CN112245257B - 基于重频液电脉冲微激波的痰液振动促排装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开基于重频液电脉冲微激波的痰液振动促排装置，包括高压脉冲发生模块(1)、微激波产生模块、微激波聚焦耦合模块；本发明提供的微纳秒重频脉冲装置，电压脉冲参数可调，通过调节电压脉冲参数，灵活调节微激波的参数，可满足不同情况使用者的需求，实现安全性和效率的最大化。

Description

基于重频液电脉冲微激波的痰液振动促排装置

技术领域

本发明涉及脉冲发生领域，具体是基于重频液电脉冲微激波的痰液振动促排装置。

背景技术

呼吸系统疾病患者肺部通常积攒痰液，痰液未及时排除会导致这些使用者产生肺部感染、气喘、呼吸困难等症状。因此，及时排出肺部的积痰，可以避免因肺部积痰而引起的不良症状产生。对于一些重症以及老年使用者，难以凭借自身的能力顺利咳痰，因此需要采取辅助排痰措施。常用的肺泡灌洗术可以起到肺部清洗以及排出痰液的作用，但对一些耐受性较差的重症以及老年使用者来说并不适用。

目前临床医学上根据振动的产生原理将振动促排方法分为以下几类：1)偏心轮机械振动法,这种方法存在的缺陷是排痰效果不佳；2)气流震荡法，这种方法存在的缺陷是难以做到使用者个性化治疗；3)呼气末正压振动法，这种方法存在的缺陷是难以控制治疗力度。因此开发新型的振动促排方法有助于进一步完善排痰治疗。

液体中的脉冲放电伴随液电效应，可以产生激波，若将传统意义上的激波直接应用于痰液促排，还存在缺陷：由于传统意义上的激波强度高(30～100MPa)，人体的肺部气管无法承受强烈的激波冲击，并且频率调节范围有限(小于10Hz)，难以对不同使用者对症治疗。

发明内容

本发明的目的是提供基于重频液电脉冲微激波的痰液振动促排装置，包括高压脉冲发生模块、微激波产生模块、微激波聚焦耦合模块。

所述高压脉冲发生模块向微激波产生模块产生重频微纳秒高压脉冲，并发送至微激波产生模块。

所述高压脉冲发生模块的电路结构如下：

高压直流电源的两端分别记为A端和B端；脉冲传输线T1芯线两端分别记为D端和E端；脉冲传输线T2芯线两端分别记为F端和G端；

A端串联稳压电容后连接B端；

A端依次串联充电电感、MOSFET开关S1的漏极；MOSFET开关S1的栅极悬空；MOSFET开关S1的源极连接B端；

A端串联充电电感后连接脉冲传输线T1的D端；

脉冲传输线T1的地线与脉冲传输线T2的地线共地；

脉冲传输线T1的E端串联负载电阻后连接脉冲传输线T2的F端；

脉冲传输线T1的E端连接脉冲传输线T2的F端；

脉冲传输线T2的G端串联MOSFET开关S2的漏极；MOSFET开关S2的栅极悬空；MOSFET开关S2的源极连接B端；

脉冲传输线T2的G端串联MOSFET开关S3的漏极；MOSFET开关S3的栅极悬空；MOSFET开关S3的源极连接B端。

所述高压脉冲发生模块产生重频微纳秒高压脉冲的过程如下：

1)MOSFET开关S1闭合，或者MOSFET开关S2和MOSFET开关S3任一闭合时，高压直流电源对充电电感充电。

2)MOSFET开关S1、MOSFET开关S2和MOSFET开关S3均断开时，高压直流电源、充电电感、脉冲传输线T1与脉冲传输线T2的等效电容和负载电阻形成阻尼振荡，进而提高脉冲传输线T1和脉冲传输线T2的端电压。

