CN111345889A - 一种应用于脉冲电场消融技术的脉冲产生电路及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高压脉冲应用领域的一种应用于脉冲电场消融技术的脉冲产生电路及控制方法。电路包括多个开关模块，每一个开关模块包括电容和四个开关子模块，四个开关子模块中，每两个开关子模块串联构成两个串联的开关支路，两个串联的开关支路并联；多个开关模块构成全桥拓扑结构。本发明公开了一种应用于脉冲电场消融技术的脉冲产生电路，电路中多个开关模块构成全桥拓扑结构，通过开关的切换，不仅能输出正脉冲、零脉冲、负脉冲及其组合，还能使得电路处于零充电脉冲状态，在脉冲输出的间歇期实现对电容的电能补充。

Description

一种应用于脉冲电场消融技术的脉冲产生电路及控制方法

技术领域

本发明涉及高压脉冲应用领域，特别是涉及一种应用于脉冲电场消融技术的脉冲产生电路及控制方法。

背景技术

现有治疗快速心律失常往往采用射频、冷冻等热消融技术。其中射频技术可以产生固定频率的正弦波。所产生的射频能量通过射频导管或者射频电极作用到需要治疗的病灶点，使其达到阻断或者调理的作用，进而达到治疗的效果。而冷冻消融是通过冷冻球囊内液态制冷剂的蒸发过程吸热，使消融靶点周围温度骤然降低。通过低温使病灶区域的组织细胞受损或死亡，进而达到治疗的目的。这些消融技术在临床实际应用中受限于热池效应，很难达到全层透壁的消融目标，同时这些消融技术不具备细胞的选择性，因此会将非靶的细胞也一并进行消融损毁。

鉴于以上热消融技术的缺陷，脉冲电场消融技术作为一项非热消融技术日渐得到了临床应用的关注。脉冲电场消融技术是通过产生一种脉宽为毫秒、微秒甚至纳秒级的高压脉冲电场，在短时间内释放极高的能量，其能使得细胞膜甚至是细胞内的细胞器如内质网、线粒体、细胞核等会产生大量的不可逆的微孔。进而造成病变细胞的凋亡，从而达到预期的治疗目的。

在治疗快速心律失常的应用中，采用脉冲电场消融技术可以选择性的处理心肌细胞，而不对其他非靶的细胞组织产生影响，同时其还具有彻底的全层消融、精准、快速、保护冠脉的特点。因此脉冲电场消融技术有望成为理想的心脏消融手段。

根据临床现有的应用，采用MARX拓扑实现高压脉冲输出。其无法实现脉冲输出的幅值组合变化，只能实现单一幅值的单极性或双极性高压脉冲。并且实现双极性输出需要配置2个直流电源。因此采用MARX拓扑的方式实现单极性、双极性的高压组合脉冲输出需要配置较多的直流电源。不仅实现方式复杂，而且成本较高。因此有必要提出一种适用于医疗应用场合，简单可靠的高压组合脉冲的产生电路及其控制方法。

发明内容

本发明为了克服上述不足之处，提出了一种应用于脉冲电场消融技术的脉冲产生电路及控制方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种应用于脉冲电场消融技术的脉冲产生电路，电路包括多个开关模块，每一个开关模块包括电容和四个开关子模块，四个开关子模块中，每两个开关子模块串联构成开关支路，包括第一开关支路和第二开关支路，第一开关支路和第二开关支路并联；

多个开关模块构成全桥拓扑结构，脉冲产生电路输出包括以下脉冲中的一种或几种的组合：正脉冲、零脉冲、负脉冲，脉冲产生电路还用于产生零充电脉冲状态；

多个开关模块构成全桥拓扑结构是指：其中一个开关模块的第一开关支路中点与另一个开关模块的第二开关支路中点连接，第一个开关模块的第二开关支路中点和最后一个开关模块的第一开关支路中点作为信号的输出端。

进一步的，开关子模块包括多个串联的开关单元，开关单元包括多个并联的开关子单元，开关子单元包括驱动电路和开关，驱动电路与开关的第一端口连接，用于控制开关的开启或关闭；开关的第二端口和第三端口与其他开关子单元并联。

进一步的，电路还包括直流电源，直流电源的一端与最后一个开关模块的B点连接，直流电源的另一端与多个开关模块的A端并联，第一开关支路和第二开关支路并联的两端分别为A点和B点。

