CN109999340A - 一种负载自适应纳秒脉冲产生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高压脉冲消融设备制造领域；本发明提供了一种负载自适应纳秒脉冲产生装置，包括电极，脉冲波形发生器；阻抗匹配电路；阻抗检测电路，用于检测两电极间的阻抗；以及，控制装置，与阻抗检测电路信号连接，与所述阻抗匹配电路中的开关电路控制连接，所述控制装置接收所述阻抗检测电路检测到的电极间阻抗值，并根据该电极之间阻抗值的大小控制其中一开关电路通路来选择与阻抗值相匹配的次级绕组；所述控制装置所选择的次级绕组匝数与两电极间的阻抗大小呈正相关。能够为负载匹配阻抗，减少纳秒脉冲波形在负载处的反射和折射，从而减小电压波形产生的畸变。
Description
技术领域
本发明涉及高压脉冲消融设备制造领域，更具体地说是一种负载自适应纳秒脉冲产生装置。
背景技术
近年来，随着生物电磁学技术的不断发展，采用高压纳秒脉电冲治疗肿瘤技术逐渐被接受和认可，该技术是在不可逆电穿孔（IRE）的基础上发展起来的。其治疗原理是在两个正负电极之间产生高压纳秒脉冲，该纳秒脉冲电场作用于细胞内部，如细胞核、线粒体等，具有诱导肿瘤细胞凋亡效应。由于高压纳秒电脉冲治疗技术参数可控、消融边界清晰、不易损伤神经和血管结构，并且无热池效应，具有其他消融手段（如射频、微波等）不具有的一些优势，临床应用前景广阔。
但将高压纳秒电脉冲真正推向医疗临床，需要稳定的脉冲波形，具有良好治疗效果的电脉冲波形参数和窗口阈值要求比较极端。例如，电场强度需要在10KV/cm以上,脉冲前沿需要控制在100ns以内，脉冲宽度和脉冲后沿也需要严格控制在纳秒级，这为设计和制造临床治疗用设备带来不小的困难。
现有产生高压纳秒脉冲技术的主电路基本结构主要包括几种：1、采用高压电容放电技术；2、采用marx放电技术；3、采用高压同轴电缆构成的但传输线和双传输线放电技术；4、采用多级等效电感电容集中参数来模拟同轴电缆的放电技术。这些纳秒脉冲产生电路都遇到一个共同的问题，就是实施治疗是产生的脉冲波形不能随外部负载的变化而发生明显畸变，与预期脉冲波形存在一定差异。
在实际临床中，各种软组织的电阻率是不一样的，例如，皮肤的电阻抗和肝组织的电阻抗差异就比较大，而且在治疗过程中由于细胞本身电穿孔的发生也会导致其电阻率也会发生明显变化。如果采用一般的高纳秒脉冲放电技术的话，脉冲波形的设计往往只针对单一的负载阻抗值，这样就会导致负载阻抗不匹配的情况下在负载上叠加不必要的反射和折射，致使电压波形发生畸变，达不到预期的治疗效果。
因此急需一种负载自适应纳秒脉冲产生装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术中存在的缺陷，提供一种负载自适应纳秒脉冲产生装置，能够为负载匹配阻抗，减少纳秒脉冲波形在负载处的反射和折射，从而减小电压波形产生的畸变。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案得以实现：一种负载自适应纳秒脉冲产生装置，包括，至少两个电极，被配置用于在使用期间将消融脉冲递送至组织；脉冲波形发生器，通过一变压器耦接于电极，用于以向所述电极递送15kv-35kv电压的纳秒脉冲；阻抗匹配电路，包括至少两个串联于变压器二次侧的次级绕组，每一次级绕组的一端均通过一开关电路耦接于同一电极，位于端部的次级绕组的另一端耦接于另一电极；阻抗检测电路，耦接于电极，用于检测两电极间的阻抗；以及，控制装置，与阻抗检测电路信号连接，与所述阻抗匹配电路中的开关电路控制连接，所述控制装置接收所述阻抗检测电路检测到的电极间阻抗值，并根据该电极之间阻抗值的大小控制其中一开关电路通路来选择与阻抗值相匹配的次级绕组；所述控制装置所选择的次级绕组匝数与两电极间的阻抗大小呈正相关。
采用上述技术方案，在高压纳秒电脉冲释放前，先进行直流阻抗的检测，获取负载阻抗值后通过变压器网络进行负载的阻抗变换，选择最合适的绕组匹配脉冲波形发生器的特征阻抗，减小控制纳秒脉冲波形在负载处的反射和折射，通过高压真空继电器控制阻抗检测电路和脉冲波形发生器之间的工作时序（交替工作），达到实时的阻抗匹配。
