CN110677069B - 一种用于肿瘤消融的高压超短脉冲电源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于肿瘤消融的高压超短脉冲电源，包括测控单元、射频调制器、隔离变压器、解调器和波形发生器，其中，测控单元的第一输入端连接至心电检测仪，测控单元的第二输入端连接至电极针，测控单元的第一输出端连接至射频调制器的输入端，射频调制器的输出端通过隔离变压器连接至解调器的输入端，解调器的输出端通过波形发生器连接至电极针，测控单元的第二输出端与解调器连接，测控单元的第三输出端与波形发生器连接。与现有技术相比，本发明采用隔离变压器结合组合模块的方式，实现了高压超短脉冲电源内部的电气隔离，提高了使用安全性，能通过配置多套电路，实现独立设置多个输出脉冲，使输出的高压超短脉冲可调制，从而扩大适用范围。

Description

一种用于肿瘤消融的高压超短脉冲电源

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，尤其是涉及一种用于肿瘤消融的高压超短脉冲电源。

背景技术

高压方波脉冲电场肿瘤治疗装置(纳米刀)是一种全新的尖端肿瘤消融装置，其利用电场能量，基于不可逆电穿孔原理，将高压电场以微脉冲的形式传递到肿瘤细胞，以改变细胞跨膜电势，使脂类双分子层细胞膜上产生纳米级孔隙，增加细胞膜通透性，造成靶区肿瘤细胞不可逆电穿孔，最终导致肿瘤死亡。具体是将直径1mm的电极针经皮肤刺入肿瘤，并以计算机技术计算和绘制预计电场的大小和位置，释放高压超短电脉冲在肿瘤质保上形成纳米级永久性穿孔，破坏细胞内平衡，使癌细胞快速凋亡。因细胞穿孔是纳米级的，而被称为“纳米刀”。

目前用于电极针的高压超短脉冲电源主要为直接放电式，如图1所示，在电源V的两端并联储能电容C，储能电容C的一端通过高压功率开关Q连接至触发电路的输入端，触发电路的输出端连接至电阻Z_L的一端，电阻Z_L的另一端连接至储能电容C的另一端，其中，电阻Z_L表示的是人体电阻，高压超短脉冲的幅度由电源V的电压决定，脉冲的重复频率、脉冲宽度和脉冲次数则由触发电路决定，导致输出的高压超短脉冲不可独立设置，不能直接适用于不同形状或尺寸的肿瘤消融；直接放电式的高压超短脉冲电源主要利用高压功率开关Q进行直接放电，容易产生所需的输出波形，但却存在极大的安全隐患，一旦放电的高压功率开关Q发生击穿故障，储能电容C中的能量将全部释放给电阻Z_L，造成医疗事故。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于肿瘤消融的高压超短脉冲电源，将电源输入与脉冲输出相互隔离，并采用组合模块的方式，以提高安全性、能够独立设置输出脉冲。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种用于肿瘤消融的高压超短脉冲电源，包括测控单元、射频调制器、隔离变压器、解调器和波形发生器，所述测控单元的第一输入端连接至心电检测仪，所述测控单元的第二输入端连接至电极针，所述测控单元的第一输出端连接至射频调制器的输入端，所述射频调制器的输出端通过隔离变压器连接至解调器的输入端，所述解调器的输出端通过波形发生器连接至电极针，所述测控单元的第二输出端与解调器连接，所述测控单元的第三输出端与波形发生器连接；

所述测控单元用于检测电极针的电压电流和人体阻抗，以及输出触发控制信号和外部重复频率信号给射频调制器、输出限幅信号给解调器、输出脉冲调制信号给波形发生器；

所述射频调制器用于根据触发控制信号和外部重复频率信号，以调制出低压交流电；

所述隔离变压器用于电气隔离，同时对原边的低压交流电进行升压，从次边输出高压交流电；

所述解调器用于将高压交流电恢复成高压方波；

所述波形发生器用于根据脉冲调制信号，将高压方波调制成高压超短脉冲，并将高压超短脉冲输出给电极针。

进一步地，所述测控单元包括依次连接的检测模块和控制器，所述检测模块用于实时采集电极针的电压电流和人体阻抗，所述控制器用于输出触发控制信号和外部重复频率信号给射频调制器、输出限幅信号给解调器、输出脉冲调制信号给波形发生器。

进一步地，所述检测模块的输入端通过第一耦合电容连接至电极针，通过电容耦合，实时检测电极针电压电流和人体阻抗。

进一步地，所述控制器的输入端连接至心电检测仪，根据心电检测仪检测的R波信号，以输出触发控制信号。

进一步地，所述控制器的输出端通过光电耦合器连接至解调器，通过光电耦合，输出限幅信号以限制电压幅度，从而对解调器进行过压保护。

进一步地，所述控制器的输出端还通过第二耦合电容连接至波形发生器，通过电容耦合，输出脉冲调制信号以控制波形发生器，从而将高压方波调制成高压超短脉冲。

进一步地，所述射频调制器包括高压功率开关、触发电路和储能电容，所述高压功率开关的输入端分别与储能电容、隔离变压器连接，所述高压功率开关的输出端连接至触发电路，所述储能电容的两端并联有电源。