作为本发明的优选方案，串联的开关单元中，至少开关子模块S14和开关子模块SN3的最后一个开关单元中的开关的第二端口和第三端口交换，

开关子模块S14是第一开关模块的第二开关支路中点以下的开关子模块，开关子模块SN3是最后一个开关模块第一开关支路中点以下的开关子模块。

作为本发明的优选方案，串联的开关单元中，开关子模块S14和开关子模块SN3的最后一个开关单元中的开关的第二端口和第三端口交换。

作为本发明的优选方案，串联的开关单元中，开关子模块Sn3和开关子模块Sn4的最后一个开关单元中的开关的第二端口和第三端口交换，

其中，n＝1,2,3,…N，开关子模块Sn3是第n个开关模块的第一开关支路中点以下的开关子模块，开关子模块Sn4是第n个开关模块第二开关支路中点以下的开关子模块。

基于相同的构思，本发明还提出了一种应用于脉冲电场消融技术的脉冲产生方法，步骤包括：

构建上述任一所述的电路，电路包括N个开关模块，每个开关模块包括四个开关子模块：Sn1，Sn2，Sn3，Sn4，开关子模块Sn1和Sn3串联构成第一开关支路，开关子模块Sn2和Sn4串联构成第二开关支路，第一开关支路和第二开关支路并联，其中，n∈(1,2,3,…N)；

将开关子模块Sn1和Sn4中的开关导通，开关子模块Sn1和Sn4所在的开关模块输出负脉冲；

将开关子模块Sn2和Sn3中的开关导通，开关子模块Sn2和Sn3所在的开关模块输出正脉冲；

将开关子模块Sn1和Sn2中的开关导通，开关子模块Sn1和Sn2所在的开关模块输出零脉冲；

将开关子模块Sn3和Sn4中的开关导通，开关子模块Sn3和Sn4所在的开关模块输出零脉冲。

基于相同的构思，本发明还提出了一种应用于脉冲电场消融技术的脉冲产生方法，步骤包括：

构建一种应用于脉冲电场消融技术的脉冲产生电路，电路还包括直流电源，直流电源的一端与最后一个开关模块的B点连接，直流电源的另一端与多个开关模块的A端并联，第一开关支路和第二开关支路并联的两端分别为A点和B点；电路包括N个开关模块；每个开关模块包括四个开关子模块：Sn1，Sn2，Sn3，Sn4，开关子模块Sn1和Sn3串联构成第一开关支路，开关子模块Sn2和Sn4串联构成第二开关支路，第一开关支路和第二开关支路并联，其中，n∈(1,2,3,…N)；

当开关模块中的开关都采用体二极管时，导通第2个到第N个开关模块的开关子模块Sn4中的开关，其他开关关断，开关模块中的电容被充电，电路处于零充电脉冲状态；

当开关模块中没有体二极管时，第1个开关模块中的开关子模块S13的所有开关导通，其余开关模块的开关子模块Sn3和Sn4中所有的开关导通，其他开关都关断，开关模块中的电容被充电，电路处于零充电脉冲状态。

基于相同的构思，本发明还提出了一种应用于脉冲电场消融技术的脉冲产生方法，步骤包括：

构建一种应用于脉冲电场消融技术的脉冲产生电路，电路还包括直流电源，直流电源的一端与最后一个开关模块的B点连接，直流电源的另一端与多个开关模块的A端并联，第一开关支路和第二开关支路并联的两端分别为A点和B点，串联的开关单元中，至少开关子模块S14和开关子模块SN3的最后一个开关单元中的开关的第二端口和第三端口交换，开关子模块S14是第一开关模块的第二开关支路中点以下的开关子模块，开关子模块SN3是最后一个开关模块第一开关支路中点以下的开关子模块；

电路中包括N个开关模块；每个开关模块包括四个开关子模块：Sn1，Sn2，Sn3，Sn4，开关子模块Sn1和Sn3串联构成第一开关支路，开关子模块Sn2和Sn4串联构成第二开关支路，第一开关支路和第二开关支路并联，其中，n∈(1,2,3,…N)；

当开关模块中的开关都采用体二极管时，导通第2个到第N个开关模块的开关子模块Sn4中的开关，并且导通开关子模块SN3中反向的开关，开关模块中的电容被充电，电路处于零充电脉冲状态；

当开关模块中没有体二极管时，导通第2个到第N个开关模块的开关子模块Sn3和Sn4中的开关，并且导通第1个开关模块的开关子模块S13中的开关，其他开关关断，开关模块中的电容被充电，电路处于零充电脉冲状态。

