阻抗转换详见附图3中的阐述。

附图3是阻抗匹配网络及其阻抗转换示意图。在心脏射频消融过程中，心肌组织随着消融的进行，其阻抗不断地增加，为了使射频功率放大器高效工作，必须设计阻抗匹配网络，使心肌阻抗转换到合适的额定负载范围。将电容并联到实际负载上，如图3 (a)所示，该网络可等效为一个和串联的网络，如图3(b)所示。上述并联-串联电路等效的条件是品质因数相等，即

（1）

根据以上并联-串联等效条件（式1），可以得到等效电阻与实际电阻、等效电抗与实际电抗之间的关系：

（2）

（3）

图3(c)直观反映出了与以及与的阻抗转换关系。经过阻抗转换后，即使不断增加，其等效电阻都不会超过，使得负载等效到合适的范围内。

综上所述，在具体实施例中完成电路参数设计时，首先需明确预设或已知条件，如：预设输出功率；预设开关电源输出电压；已知实际负载电阻，心肌在消融时表现出来的阻值；预设的射频电压频率（或角频率）；品质因数，表达式为，其取值越大，滤波网络的通带越窄，产生射频正弦电压的谐波含量越少；在明确上述预设或已知条件后，通过表1可计算出电路理想工作时，各元件参数的取值。

表1参数计算公式

附图4是相位控制单元S5的具体结构，主要完成对射频谐振及滤波电路S1、S3中两个开关管和的驱动，包括控制器和隔离驱动电路。控制器（MCU或CPLD）可程控输出两路可调节相位差的高频方波：Driver_1和Driver_2；之后，该高频方波信号由驱动芯片MIC4452驱动，然后经隔离变压器VTX-110-004隔离，得到驱动信号Dr_Q1和Dr_Q2，分别接至Q1、Q3的栅极，用以驱动开关管和。

附图5是连续消融示意图。说明了本发明完成连续线性消融的原理，当具有相位差的射频电压和分别输出到相邻消融电极A和B上时，由于相位差的存在，使得电极A和电极B之间产生电压差：

这使得电极A和电极B之间产生电流，即本发明所称的双极电流；同时由于消融电极与参考电极C之间存在电位差，每个消融电极分别与参考电极C之间产生电流，即本发明所称的单极电流；由此形成单/双极同时放电，实现连续线性消融损伤。

Claims (3)

1.实现线性消融的可调射频相位差功率放大电路，其特征在于：由射频谐振及滤波电路、阻抗匹配网络、相位控制单元、射频幅值控制单元组成；其中：

所述射频谐振及滤波电路，由两个对称的E类功率放大器组成，实现双路具有相位差的射频电压输出；其中，包括两只工作于软开关模式的电子开关管，以及分别由电感和电容组成的两个串联谐振回路；软开关模式使电子开关管实现零电压或零电压导数开启，从而降低开关损耗；每个电子开关管的控制端接相位控制单元的输出，相位控制单元使两只电子开关管的开关时序具有相位差；两个电子开关管的一端同时接地，另一端分别接到各自的射频幅值控制单元，电路中的串联谐振回路完成滤波处理，产生射频正弦电压；

所述阻抗匹配网络为阻容并联阻抗匹配网络，使心肌阻抗转换到E类功率放大器的额定负载范围，从而减小电路内部损耗，稳定输出频率；

所述相位控制单元，由控制器和驱动电路构成，控制器可程控产生两路具有相位差的高频方波，该高频方波经过驱动电路后作用到电子开关管的控制端；通过控制两个电子开关管开关时序，使得两个电子开关管两端的开关电压具有相位差；

所述射频幅值控制单元，由两个独立的开关电源组成，其幅值可程控调节，两路电源共地，高电压端分别接到两个E类功率放大器的供电端，可通过控制开关电源的幅值实现对射频电压幅值的调节。

2.根据权利要求1所述的实现线性消融的可调射频相位差功率放大电路，其特征在于，所述射频谐振及滤波电路中，通过设计并联在电子开关管漏源极两端电容的值，实现软开关，即开关管实现零电压开启或零电压导数开启。

3. 根据权利要求1所述的实现线性消融的可调射频相位差功率放大电路，其特征在于，所述相位控制单元能够输出具有初始相位差的高频方波用以驱动射频谐振及滤波电路中的两个电子开关管，以控制输出射频相位差，初始相位差在0 -2π范围任意设置。