3)MOSFET开关S1关断时，交替导通MOSFET开关S2和MOSFET开关S3，在负载电阻上输出幅值相同、延迟时间可调的同极性重频微纳秒高压脉冲。

重频微纳秒高压脉冲的电压幅值和持续时间通过高压直流电源输出电压、MOSFET开关S2和MOSFET开关S3占空比调节。

所述微激波产生模块将接收到的重频微纳秒高压脉冲转换为微激波，并发送至微激波聚焦耦合模块。

所述微激波产生模块包括放电电极对和绝缘套。

所述放电电极对插入微激波聚焦耦合模块中。

所述放电电极对接收到重频微纳秒高压脉冲后，在微激波聚焦耦合模块内释能，形成微激波。

所述放电电极对与微激波聚焦耦合模块相接触部分的外表面包裹绝缘套。

所述微激波聚焦耦合模块对接收到的微激波进行聚焦，令微激波聚焦于目标区域，实现痰液促排。

优选的，所述微激波聚焦耦合模块包括聚焦反射体、水囊和平台。

所述聚焦反射体嵌在平台的开口内。

所述聚焦反射体为具有内腔的箱体。

所述聚焦反射体内表面为椭球面。

所述聚焦反射体具有2个焦点，分别记为第一焦点F1和第二焦点F2。

所述聚焦反射体的第一焦点F1供放电电极对插入。

所述聚焦反射体的第二焦点F2位于目标区域。

所述聚焦反射体在水平方向可旋转。

所述聚焦反射体内放置有装满水的水囊。

所述水囊的上顶面不超过聚焦反射体上顶面。

所述水囊的材质为聚氨酯材料。

所述平台上顶面与聚焦反射体上顶面平齐。

所述平台供使用者平躺。

优选的，所述微激波聚焦耦合模块包括聚焦反射体、水囊和平台。

所述聚焦反射体嵌在平台的开口内。

所述聚焦反射体为具有内腔的箱体。

所述聚焦反射体内表面为抛物面。

所述聚焦反射体具有1个焦点，记为第一焦点F1。

所述聚焦反射体的第一焦点F1供放电电极对插入。

所述聚焦反射体在水平方向可旋转。

所述聚焦反射体内放置有装满水的水囊。

所述水囊的上顶面不超过聚焦反射体上顶面。

所述水囊的材质为聚氨酯材料。

所述平台上顶面与聚焦反射体上顶面平齐。

所述平台供使用者平躺。

所述微激波聚焦耦合模块对接收到的微激波进行聚焦，令微激波聚焦于目标区域的过程为：微激波经过聚焦反射体内凹面线性反射。若干反射射线在目标区域聚焦。

所述目标区域为使用者存在痰液的组织区域。

本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明解决了现有振动促排方法存在的排痰不彻底、单一化使用、控制不友好等问题。本发明采用的重频液电脉冲微激波，相比于传统意义上的激波，高压脉冲持续的时间更短，因此可以降低激波的强度，并且高压脉冲频率调节范围更广，满足差异个体的不同需求。

本发明提供的微纳秒重频脉冲装置，电压脉冲参数可调，通过调节电压脉冲参数，灵活调节微激波的参数，可满足不同情况使用者的需求，实现安全性和效率的最大化。

本发明提供的微激波聚焦装置，可针对不同情况切换聚焦装置，实现作用区域大小可选的功能。

本发明提供的微纳秒时间尺度下产生的微激波强度较低，不会对人体造成损伤。

本发明提供的水中微纳秒重频脉冲液电脉冲放电的微激波促排方法，在产生微激波时伴随产生的空化效应可对作用区域进行杀菌消毒。

附图说明

图1(a)为高压脉冲产生装置模块图；

图1(b)为高压脉冲产生装置电路图；

图2为微激波产生装置；

图3为微激波聚焦耦合装置I；

图4为微激波聚焦耦合装置I I；

图中，高压脉冲发生模块1、高压直流电源101、稳压电容102、充电电感103、MOSFET开关S1104、脉冲传输线T1105、负载电阻106、脉冲传输线T2107、MOSFET开关S2108、MOSFET开关S3109、放电电极对201、聚焦反射体301、水囊302和平台303。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