基于相同的构思，本发明还提出了一种应用于脉冲电场消融技术的脉冲产生方法，步骤包括：

构建一种应用于脉冲电场消融技术的脉冲产生电路，电路还包括直流电源，直流电源的一端与最后一个开关模块的B点连接，直流电源的另一端与多个开关模块的A端并联，第一开关支路和第二开关支路并联的两端分别为A点和B点，并且包括N个开关模块；每个开关模块包括四个开关子模块：Sn1，Sn2，Sn3，Sn4，开关子模块Sn1和Sn3串联构成第一开关支路，开关子模块Sn2和Sn4串联构成第二开关支路，第一开关支路和第二开关支路并联，其中，n∈(1,2,3,…N)；串联的开关单元中，开关子模块Sn3和开关子模块Sn4的最后一个开关单元中的开关的第二端口和第三端口交换；

当开关模块中的开关都采用体二极管时，导通第2个到第N个开关模块的开关子模块Sn4中的开关，并且导通开关子模块Sn3中反向的开关，其他开关关断，开关模块中的电容被充电，电路处于零充电脉冲状态；

当开关模块中没有体二极管时，导通第2个到第N个开关模块的开关子模块Sn3和Sn4中的开关，并且导通第1个开关模块的开关子模块S13中的开关，其他开关关断，开关模块中的电容被充电，电路处于零充电脉冲状态。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明在高压脉冲电路的基础上，增加了一种应用于脉冲电场消融技术的脉冲产生电路，电路包括多个开关模块构成全桥拓扑结构，通过开关的切换，不仅能输出正脉冲、零脉冲、负脉冲及其组合，还能使得电路处于零充电脉冲状态，在脉冲输出的间歇期实现对电容的电能补充。

2、本发明中的开关子模块包括多个串联的开关单元，开关单元包括多个并联的开关子单元，每个开关子模块中的开关构成开关阵列，每个开关由一个驱动电路控制，通过对开关阵列中开关的控制，实现了电路运行中的分压和分流，使得器件随着电流电压的变化始终工作在额定值以内，避免器件因超出承受范围而损坏。

3、本发明的脉冲产生电路可采用多个直流电源分别对每一个开关模块供电，还可以采用一个直流电源对多个开关模块统一供电，供电模式设置灵活多变，满足临床应用中的各种供电情况需求。

4、本发明的脉冲产生电路提出了采用一个直流电源给多个开关模块供电的模式，在实现多种组合脉冲输出前提下，采用该种供电模式，极大地简化了高压脉冲发送电路的供电电路，降低了电路设计的难度，电路电压控制更为简单，同时降低了成本。

5、本发明的脉冲产生电路中，当采用一个直流电源对多个开关模块统一供电时，通过将各串联的开关单元中最后一个所述开关单元中的开关的第二端口和第三端口交换，就能实现在不需要单独的充电开关保护模块时，即可使得电路处于零充电脉冲状态的时候，电流不会经过患者，电路的安全性能更高。

6、本发明保护的电路还包括充电保护开关模块，充电保护开关模块一端与脉冲信号的输出端连接，所述充电保护开关模块的另一端用于输出高压脉冲组合。由于充电保护开关模块的使用，当电路处于零充电脉冲状态的时候，保证充电电流回路不会经过人体，电路的安全性能更高。充电保护开关模块采用的电路包括但不限于半导体充电开关保护电路、继电器充电开关保护电路及固态继电器充电开关保护电路，多种开关保护电路可选，有利于商业应用。

