CN113346876B - 一种脉冲发生装置及脉冲控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及脉冲技术领域，公开了一种脉冲发生装置及脉冲控制方法，用以解决高压脉冲治疗时较宽的脉冲宽度难于实现或者射频调制难以实现的问题，从而提升高压脉冲治疗的有效性。包括直流电源、储能器的充电电容、脉冲发生器、脉冲合成器以及多路分配器；其中，脉冲发生器为高频脉冲发生器，用于在脉冲输出期间，产生高频窄脉冲；脉冲合成器能够将双极性高频窄脉冲整流之后，进一步积分滤波，合成为单极性的所需任意时间宽度的脉冲，也能够仅将双极性高频窄脉冲整流输出为射频调制信号；多路分配器用于将合成后的脉冲分配至相应的治疗电极，并控制其极性。本发明可用于脉冲消融设备，能够实现具有射频调制的任意宽度和任意幅度的脉冲输出。

Description

一种脉冲发生装置及脉冲控制方法

技术领域

本发明涉及脉冲技术领域，特别涉及一种脉冲发生装置及脉冲控制方法。

背景技术

现有治疗快速心律失常、组织消融或肿瘤治疗时，往往采用射频、微波以及冷冻等热消融技术。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。并且射频技术由于采用特定的频率的正弦波信号，虽然输出较高的能量，但是由于其频率固定，使得与之相连的系统可以通过带阻滤波的方式去除射频信号对于其他信号的干扰。

但是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，从而影响治疗效果，另外，属于热消融技术的射频消融技术，由于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，高压脉冲技术作为一项非热消融技术日渐得到了临床应用的关注。高压脉冲技术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。

以治疗快速心律失常为例，在治疗快速心律失常的应用中，采用高压脉冲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，因此高压脉冲射频技术有望成为理想的心脏消融手段。然而现有高压脉冲技术产生所需电场的高压脉冲，采用稳压电源供电，给电容充电，然后控制开关放电产生脉冲，由于电源功率有限以及电容容量有限，对于较大负载放电，脉冲尾部幅度下降就很大，而且对于较宽的脉冲宽度也难于实现，还有临床也需要多路输出、以及高频调制的功能，现有高压脉冲技术也难于实现。

高压脉冲技术应用于神经刺激、组织消融、肿瘤治疗时，也同样存在以上问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提出一种脉冲发生装置及脉冲控制方法，用以解决高压脉冲治疗时较宽的脉冲宽度难于实现或者射频调制难以实现的问题，从而提升高压脉冲治疗的有效性。

为解决上述问题，本发明一方面提供了一种脉冲发生装置，包括直流电源、储能器的充电电容、脉冲发生器、脉冲合成器以及多路分配器；其中，

所述脉冲发生器为高频脉冲发生器，用于在脉冲输出期间，产生高频窄脉冲；

所述脉冲合成器用于将高频窄脉冲合成为单极性的脉冲；

所述多路分配器用于将合成后的脉冲分配至相应的治疗电极，并控制其极性。

进一步的，所述高频窄脉冲为双极性高频窄脉冲，为了在脉冲消融时实现射频调制功能或者输出任意时间宽度的宽脉冲，所述脉冲合成器能够将双极性高频窄脉冲整流之后，进一步积分滤波，合成为单极性的所需任意时间宽度的脉冲，也能够仅将双极性高频窄脉冲整流输出为射频调制信号。

进一步的，为了解决电源功率有限以及电容容量有限的问题，所述直流电源可以为高瞬时功率直流电源，所述储能器可包含充电电容和快速泄放电路；在非脉冲输出期间直流电源以小功率给充电电容供电，在脉冲输出期间直流电源以高瞬时功率给充电电容供电，并通过快速泄放电路泄放过量的电容电量，从而产生脉冲所需的任意电压幅度。

进一步的，多路分配器内部可由半桥连接至输入脉冲信号，通过半桥将脉冲信号分配至相应的治疗电极上，并控制其极性。相比于现有继电器形式的多路分配器，本发明半桥形式的多路分配器，结构更简单，响应速度更快。

本发明的脉冲发生装置可应用于消融治疗，例如快速心律失常治疗、组织消融、肿瘤治疗等，同时也可以应用于非消融治疗，例如神经刺激、除颤。根据实施例，当应用于消融治疗时，所述治疗电极为消融电极，所述双极性高频窄脉冲的频率范围通常为10KHz-1MHz，优选50KHz-100KHz