参见图1、图2和图3，基于重频液电脉冲微激波的痰液振动促排装置，包括高压脉冲发生模块1、微激波产生模块、微激波聚焦耦合模块。

所述高压脉冲发生模块1向微激波产生模块产生重频微纳秒高压脉冲，并发送至微激波产生模块。

所述高压脉冲发生模块1的电路结构如下：

高压直流电源101的两端分别记为A端和B端。脉冲传输线T1105芯线两端分别记为D端和E端。脉冲传输线T2107芯线两端分别记为F端和G端。

A端串联稳压电容102后连接B端。

A端依次串联充电电感103、MOSFET开关S1104的漏极。MOSFET开关S1104的栅极悬空。MOSFET开关S1104的源极连接B端。

A端串联充电电感103后连接脉冲传输线T1105的D端。

脉冲传输线T1105的地线与脉冲传输线T2107的地线共地。

脉冲传输线T1105的E端串联负载电阻106后连接脉冲传输线T2107的F端。

脉冲传输线T1105的E端连接脉冲传输线T2107的F端。

脉冲传输线T2107的G端串联MOSFET开关S2108的漏极。MOSFET开关S2108的栅极悬空。MOSFET开关S2108的源极连接B端。

脉冲传输线T2107的G端串联MOSFET开关S3109的漏极。MOSFET开关S3109的栅极悬空。MOSFET开关S3109的源极连接B端。

所述高压脉冲发生模块1产生重频微纳秒高压脉冲的过程如下：

1)MOSFET开关S1104闭合，或者MOSFET开关S2108和MOSFET开关S3109其中一个闭合时，高压直流电源101对充电电感103充电。两种开关闭合情况的充电等效电路不同。

2)MOSFET开关S1104、MOSFET开关S2108、MOSFET开关S3109均断开时，高压直流电源101、充电电感103、脉冲传输线T1105与脉冲传输线T2107的等效电容和负载电阻106形成阻尼振荡，进而提高脉冲传输线T1105和脉冲传输线T2107的端电压。

3)MOSFET开关S1104关断时，交替导通MOSFET开关S2108和MOSFET开关S3109，在负载电阻106上输出幅值相同、延迟时间可调的同极性重频微纳秒高压脉冲。