进一步地，所述控制器为FPGA控制芯片。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、本发明通过隔离变压器，对交流输入与脉冲输出进行隔离，不仅能保证交流电的高压输出，同时实现了电气隔离，利用隔离变压器实现低输入高输出，将储能电容的能量阻挡在隔离变压器的原边，构建了现用现送的零库存工作模式，此外，还对解调器进行限幅过压保护，从而能够有效提高高压超短脉冲电源的安全可靠性。

二、本发明采用实时检测电极针电压电流、人体电阻以及心电同步R波信号的方式，并以此输出触发控制信号和脉冲调制信号，保证了控制信号的实时准确性，使得射频调制器能够输出可控的交流电压、波形发生器能够输出可调制的高压超短脉冲。

三、本发明基于组合模块的设计，使整个高压超短脉冲电源能够同时配置多个射频调制器、解调器和波形发生器，在实际应用中能够根据需要独立设置各输出脉冲的极性和峰值，即输出脉冲是独立可调制的，使得高压超短脉冲电源的适用范围广，能够同时输出不同的脉冲给多个电极针，从而用于不同形状或尺寸的肿瘤消融。

附图说明

图1为直接放电式高压超短脉冲电源的结构示意图；

图2为本发明高压超短脉冲电源的结构示意图；

图3为本发明高压超短脉冲电源中射频调制器与隔离变压器的电路示意图；

图4为实施例的工作原理示意图；

图中标记说明：1、测控单元，2、射频调制器，3、隔离变压器，4、解调器，5、波形发生器，6、心电检测仪，7、电极针。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图2所示，一种用于肿瘤消融的高压超短脉冲电源，包括测控单元1、射频调制器2、隔离变压器3、解调器4和波形发生器5，其中，测控单元1的第一输入端连接至心电检测仪6，以获取R波信号，并根据R波信号输出触发控制信号；

测控单元1的第二输入端连接至电极针7，以检测电极针7的电压电流和人体阻抗；

测控单元1的第一输出端连接至射频调制器2的输入端，以输出触发控制信号和外部重复频率信号给射频调制器2；

射频调制器2的输出端通过隔离变压器3连接至解调器4的输入端，射频调制器2用于根据触发控制信号和外部重复频率信号，以调制出低压交流电，隔离变压器3用于电气隔离，同时对原边的低压交流电进行升压，从次边输出高压交流电；

解调器4的输出端通过波形发生器5连接至电极针7，解调器4用于将高压交流电恢复成高压方波，波形发生器5用于根据脉冲调制信号，将高压方波调制成高压超短脉冲，并将高压超短脉冲输出给电极针7；

测控单元1的第二输出端与解调器4连接，以输出限幅信号给解调器4；

测控单元1的第三输出端与波形发生器5连接，以输出脉冲调制信号给波形发生器5。

如图3所示，射频调制器2包括高压功率开关Q、触发电路和储能电容C，高压功率开关Q的输入端分别与储能电容C、变压器T连接，高压功率开关Q的输出端连接至触发电路，储能电容C的两端并联有电源V，变压器T对输入端和输出端进行了隔离，在次级线圈N2上输出高压方波。如果高压功率开关Q发生短路故障，将造成脉冲宽度过大，导致变压器T磁心立即饱和，失去向患者传输能量的作用，形从而成一道隔离屏障，将储能电容C的能量阻挡在变压器T的前端，从源头上消除这一安全隐患，提高了电气安全性。

图4所示为实施例中高压超短脉冲电源的具体工作原理，本实施例中，测控单元1包括依次连接的检测模块和控制器，检测模块的输入端通过耦合电容连接至电极针7，通过电容耦合，实时检测电极针7的电压电流和人体阻抗；

控制器的输入端连接至心电检测仪6，根据心电检测仪6检测的R波信号，以输出触发控制信号给射频调制器2；

控制器的输出端通过光电耦合器连接至解调器4，通过光电耦合，输出限幅信号以限制电压幅度，从而对解调器4进行过压保护；

控制器的输出端还通过耦合电容连接至波形发生器5，通过电容耦合，输出脉冲调制信号以控制波形发生器5，从而将高压方波调制成高压超短脉冲；

其中，控制器具体为FPGA控制芯片。

本实施例中，高压功率开关Q将储能电容C中的电压调制成0.3～3MHz的高频脉冲，经变压器T升压、整流滤波后，输出一定幅度的脉冲，同时可将多个输出脉冲串联后获得所需的脉冲，在具体应用中：

1、测控单元负责整个高压超短脉冲的控制，通过光电耦合，限制电压幅度，进行过压保护，区分消融边界，保证患者安全；通过电容耦合，FPGA控制波形发生器，将原来的波形，按照需要，调制成正负波形；通过电容耦合，实时检测电压电流和人体阻抗，进行治疗参数检测，从而监测治疗效果、电极治疗质量；