附图说明：

图1为本发明实施例1一种应用于脉冲电场消融技术的脉冲产生电路原理框图；

图2为本发明实施例1中采用独立充电方式的全桥拓扑脉冲发生电路图；

图3为本发明实施例1中采用统一充电方式的全桥拓扑脉冲发生电路图；

图4为本发明实施例1中采用充电开关保护防止充电电流流向患者示意图；

图5为本发明实施例1中充电保护开关模块采用半导体充电开关保护电路的示意图；

图6为本发明实施例1中充电保护开关模块采用继电器充电开关保护电路的示意图；

图7为本发明实施例1中充电保护开关模块采用固态继电器充电开关保护电路的示意图；

图8为本发明实施例1中的用反向开关实现充电保护的统一充电全桥拓扑电路图；

图9为本发明实施例1中的采用统一充电方式的全桥拓扑脉冲发生电路使用体二极管方式进行电容充电示意图；

图10为本发明实施例1中的采用统一充电方式的全桥拓扑脉冲发生电路使用无体二极管方式进行电容充电示意图；

图11为本发明实施例1中的用反向开关实现的充电保护的统一充电全桥拓扑的电容充电示意图；

图12为本发明实施例1中正负输出脉冲示意图；

图13为本发明实施例1中负正输出脉冲示意图；

图14为本发明实施例1中正负交替变化脉冲示意图；

图15为本发明实施例1中负正交替变化脉冲示意图；

图16为本发明实施例1中正脉冲示意图；

图17为本发明实施例1中负脉冲示意图；

图18为本发明实施例1中正阶梯增加负阶梯减小输出脉冲示意图；

图19为本发明实施例1中负阶梯增加正阶梯减小输出脉冲示意图；

图20为本发明实施例1中正阶梯减小负阶梯减小输出脉冲示意图；

图21为本发明实施例1中负阶梯增加正阶梯增加输出脉冲示意图；

图22为本发明实施例1中正阶梯减小负阶梯增加输出脉冲示意图；

图23为本发明实施例1中负阶梯减小正阶梯增加输出脉冲示意图；

图24为本发明实施例1中开关驱动电路采用光线驱动原理示意图；

图25为本发明实施例1中开关驱动电路采用光耦驱动原理图示意图；

图26为本发明实施例1中开关驱动电路采用变压器驱动原理示意图；

图27为本发明实施例1中开关驱动电路采用自举驱动原理示意图。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

一种应用于脉冲电场消融技术的脉冲产生电路，原理框图如图1所示，电路包括N个开关模块，每一个开关模块包括一个电容和四个开关子模块，四个开关子模块分别为Sn1、Sn2、Sn3、Sn4，四个开关子模块中，开关子模块Sn1和Sn3串联构成第一开关支路Ln1，开关子模块Sn2和Sn4串联构成第二开关支路Ln2，第一开关支路Ln1和第二开关支路Ln2并联，其中，n∈(1,2,3,…N)。具体的说，第一个开关模块里，包括电容和四个开关子模块S11、S12、S13、S14，开关子模块S11和S13串联构成第一开关支路L11，开关子模块S12和S14串联构成第二开关支路L12，第一开关支路L11和第二开关支路L12并联；第2个开关模块里，包括电容和四个开关子模块S21、S22、S23、S24，开关子模块S21和S23串联构成第一开关支路L21，开关子模块S22和S24串联构成第二开关支路L22，第一开关支路L21和第二开关支路L22并联，以此类推，对其他开关模块里面的四个开关子模块进行连接和编号。

为了后续表述的准确性，将第一开关支路Ln1中Sn1和Sn3串联的连接点定义为第一开关支路Ln1的中点P_(n,1)，将第二开关支路Ln2中Sn2和Sn4串联的连接点定义为第二开关支路Ln2的中点P_(n,2)，其中，n∈(1,2,3,…N)。

N个开关模块内的开关子模块通过上述方式连接后，再连接构成全桥拓扑结构：其中一个开关模块的第一开关支路Ln1的中点P_(n,1)与另一个相邻开关模块的第二开关支路L(n+1)2的中点P_(n+1,2)连接，第一个开关模块的第二开关支路L12的中点P_(1,2)和最后一个开关模块的第一开关支路LN1的中点P_(N,1)作为信号的输出端，输出脉冲信号。

上述开关模块的全桥拓扑结构，再接上直流电源，使得电路可以输出正脉冲、零脉冲或负脉冲中的一种，或者正脉冲、零脉冲或负脉冲的各种组合。并且，通过开关的组合切换，还可以使得电路处于零充电脉冲状态，即是输出为零脉冲，电路的电源给电容充电。根据供电方式不同，上述电路分为独立充电方式和统一供电方式。

作为一种具体的实施例，图2给出了一种采用独立充电方式的全桥拓扑脉冲发生电路图，在图1的电路原理图的基础上，图2公开了每个开关子模块内部的电路结构。

开关子模块包括多个串联的开关单元，开关单元包括多个并联的开关子单元，以图2中的电路为例，进行说明。对于第1个开关模块来说，四个开关子模块内部的结构是一样的，以开关子模块S11为例，开关子模块S11内部有m个开关单元串联而成，而每一个开关单元内，由k个开关子单元并联构成，因此，构成了m×k个开关子单元的阵列，第1个开关模块内的其他开关子模块也是相同的结构，同时其他开关模块内的开关子单元也是相同的结构。由于采用了多个开关单元串联并且每个开关单元内多个开关子单元串联，因此构成了开关阵列，使得多个开关单元串联，能够起到电压分压的作用，同时多个开关子单元并联，能够起到电流分流的作用，根据电压的大小，可以调整串联开关的个数，根据电流的大小，可以调整并联的开关子单元的个数，以免因为过压或者过流，避免器件因超出承受范围而损坏。