重频微纳秒高压脉冲的幅值可以达到几百伏甚至上千伏,频率可达1MHz及以上。

重频微纳秒高压脉冲的电压幅值和持续时间通过高压直流电源101输出电压、MOSFET开关S2108和MOSFET开关S3109占空比调节。

所述微激波产生模块将接收到的重频微纳秒高压脉冲转换为微激波，并发送至微激波聚焦耦合模块。

所述微激波产生模块包括放电电极对201和绝缘套。

所述放电电极对201插入微激波聚焦耦合模块中。

所述放电电极对201接收到重频微纳秒高压脉冲后，在微激波聚焦耦合模块内释能，形成微激波。

所述放电电极对201与微激波聚焦耦合模块相接触部分的外表面包裹绝缘套。

所述微激波聚焦耦合模块对接收到的微激波进行聚焦，令微激波聚焦于目标区域，实现痰液促排。

所述微激波聚焦耦合模块包括聚焦反射体301、水囊302和平台303。

所述聚焦反射体301嵌在平台303的开口内。

所述聚焦反射体301为具有内腔的箱体。

所述聚焦反射体301内表面为椭球面。

所述聚焦反射体301具有2个焦点，分别记为第一焦点F1和第二焦点F2。

所述聚焦反射体301的第一焦点F1供放电电极对201插入。

所述聚焦反射体301的第二焦点F2位于目标区域。

所述聚焦反射体301在水平方向可旋转。

所述聚焦反射体301内放置有装满水的水囊302。

所述水囊302的上顶面不超过聚焦反射体301上顶面。

所述水囊302的材质为聚氨酯材料。

所述平台303上顶面与聚焦反射体301上顶面平齐。

所述平台303供使用者平躺。

所述微激波聚焦耦合模块对接收到的微激波进行聚焦，令微激波聚焦于目标区域的过程为：微激波经过聚焦反射体301内凹面线性反射。若干反射射线在目标区域聚焦。

所述目标区域为使用者存在痰液的组织区域。

实施例2：

参见图1、图2和图4，基于重频液电脉冲微激波的痰液振动促排装置，包括高压脉冲发生模块1、微激波产生模块、微激波聚焦耦合模块。

所述高压脉冲发生模块1向微激波产生模块产生重频微纳秒高压脉冲，并发送至微激波产生模块。

所述高压脉冲发生模块1的电路结构如下：

高压直流电源101的两端分别记为A端和B端。脉冲传输线T1105芯线两端分别记为D端和E端。脉冲传输线T2107芯线两端分别记为F端和G端。

A端串联稳压电容102后连接B端。

A端依次串联充电电感103、MOSFET开关S1104后连接B端。

A端串联充电电感103后连接脉冲传输线T1105的D端。

脉冲传输线T1105的地线与脉冲传输线T2107的地线共地。

脉冲传输线T1105的E端串联负载电阻106后连接脉冲传输线T2107的F端。

脉冲传输线T1105的E端连接脉冲传输线T2107的F端。

脉冲传输线T2107的G端串联MOSFET开关S2108后连接B端。

脉冲传输线T2107的G端串联MOSFET开关S3109后连接B端。

所述高压脉冲发生模块1产生重频微纳秒高压脉冲的过程如下：

1)MOSFET开关S1104闭合，或者MOSFET开关S2108和MOSFET开关S3109其中一个闭合时，高压直流电源101对充电电感103充电。

2)MOSFET开关S1104、MOSFET开关S2108、MOSFET开关S3109均断开时，高压直流电源101、充电电感103、脉冲传输线T1105与脉冲传输线T2107的等效电容和负载电阻106形成阻尼振荡，进而提高脉冲传输线T1105和脉冲传输线T2107的端电压。

3)MOSFET开关S1104关断时，交替导通MOSFET开关S2108和MOSFET开关S3109，在负载电阻106上输出幅值相同、延迟时间可调的同极性重频微纳秒高压脉冲。

重频微纳秒高压脉冲的电压幅值和持续时间通过高压直流电源101输出电压、MOSFET开关S2108和MOSFET开关S3109占空比调节。

所述微激波产生模块将接收到的重频微纳秒高压脉冲转换为微激波，并发送至微激波聚焦耦合模块。

所述微激波产生模块包括放电电极对201和绝缘套。

所述放电电极对201插入微激波聚焦耦合模块中。

所述放电电极对201接收到重频微纳秒高压脉冲后，在微激波聚焦耦合模块内释能，形成微激波。

所述放电电极对201与微激波聚焦耦合模块相接触部分的外表面包裹绝缘套。

所述微激波聚焦耦合模块对接收到的微激波进行聚焦，并作用于目标区域。

所述微激波聚焦耦合模块包括聚焦反射体301、水囊302和平台303。

所述聚焦反射体301嵌在平台303的开口内。

所述聚焦反射体301为具有内腔的箱体。

所述聚焦反射体301内表面为抛物面。

所述聚焦反射体301具有1个焦点，记为第一焦点F1。

所述聚焦反射体301的第一焦点F1供放电电极对201插入。

所述聚焦反射体301在水平方向可旋转。

所述聚焦反射体301内放置有装满水的水囊302。

所述水囊302的上顶面不超过聚焦反射体301上顶面。

所述水囊302的材质为聚氨酯材料。

所述平台303上顶面与聚焦反射体301上顶面平齐。

所述平台303供使用者平躺。

所述微激波聚焦耦合模块对接收到的微激波进行聚焦，并作用于目标区域的过程为：微激波经过聚焦反射体301内凹面线性反射。若干反射射线在目标区域聚焦。

所述目标区域为使用者存在痰液的组织区域。

实施例3：

基于重频液电脉冲微激波的痰液振动促排装置，包括高压脉冲发生模块1、微激波产生模块、微激波聚焦耦合模块。

高压脉冲发生装置图参见图1。该装置包括高压直流电源、LC振荡升压充电电路、两段脉冲传输线T1和T2以及三个MOSFET开关组成的控制电路。LC振荡升压充电过程以下几步：首先，开关闭合时，通过传输线放电形成脉冲，高压直流电源对电感L充电；接着开关断开，高压直流电源与电感L、传输线等效电容C和负载电阻RL形成阻尼振荡，在极短时间内提高传输线的端电压，并在完成升压后，控制开关S2和S3交替工作、S1关断时，就能在负载上实现同极性脉冲输出，然后，通过改变两个开关S2和S3的导通时间，就能形成幅值相同、延迟时间可调的高压脉冲，达到脉冲的持续时间以及脉冲频率可控的目的。