本发明进一步优选方案为：所述变压器一次侧的阻抗为R1，所述阻抗检测电路检测到的变压器二次侧的阻抗R2；所述变压器初级绕组的匝数为N1，所述控制装置选择的次级绕组匝数N2满足以下关系：N2=N1*（R2/R1）0.5。
本发明进一步优选方案为：所述脉冲波形发生器的产生的脉冲宽度在100ns-300ns之间。
本发明进一步优选方案为：所述阻抗检测电路包括耦接于电极的恒流源和电压检测电路，用于通过检测两电极间的电压获得电极之间阻抗；两电极间的电压与两电极间的阻抗呈正比；所述控制装置接收两电极间的电压值，根据电压值选择与此匹配的次级绕组。
通过恒流源和电压检测电路，间接测得两电极间的阻抗。
本发明进一步优选方案为：所述阻抗检测电路通过一组开关电路耦接于所述电极；所述阻抗检测电路内的开关电路与所述阻抗匹配电路中的开关电路交替启闭。
本发明进一步优选方案为：所述变压器次级绕组的匝数是变压器初级绕组的0.1-10倍。
本发明进一步优选方案为：所述阻抗匹配电路与电极之间设有电极选择电路，所述电极选择电路包括两组开关电路。
本发明进一步优选方案为：所述控制装置包括主控板和PLC，PLC与主控板信号连接，用于控制开关电路启闭的PLC，PLC与控制装置，所述阻抗匹配电路中的开关电路、所述电极选择电路中的开关电路以及所述阻抗检测电路中的开关电路均为继电开关，所述主控板通过PLC控制继电开关的启闭。
本发明进一步优选方案为：所述控制装置还包括与主控板连接的数据存储器；所述电压检测电路检测到的电压值与对应的电极阻抗值的数据均存储在所述数据存储器中；所述电极阻抗值包括多个区间段，所述阻抗匹配电路中的继电开关与不同区间段的电极阻抗值一一对应，所述主控板根据电极阻抗值所在的区间段控制阻抗匹配电路中对应的继电开关闭合。
综上所述，在高压纳秒电脉冲释放前，先进行直流阻抗的检测，获取负载阻抗值后通过变压器网络进行负载的阻抗变换，选择最合适的绕组匹配脉冲波形发生器的特征阻抗，减小控制纳秒脉冲波形在负载处的反射和折射，通过高压真空继电器控制阻抗检测电路和脉冲波形发生器之间的工作时序（交替工作），达到实时的阻抗匹配。
附图说明
图1是本发明的电路框图。
图2是阻抗匹配电路的原理图。
图3是电极选择电路的原理图。
图4是电压检测电路所用芯片及外围电路图。
图5是恒流电流源的原理图。
图6是电压检测电路中对信号处理的电路原理图。
图7是变压器二次侧的等效电路图
图中：1、控制装置；2、脉冲波形发生器；3、阻抗匹配电路；4、电极选择电路。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
如图1、图2和图3所示，示出了一种负载自适应纳秒脉冲产生装置，包括至少两个电极、脉冲波形发生器2、阻抗匹配电路3、阻抗检测电路以及控制装置1。
电极至少有两个，可以是三个或四个等，用机械爪固定，被配置用于在使用期间将消融脉冲递送至组织。
脉冲波形发生器2，通过一变压器耦接于电极，用于以向电极递送15kv-35kv电压的纳秒脉冲；脉冲波形发生器2的产生的脉冲宽度在100ns-300ns之间，每次仅接通其中两个电极。
阻抗匹配电路3，包括至少两个串联于变压器二次侧的次级绕组，每一次级绕组的一端均通过一开关电路耦接于同一电极，位于端部的次级绕组的另一端耦接于另一电极。
阻抗匹配电路3与电极之间设有电极选择电路4，电极选择电路4包括两组开关电路。
阻抗检测电路，耦接于电极，用于检测两电极间的阻抗。阻抗检测电路包括耦接于电极的恒流源和电压检测电路，用于通过检测两电极间的电压获得电极之间阻抗。两电极间的电压与两电极间的阻抗呈正比。
阻抗检测电路通过一组开关电路耦接于电极。阻抗检测电路内的开关电路与阻抗匹配电路3中的开关电路交替启闭。
控制装置1接收两电极间的电压值，根据电压值选择与此匹配的次级绕组。
控制装置1，与阻抗检测电路信号连接，与阻抗匹配电路3中的开关电路控制连接，控制装置1接收阻抗检测电路检测到的电极间阻抗值，并根据该电极之间阻抗值的大小控制其中一开关电路通路来选择与阻抗值相匹配的次级绕组。