电路中的每个开关子单元内部包括驱动电路和开关，驱动电路与开关的第一端口连接，用于控制开关的开启或关闭，开关的第二端口和第三端口与其他开关子单元并联。电路还包括直流电源，每一个开关模块与一个直流电源并联，N个直流电源对应N个开关模块。

独立充电方式的全桥拓扑脉冲发生电路信号输出端输出的电压值为多个开关模块对应的直流电源电压值的叠加，叠加公式如公式(1)所示：

V_out＝V₁×M₁+V₂×M₂+....+V_n×M_n (1)

其中，

V₁、V₂…V_n为开关模块的直流电源电压值，n∈(1,2,3,…N)，N为开关模块的个数，M_n是开关模块的开关状态，1对应开关模块贡献的是正脉冲，-1对应开关模块贡献的是负脉冲，0对应开关模块贡献的是零脉冲。优选情况下为正脉冲和零脉冲组合，负脉冲和零脉冲组合，两种组合方式。

为了减少直流电源的个数，可以将图2的全桥拓扑电路结构改为统一充电方式，作为另一种实施例，图3给出了采用统一充电方式的全桥拓扑脉冲发生电路图。通过开关的组合变换实现正脉冲、负脉冲、零脉冲、零充电脉冲的输出方式。图3和图2的区别在于，所有开关模块均用一个直流电源供电，而不是一个开关模块对应一个直流电源。直流电源的一端与最后一个开关模块的B点连接，直流电源的另一端与多个开关模块的A端并联，定义第一开关支路Ln1和第二开关支路Ln2并联的两端分别为A点和B点。统一充电方式电路中，开关模块的个数，以及每个开关模块中使用的开关个数，具体根据参数确定，参考的参数包括电压幅值、电压阶梯变化范围、电流要求等。

统一充电方式电路中，信号输出端输出的电压值为多个开关模块的电容的电压值的叠加，叠加公式如公式(2)所示：：

V_out＝(V_in/N)×M₁+(V_in/N)×M₂+....+(V_in/N)×M_n (2)

其中，

V_in是直流电源电压值，N是开关模块的个数，V_in/N为各开关模块电容的电压值，n∈(1,2,3,…N)，N为开关模块的个数，M_n是开关模块的开关状态，1对应开关模块贡献的是正脉冲，-1对应开关模块贡献的是负脉冲，0对应开关模块贡献的是零脉冲。

优选情况下，统一充电方式电路中，脉冲输出方式包括：正脉冲和零脉冲组合，正脉冲和零充电脉冲组合，正脉冲、零充电脉冲和零脉冲组合，负脉冲和零脉冲组合，负脉冲和零充电脉冲组合，负脉冲、零充电脉冲和零脉冲组合等。以第一个开关模块为例进行说明，当开关子模块S11内所有的开关和S14内所有的开关导通时，第一个开关模块输出负脉冲；当开关子模块S12内所有的开关和S13内所有的开关导通时，第一个开关模块输出正脉冲；当开关子模块S11内所有的开关和S12内所有的开关导通时，第一个开关模块输出零脉冲。其他开关模块采用相同的开关导通方式，输出负脉冲、正脉冲和零脉冲，多个开关模块的脉冲组合，构成了如图12-23所示的组合脉冲。

由于该电路应用于医疗设备中，输出的高压脉冲无论什么组合，什么脉冲，均要作用于人体，因此，需要提高电路的安全性能，在信号输出端连接充电保护开关模块，采用充电开关保护防止充电电流流向患者示意图如图4所示，充电保护开关模块一端与电路信号的输出端连接，另一端用于接触患者。充电保护开关模块采用的电路包括但不限于半导体充电开关保护电路、继电器充电开关保护电路、固态继电器充电开关保护电路，充电保护开关模块采用半导体充电开关保护电路的示意图如图5所示；充电保护开关模块采用继电器充电开关保护电路的示意图如图6所示；充电保护开关模块采用固态继电器充电开关保护电路的示意图如图7所示。