微激波发生装置图参见图2。微激波发生装置即放电装置，包括两个钨棒电极以及与反射体接触的部分电极表面包裹的绝缘构件。结合高压脉冲发生模块，当有微纳秒重频脉冲加到钨铜电极上时，由于电极两端承受高电压、大电流的作用，将在水中释放巨大的能量，并形成微激波。通过调节高压脉冲波形参数，可调节微激波的参数。

微激波聚焦耦合装置参见图3或图4。该装置包括用铝合金材料做成的椭球面反射体或抛物面反射体、水介质以及用高级聚氨酯材料做成的水囊。将电极装置设置在反射体的第一焦点F1，人体置于第二焦点F2水平面上。

在使用基于重频液电脉冲微激波的痰液振动促排装置时，首先判断使用者的耐受性和痰液面积，通过调节直流电源电压幅值以及开关占空比时间，可调节产生的脉冲电压幅值和持续时间，针对耐受性较好以及痰液面积较轻的使用者，可适当提高高压脉冲幅值和脉冲持续时间，反之，则降低。

其次，定位得到痰液区域位置，并判断区域大小，选择椭球面或抛物面反射体，它们可分别聚焦到区域点或面，针对目标痰液区域较集中的情况，选择椭球面反射体，反之，则选择抛物面反射体，选择完聚焦装置后，将使用者置于手术台面的目标作用区域，手术台的高度与椭球面反射体焦点F2处于同一水平面，当微激波经椭球面反射时，发生线性反射，反射射线回到第二焦点F2附近，当有多条反射射线时，微激波可在痰液区域的焦点F2聚焦，且反射体能作以焦点F2为球心的球面运动。因此在装置工作过程中，不用改变使用者的体位，选择微激波进入人体时不被骨骼组织衰减的最佳窗口；当微激波经抛物面反射时，反射光线平行于抛物面的对称轴，多条反射光线使得微激波可在痰液区域的面聚焦，且反射体能作以抛物面对称轴为轴线的圆周运动。因此在装置工作过程中，不用改变使用者的体位，就能选择微激波进入人体时不被骨骼组织衰减的最佳窗口；

然后，接通电源，高压脉冲发生装置启动，在水中放电，形成微激波，产生的微激波通过水介质和水囊将微激波与人体耦合，由于水和人体组织具有相似的声学特性，微激波经水导入人体，不会对人体造成损伤，并通过反射体反射被聚焦到指定区域；

最后，断开电源，放电结束，若定位的痰液顺利排出，则移开人体，否则，继续使用基于重频液电脉冲微激波的痰液振动促排装置，在满足使用者耐受性的前提下加大直流电源电压幅值以及增加开关占空比时间，直至痰液顺利排出。

Claims (3)