2、心电同步检测R波，R波到来时，测控单元根据R波，发出触发脉冲控制信号；

3、射频调制器接收触发脉冲控制信号，将储能电容上的电压按照外部重复频率调制成0.3～3MHz交流电，并施加在隔离变压器的原线圈N1上；

4、隔离变压器原线圈N1接收到电压信号后，经过电磁耦合，在次级线圈N2上产生高压交流电；

5、隔离变压器有两个作用：一个是将原边电压按照匝数比进行升压；另一个是在原边和副边之间实现电气隔离，由于变压器的隔离作用，如果发生高压功率开关短路故障，将造成脉冲宽度过大，导致变压器磁芯饱和而失去能量传递作用，从而保证使用安全；

6、调制解调器将N2上的高压交流电恢复成高压方波；

7、波形发生器根据临床需要优化组合设置，用于改变治疗脉冲的极性、峰值和内部脉冲；

8、电极针放入肿瘤周围，接收到治疗脉冲后，在肿瘤内部形成电场，实现不可逆电穿孔。

综上所述，实施例采用本发明提出的高压超短脉冲电源后，产生了以下有益效果：实现了隔离式脉冲输出，发生故障时，变压器磁心立即饱和，失去向患者传输能量的作用，形成一道隔离屏障，将储能电容的能量阻挡在变压器的前端，从源头上消除患者的电气安全隐患；

储能电容的电压低(≦180V)、输出脉冲电压高(±(500～5000)V)，这种低输入高输出、现用现送的零库存工作模式，进一步提高医生和患者的安全性，同时也提高了整个高压超短脉冲电源的可靠性；

高压超短脉冲电源输出脉冲极性、峰值和内部脉冲可根据临床需要优化组合设置，适应范围广，输出脉冲幅度高，脉冲电流大(≧40A@5kV)，单次消融范围大；

采集模块化设计，整个高压超短脉冲电源可以同时配置多套电路(一套电路包括射频调制器、隔离变压器、解调器和波形发生器)，每套电路的脉冲峰值可独立设置，以适合不同形状不同尺寸的肿瘤。

Claims (6)

1.一种用于肿瘤消融的高压超短脉冲电源，其特征在于，包括测控单元(1)、射频调制器(2)、隔离变压器(3)、解调器(4)和波形发生器(5)，所述测控单元(1)的第一输入端连接至心电检测仪(6)，所述测控单元(1)的第二输入端连接至电极针(7)，所述测控单元(1)的第一输出端连接至射频调制器(2)的输入端，所述射频调制器(2)的输出端通过隔离变压器(3)连接至解调器(4)的输入端，所述解调器(4)的输出端通过波形发生器(5)连接至电极针(7)，所述测控单元(1)的第二输出端与解调器(4)连接，所述测控单元(1)的第三输出端与波形发生器(5)连接；

所述测控单元(1)用于检测电极针(7)的电压电流和人体阻抗，以及输出触发控制信号和外部重复频率信号给射频调制器(2)、输出限幅信号给解调器(4)、输出脉冲调制信号给波形发生器(5)；

所述射频调制器(2)用于根据触发控制信号和外部重复频率信号，以调制出低压交流电；

所述隔离变压器(3)用于电气隔离，同时对原边的低压交流电进行升压，从次边输出高压交流电；

所述解调器(4)用于将高压交流电恢复成高压方波；

所述波形发生器(5)用于根据脉冲调制信号，将高压方波调制成高压超短脉冲，并将高压超短脉冲输出给电极针(7)；

其中，所述测控单元(1)包括依次连接的检测模块和控制器，所述检测模块用于实时采集电极针(7)的电压电流和人体阻抗，所述控制器用于输出触发控制信号和外部重复频率信号给射频调制器(2)，输出限幅信号给解调器(4)，以及输出脉冲调制信号给波形发生器(5)；

所述控制器的输入端连接至心电检测仪(6)，根据心电检测仪(6)检测的R波信号，以输出触发控制信号。

2.根据权利要求1所述的一种用于肿瘤消融的高压超短脉冲电源，其特征在于，所述检测模块的输入端通过第一耦合电容连接至电极针(7)，通过电容耦合，实时检测电极针(7)电压电流和人体阻抗。

3.根据权利要求1所述的一种用于肿瘤消融的高压超短脉冲电源，其特征在于，所述控制器的输出端通过光电耦合器连接至解调器(4)，通过光电耦合，输出限幅信号以限制电压幅度，从而对解调器(4)进行过压保护。

4.根据权利要求3所述的一种用于肿瘤消融的高压超短脉冲电源，其特征在于，所述控制器的输出端还通过第二耦合电容连接至波形发生器(5)，通过电容耦合，输出脉冲调制信号以控制波形发生器(5)，从而将高压方波调制成高压超短脉冲。

5.根据权利要求1所述的一种用于肿瘤消融的高压超短脉冲电源，其特征在于，所述射频调制器(2)包括高压功率开关、触发电路和储能电容，所述高压功率开关的输入端分别与储能电容、隔离变压器(3)连接，所述高压功率开关的输出端连接至触发电路，所述储能电容的两端并联有电源。

6.根据权利要求1所述的一种用于肿瘤消融的高压超短脉冲电源，其特征在于，所述控制器为FPGA控制芯片。

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