作为一种具体的实施例，图8给出了一种用反向开关实现充电保护的统一充电全桥拓扑电路图，该电路是基于图3采用统一充电方式的全桥拓扑脉冲发生电路图进行改进得到，此处需要说明，图2、图3和图8中的开关均是带有体二极管的开关。图8与图3的区别在于，串联的开关单元中，最后一个开关单元中的开关的第二端口和第三端口交换，使得开关中的体二极管反向。通过控制开关子模块中开关的状态，该电路可以实现正脉冲、负脉冲、零脉冲和零充电脉冲。并且，该电路无需采用充电保护开关，便可实现零充电脉冲，电路中的电容处于充电状态，而输出为零脉冲。

由于开关中的体二极管反向，因此可以不需要单独的充电开关保护，电容充电的时候，电流不会经过患者。在具体的电路设计中，并不需要所有开关模块中，最后一个开关单元中的开关的第二端口和第三端口都交换反向，至少第一个开关模块中的S14和最后一个开关模块中的SN3中，最后一个开关单元中的开关的第二端口和第三端口交换，体二极管反向。其他开关模块中，最后一个开关单元中的开关的第二端口和第三端口是否反向，根据实际应用情况按需使用。

无论采用图3的统一充电方式的全桥拓扑脉冲发生电路图还是采用图8的用反向开关实现的充电保护的统一充电全桥拓扑电路图，开关控制方式可分为有体二极管以及无体二极管两种方式。

当采用图3的结构开关有体二极管时，采用统一充电方式的全桥拓扑脉冲发生电路使用体二极管方式进行电容充电的电路图如图9所示，只需将第2、第3……第N个开关模块中的开关子模块Sn4中的所有开关导通，并利用第1、第2……第N个开关模块中的开关子模块Sn3中的体二极管，其他开关都关断，就可以形成回路实现电容充电，即处于零充电脉冲状态。

当采用图3的结构开关无体二极管时，采用统一充电方式的全桥拓扑脉冲发生电路使用无体二极管方式进行电容充电电路图如图10所示，将第1个开关模块中的开关子模块S13的所有开关导通，其余开关模块的开关子模块Sn3和Sn4中所有的开关导通，其他开关都关断，就可以形成回路，实现电容充电。

用反向开关实现的充电保护的统一充电全桥拓扑的电容充电示意图如图11所示，当开关有体二极管时，从第2个开关模块到第N个开关模块中的开关子模块Sn4中的开关导通(由于开关子模块Sn4中最后一行开关单元中的开关的第二端口和第三端口交换，相应的体二极管反向，所以，在零脉冲充电时，可以利用该反向的体二极管，开关子模块Sn4中最后一行开关单元中的开关可以不导通，而开关子模块Sn4中的其他开关导通)，并且第1、第2……第N个开关模块中的开关子模块Sn3中最后一行开关单元中的开关导通(除了开关子模块Sn3中最后一行开关单元中开关的体二极管因为反向无法利用，其他第1、第2……第N个开关模块中的开关子模块Sn3中的体二极管可以利用其单向导通性能，给电容充电)，其他开关都关断。此时，构成充电回路，电容充电，实现零充电脉冲。此时，由于从第一个开关模块的开关子模块S14有反向开关并且其他未反向的开关也处于断开状态，使得充电电流回路不会输出到患者，因此，不需要在输出端外接充电保护开关模块，也能保证电容充电过程中，无输出，患者不会承受高压，安全性得到了保障。

当开关无体二极管时，将第1个开关模块中的开关子模块S13的所有开关导通，其余开关模块的开关子模块Sn3和Sn4中所有的开关导通，其他开关都关断，就可以形成回路，实现电容充电。

采用独立充电方式以及统一充电方式的全桥拓扑，可以实现通过控制幅度、脉冲宽度、脉冲间隙实现不同种类的脉冲组合。这里仅仅列举了部分脉冲组合的示意图，如图12至图23所示。图12是正负输出脉冲示意图；图13是负正输出脉冲示意图；图14是正负交替变化脉冲示意图；图15是负正交替变化脉冲示意图；图16是正脉冲示意图；图17是负脉冲示意图；图18是正阶梯增加负阶梯减小输出脉冲示意图；图19是负阶梯增加正阶梯减小输出脉冲示意图；图20是正阶梯减小负阶梯减小输出脉冲示意图；图21是负阶梯增加正阶梯增加输出脉冲示意图；图22是正阶梯减小负阶梯增加输出脉冲示意图；图23是负阶梯减小正阶梯增加输出脉冲示意图。