1.基于重频液电脉冲微激波的痰液振动促排装置，其特征在于：包括高压脉冲发生模块（1）、微激波产生模块、微激波聚焦耦合模块；

所述高压脉冲发生模块（1）向微激波产生模块产生重频微纳秒高压脉冲，并发送至微激波产生模块；

所述高压脉冲发生模块（1）的电路结构如下：

高压直流电源（101）的两端分别记为A端和B端；脉冲传输线T1（105）芯线两端分别记为D端和E端；脉冲传输线T2（107）芯线两端分别记为F端和G端；

A端串联稳压电容（102）后连接B端；

A端依次串联充电电感（103）、MOSFET开关S1（104）的漏极；MOSFET开关S1（104）的栅极悬空；MOSFET开关S1（104）的源极连接B端；

A端串联充电电感（103）后连接脉冲传输线T1（105）的D端；

脉冲传输线T1（105）的地线与脉冲传输线T2（107）的地线共地；

脉冲传输线T1（105）的E端串联负载电阻（106）后连接脉冲传输线T2（107）的F端；

脉冲传输线T1（105）的E端连接脉冲传输线T2（107）的F端；

脉冲传输线T2（107）的G端串联MOSFET开关S2（108）的漏极；MOSFET开关S2（108）的栅极悬空；MOSFET开关S2（108）的源极连接B端；

脉冲传输线T2（107）的G端串联MOSFET开关S3（109）的漏极；MOSFET开关S3（109）的栅极悬空；MOSFET开关S3（109）的源极连接B端；

所述微激波产生模块将接收到的重频微纳秒高压脉冲转换为微激波，并发送至微激波聚焦耦合模块；

所述微激波聚焦耦合模块对接收到的微激波进行聚焦，令微激波聚焦于目标区域，实现痰液促排；

所述目标区域为使用者存在痰液的组织区域；

所述高压脉冲发生模块（1）产生重频微纳秒高压脉冲的过程如下：

1）MOSFET开关S1（104）闭合，或者MOSFET开关S2（108）和MOSFET开关S3（109）其中一个闭合时，高压直流电源（101）对充电电感（103）充电；

2）MOSFET开关S1（104）、MOSFET开关S2（108）和MOSFET开关S3（109）均断开时，高压直流电源（101）、充电电感（103）、脉冲传输线T1（105）与脉冲传输线T2（107）的等效电容和负载电阻（106）形成阻尼振荡，进而提高脉冲传输线T1（105）和脉冲传输线T2（107）的端电压；

3）MOSFET开关S1关断时,交替导通MOSFET开关S2（108）和MOSFET开关S3（109），在负载电阻（106）上输出幅值相同、延迟时间可调的同极性重频微纳秒高压脉冲；

重频微纳秒高压脉冲的电压幅值和持续时间通过高压直流电源（101）输出电压、MOSFET开关S2（108）和MOSFET开关S3（109）占空比调节；

所述微激波产生模块包括放电电极对（201）和绝缘套；

所述放电电极对（201）插入微激波聚焦耦合模块中；

所述放电电极对（201）接收到重频微纳秒高压脉冲后，在微激波聚焦耦合模块内释能，形成微激波；

所述放电电极对（201）与微激波聚焦耦合模块相接触部分的外表面包裹绝缘套；

所述微激波聚焦耦合模块对接收到的微激波进行聚焦，令微激波聚焦于目标区域的过程为：微激波经过聚焦反射体（301）内凹面线性反射；若干反射射线在目标区域聚焦；

所述微激波聚焦耦合模块包括聚焦反射体（301）、水囊（302）和平台（303）；

所述聚焦反射体（301）嵌在平台（303）的开口内；

所述聚焦反射体（301）为具有内腔的箱体；

所述聚焦反射体（301）内表面为椭球面；

所述聚焦反射体（301）具有2个焦点，分别记为第一焦点 F1和第二焦点 F2；

所述聚焦反射体（301）的第一焦点 F1供放电电极对（201）插入；

所述聚焦反射体（301）的第二焦点 F2位于目标区域；

所述聚焦反射体（301）在水平方向可旋转；

所述聚焦反射体（301）内放置有装满水的水囊（302）；

所述水囊（302）的上顶面不超过聚焦反射体（301）上顶面；

所述平台（303）上顶面与聚焦反射体（301）上顶面平齐；

所述平台（303）供使用者平躺。

2.根据权利要求1所述的基于重频液电脉冲微激波的痰液振动促排装置，其特征在于：所述微激波聚焦耦合模块包括聚焦反射体（301）、水囊（302）和平台（303）；

所述聚焦反射体（301）嵌在平台（303）的开口内；

所述聚焦反射体（301）为具有内腔的箱体；

所述聚焦反射体（301）内表面为抛物面；

所述聚焦反射体（301）具有1个焦点，记为第一焦点 F1；

所述聚焦反射体（301）的第一焦点 F1供放电电极对（201）插入；

所述聚焦反射体（301）在水平方向可旋转；

所述聚焦反射体（301）内放置有装满水的水囊（302）；

所述水囊（302）的上顶面不超过聚焦反射体（301）上顶面；

所述平台（303）上顶面与聚焦反射体（301）上顶面平齐；

所述平台（303）供使用者平躺。

3.根据权利要求1或2所述的基于重频液电脉冲微激波的痰液振动促排装置，其特征在于：所述水囊（302）的材质为聚氨酯材料。