控制装置1所选择的次级绕组匝数与两电极间的阻抗大小呈正相关。变压器一次侧的阻抗为R1，阻抗检测电路检测到的变压器二次侧的阻抗R2；变压器初级绕组的匝数为N1，控制装置1选择的次级绕组匝数N2满足以下关系：N2=N1*（R2/R1）0.5。
变压器次级绕组的匝数是变压器初级绕组的0.1-10倍。变压器有n个次级绕组，次级绕组的匝数依次为n1、n2、n3……nn，则控制装置1选择接入的次级绕组匝数N2的范围为（n1，n1+n2+n3+…+nn）。
在本实施例中，控制装置1包括主控板（单片机）和PLC，具体电路图可以参考申请号为2019102479418的专利申请，此处不在详述。PLC与主控板信号连接，用于控制开关电路启闭的PLC，PLC与控制装置1，阻抗匹配电路3中的开关电路、电极选择电路4中的开关电路以及阻抗检测电路中的开关电路均为继电开关，主控板通过PLC控制继电开关的启闭。控制装置1还包括与主控板连接的数据存储器。电压检测电路检测到的电压值与对应的电极阻抗值的数据均存储在所述数据存储器中。电极阻抗值包括多个区间段，阻抗匹配电路3中的继电开关与不同区间段的电极阻抗值一一对应，主控板根据电极阻抗值所在的区间段控制阻抗匹配电路3中对应的继电开关闭合。
Claims (9)
1.一种负载自适应纳秒脉冲产生装置，其特征在于：包括，
至少两个电极，被配置用于在使用期间将消融脉冲递送至组织；
脉冲波形发生器（2），通过一变压器耦接于电极，用于以向所述电极递送15kv-35kv电压的纳秒脉冲；
阻抗匹配电路（3），包括至少两个串联于变压器二次侧的次级绕组，每一次级绕组的一端均通过一开关电路耦接于同一电极，位于端部的次级绕组的另一端耦接于另一电极；
阻抗检测电路，耦接于电极，用于检测两电极间的阻抗；以及，
控制装置（1），与阻抗检测电路信号连接，与所述阻抗匹配电路（3）中的开关电路控制连接，所述控制装置（1）接收所述阻抗检测电路检测到的电极间阻抗值，并根据该电极之间阻抗值的大小控制其中一开关电路通路来选择与阻抗值相匹配的次级绕组；
所述控制装置（1）所选择的次级绕组匝数与两电极间的阻抗大小呈正相关。
2.根据权利要求1所述的纳秒脉冲产生装置，其特征在于：所述变压器一次侧的阻抗为R1，所述阻抗检测电路检测到的变压器二次侧的阻抗R2；所述变压器初级绕组的匝数为N1，所述控制装置（1）选择的次级绕组匝数N2满足以下关系：N2=N1*（R2/R1）0.5。
3.根据权利要求1所述的纳秒脉冲产生装置，其特征在于：所述脉冲波形发生器（2）的产生的脉冲宽度在100ns-300ns之间。
4.根据权利要求2所述的纳秒脉冲产生装置，其特征在于：所述阻抗检测电路包括耦接于电极的恒流源和电压检测电路，用于通过检测两电极间的电压获得电极之间阻抗；两电极间的电压与两电极间的阻抗呈正比；
所述控制装置（1）接收两电极间的电压值，根据电压值选择与此匹配的次级绕组。
5.根据权利要求4所述的纳秒脉冲产生装置，其特征在于：所述阻抗检测电路通过一组开关电路耦接于所述电极；所述阻抗检测电路内的开关电路与所述阻抗匹配电路（3）中的开关电路交替启闭。
6.根据权利要求1所述的纳秒脉冲产生装置，其特征在于：所述变压器次级绕组的匝数是变压器初级绕组的0.1-10倍。
7.根据权利要求5所述的治疗仪，其特征在于：所述阻抗匹配电路（3）与电极之间设有电极选择电路（4），所述电极选择电路（4）包括两组开关电路。
8.根据权利要求7所述的治疗仪，其特征在于：所述控制装置（1）包括主控板和PLC，PLC与主控板信号连接，用于控制开关电路启闭的PLC，PLC与控制装置（1），所述阻抗匹配电路（3）中的开关电路、所述电极选择电路（4）中的开关电路以及所述阻抗检测电路中的开关电路均为继电开关，所述主控板通过PLC控制继电开关的启闭。
9.根据权利要求8所述的纳秒脉冲产生装置，其特征在于：所述控制装置（1）还包括与主控板连接的数据存储器；所述电压检测电路检测到的电压值与对应的电极阻抗值的数据均存储在所述数据存储器中；所述电极阻抗值包括多个区间段，所述阻抗匹配电路（2）中的继电开关与不同区间段的电极阻抗值一一对应，所述主控板根据电极阻抗值所在的区间段控制阻抗匹配电路（2）中对应的继电开关闭合。
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