作为一种优选方式，无论是哪种充电方式，全桥拓扑中的开关可以使用MOSFET或IGBT实现。

作为一种优选方式，无论是哪种充电方式，全桥拓扑中的开关驱动可以使用光纤、光耦、变压器或自举电路实现，具体如图24至图27所示。其中，图24为开关驱动电路采用光线驱动原理示意图；图25为开关驱动电路采用光耦驱动原理图示意图；图26为开关驱动电路采用变压器驱动原理示意图；图27为开关驱动电路采用自举驱动原理示意图。

基于相同的构思，还提出了一种应用于脉冲电场消融技术的脉冲产生方法，步骤包括：

构建上述任一的电路，每个开关模块中有四个开关子模块分别为Sn1，Sn2，Sn3，Sn4，开关子模块Sn1和Sn3串联构成第一开关支路，开关子模块Sn2和Sn4串联构成第二开关支路，第一开关支路和开关支路并联；

在电路的每一个开关子模块中，

将开关子模块Sn1和Sn4中的开关都导通，电路输出负脉冲；

将开关子模块Sn2和Sn3中的开关都导通，电路输出正脉冲；

将第一个开关子模块S13导通，并将开关子模块Sn3，Sn4导通，所述电路输出零脉冲，n∈(2,3,4,…N)，N为开关模块的个数。

其中，当构建的电路为图8时，

当开关模块中开关采用体二极管时，导通第2个到第N-1个开关模块的开关子模块Sn4中的开关，并且导通Sn3中体二极管反向的开关，导通第N个开关模块的开关子模块Sn3和Sn4中的开关，使得所述电路处于零充电脉冲状态；

当开关模块中没有体二极管时，导通第1个开关模块中的开关子模块S13中的开关，并且导通第2个到第N个开关模块的开关子模块Sn3和Sn4中的开关，使得所述电路处于零充电脉冲状态。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种应用于脉冲电场消融技术的脉冲产生电路，其特征在于，所述电路包括多个开关模块，每一个所述开关模块包括电容和四个开关子模块，所述四个开关子模块中，每两个所述开关子模块串联构成开关支路，包括第一开关支路和第二开关支路，所述第一开关支路和第二开关支路并联；

所述多个开关模块构成全桥拓扑结构，所述脉冲产生电路输出包括以下脉冲中的一种或几种的组合：正脉冲、零脉冲、负脉冲，所述脉冲产生电路还用于产生零充电脉冲状态；

所述多个开关模块构成全桥拓扑结构是指：其中一个所述开关模块的第一开关支路中点与另一个所述开关模块的第二开关支路中点连接，第一个所述开关模块的第二开关支路中点和最后一个所述开关模块的第一开关支路中点作为信号的输出端。

2.如权利要求1所述的一种应用于脉冲电场消融技术的脉冲产生电路，其特征在于，所述开关子模块包括多个串联的开关单元，所述开关单元包括多个并联的开关子单元，所述开关子单元包括驱动电路和开关，所述驱动电路与所述开关的第一端口连接，用于控制所述开关的开启或关闭；所述开关的第二端口和第三端口与其他所述开关子单元并联。

3.如权利要求2所述的一种应用于脉冲电场消融技术的脉冲产生电路，其特征在于，所述电路还包括直流电源，所述直流电源的一端与最后一个所述开关模块的B点连接，所述直流电源的另一端与多个所述开关模块的A端并联，所述第一开关支路和第二开关支路并联的两端分别为A点和B点。

4.如权利要求3所述的一种应用于脉冲电场消融技术的脉冲产生电路，其特征在于，所述串联的开关单元中，至少开关子模块S14和开关子模块SN3的最后一个开关单元中的开关的第二端口和第三端口交换，

所述开关子模块S14是所述第一开关模块的第二开关支路中点以下的开关子模块，所述开关子模块SN3是最后一个开关模块第一开关支路中点以下的开关子模块。

5.如权利要求4所述的一种应用于脉冲电场消融技术的脉冲产生电路，其特征在于，所述串联的开关单元中，开关子模块S14和开关子模块SN3的最后一个开关单元中的开关的第二端口和第三端口交换。

6.如权利要求4所述的一种应用于脉冲电场消融技术的脉冲产生电路，其特征在于，所述串联的开关单元中，所述开关子模块Sn3和开关子模块Sn4的最后一个开关单元中的开关的第二端口和第三端口交换，

其中，n＝1,2,3,…N，所述开关子模块Sn3是所述第n个开关模块的第一开关支路中点以下的开关子模块，所述开关子模块Sn4是所述第n个开关模块第二开关支路中点以下的开关子模块。

7.一种应用于脉冲电场消融技术的脉冲产生方法，其特征在于，步骤包括：

构建如权利要求1-6任一所述的电路，所述电路包括N个开关模块，每个所述开关模块包括四个开关子模块：Sn1，Sn2，Sn3，Sn4，所述开关子模块Sn1和Sn3串联构成第一开关支路，所述开关子模块Sn2和Sn4串联构成第二开关支路，所述第一开关支路和第二开关支路并联，其中，n∈(1,2,3,…N)；

将所述开关子模块Sn1和Sn4中的开关导通，所述开关子模块Sn1和Sn4所在的开关模块输出负脉冲；

将所述开关子模块Sn2和Sn3中的开关导通，所述开关子模块Sn2和Sn3所在的开关模块输出正脉冲；

将所述开关子模块Sn1和Sn2中的开关导通，所述开关子模块Sn1和Sn2所在的开关模块输出零脉冲；

将所述开关子模块Sn3和Sn4中的开关导通，所述开关子模块Sn3和Sn4所在的开关模块输出零脉冲。

8.一种应用于脉冲电场消融技术的脉冲产生方法，其特征在于，步骤包括：

构建如权利要求3所述的电路，包括N个开关模块；每个所述开关模块包括四个开关子模块：Sn1，Sn2，Sn3，Sn4，所述开关子模块Sn1和Sn3串联构成第一开关支路，所述开关子模块Sn2和Sn4串联构成第二开关支路，所述第一开关支路和第二开关支路并联，其中，n∈(1,2,3,…N)；

当所述开关模块中的开关都采用体二极管时，导通第2个到第N个开关模块的开关子模块Sn4中的开关，其他开关关断，所述开关模块中的电容被充电，所述电路处于零充电脉冲状态；

当所述开关模块中没有体二极管时，第1个开关模块中的开关子模块S13的所有开关导通，其余开关模块的开关子模块Sn3和Sn4中所有的开关导通，其他开关都关断，所述开关模块中的电容被充电，所述电路处于零充电脉冲状态。

9.一种应用于脉冲电场消融技术的脉冲产生方法，其特征在于，步骤包括：

构建如权利要求5所述的电路，包括N个开关模块；每个所述开关模块包括四个开关子模块：Sn1，Sn2，Sn3，Sn4，所述开关子模块Sn1和Sn3串联构成第一开关支路，所述开关子模块Sn2和Sn4串联构成第二开关支路，所述第一开关支路和第二开关支路并联，其中，n∈(1,2,3,…N)；

当所述开关模块中的开关都采用体二极管时，导通第2个到第N个开关模块的开关子模块Sn4中的开关，并且导通开关子模块SN3中反向的开关，所述开关模块中的电容被充电，所述电路处于零充电脉冲状态；

当所述开关模块中没有体二极管时，导通第2个到第N个开关模块的开关子模块Sn3和Sn4中的开关，并且导通第1个开关模块的开关子模块S13中的开关，其他开关关断，所述开关模块中的电容被充电，所述电路处于零充电脉冲状态。

10.一种应用于脉冲电场消融技术的脉冲产生方法，其特征在于，步骤包括：

构建如权利要求6所述的电路，包括N个开关模块；每个所述开关模块包括四个开关子模块：Sn1，Sn2，Sn3，Sn4，所述开关子模块Sn1和Sn3串联构成第一开关支路，所述开关子模块Sn2和Sn4串联构成第二开关支路，所述第一开关支路和第二开关支路并联，其中，n∈(1,2,3,…N)；

当所述开关模块中的开关都采用体二极管时，导通第2个到第N个开关模块的开关子模块Sn4中的开关，并且导通开关子模块Sn3中反向的开关，其他开关关断，所述开关模块中的电容被充电，所述电路处于零充电脉冲状态；

当所述开关模块中没有体二极管时，导通第2个到第N个开关模块的开关子模块Sn3和Sn4中的开关，并且导通第1个开关模块的开关子模块S13中的开关，其他开关关断，所述开关模块中的电容被充电，所述电路处于零充电脉冲状态。

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