进一步的，本发明中高频窄脉冲的频率范围通常为10KHz-1MHz，优选50KHz-100KHz。

基于以上的脉冲发生装置，本发明一方面还提供了一种脉冲控制方法，在脉冲输出期间，首先产生双极性高频窄脉冲；然后根据是否需要进行射频调制进行相应的脉冲合成处理，包括：当无需射频调制时，将双极性高频窄脉冲整流及积分滤波，合成为单极性的所需的宽脉冲；当需要射频调制时，仅将双极性高频窄脉冲整流，从而得到单极性的射频调制脉冲；最后将脉冲合成处理后的脉冲分配至相应的治疗电极，并控制其极性。

进一步的，为了解决电源功率有限以及电容容量有限的问题，在非脉冲输出期间以小功率给储能器的充电电容供电，在脉冲输出期间以高瞬时功率给储能器的充电电容供电，并通过储能器的快速泄放电路泄放过量的电容电量，从而产生脉冲所需的电压幅度。

本发明的脉冲控制方法可应用于消融治疗，例如快速心律失常治疗、组织消融、肿瘤治疗等，同时也可以应用于非消融治疗，例如神经刺激、除颤。根据实施例，当应用于消融治疗时，所述治疗电极为消融电极，上述双极性高频窄脉冲的频率范围通常为10KHz-1MHz，优选50KHz-100KHz。

进一步的，以上脉冲控制方法的具体流程步骤可包括：

步骤1，设备开机，首先进行初始化，自检通过后，进入步骤2；

步骤2：接收设置的脉冲参数，对储能器的充电电容充电，等待产生脉冲命令，收到脉冲输出命令后进入步骤3；

步骤3：启动脉冲宽度定时，控制多路分配，再进入步骤4；

步骤4：启动高频脉冲输出，产生高频窄脉冲，并进行相应的脉冲合成处理，同时启动直流电源以高瞬时功率输出，对储能器的充电电容充电，进入步骤5；

步骤5：根据储能器的充电电容电压，调整直流电源输出，进入步骤6；

步骤6：判断脉冲宽度定时是否结束，如果未结束，返回步骤5，如果定时结束，进入步骤7；

步骤7：关闭高频脉冲输出，并启动脉冲间隔定时，进入步骤8；

步骤8：根据储能器的充电电容电压，调整直流电源输出，进入步骤9；

步骤9：判断脉冲间隔定时是否结束，如果未结束，返回步骤8，如果定时结束，进入步骤10；

步骤10：判断本群输出脉冲是否输出完成，如果未完成，返回步骤3，如果完成，进入步骤11；

步骤11：判断整个输出脉冲是否输出完成，如果未完成，返回步骤3，如果完成，返回步骤2，等待新的命令。

本发明的有益效果是：本发明首先利用高频脉冲发生器产生高频窄脉冲，再通过对高频窄脉冲进行相应的合成处理即可实现射频调制功能以及输出任意时间宽度的宽脉冲，很好的满足了脉冲消融时对于射频调制和更宽脉冲的需求，进而改善消融有效性。且由于脉冲发生器输出的是比现有脉冲发生器输出脉冲更高频率的双极性高频脉冲，这样就可以采用小磁通的变压器，系统体积大大缩小，利于小型化推广。另外，本发明在非脉冲输出期间以小功率给储能器的充电电容供电，在脉冲输出期间以高瞬时功率给储能器的充电电容供电，并通过储能器的快速泄放电路泄放过量的电容电量，从而产生脉冲所需的电压幅度，也解决了电源功率有限以及电容容量有限的问题。

附图说明

图1：现有脉冲发生装置系统框图；

图2：本发明一个实施例脉冲发生装置系统框图；

图3：本发明一个实施例脉冲发生装置输出的脉冲；

图4：本发明一个实施例脉冲发生装置输出的有高频调制的脉冲；

图5：本发明一个实施例高瞬时功率直流电源；

图6：本发明一个实施例高瞬时功率直流电源非脉冲输出期间控制脉冲；

图7：本发明一个实施例高瞬时功率直流电源脉冲输出期间控制脉冲；

图8：本发明一个实施例高频脉冲发生器；

图9：本发明一个实施例高频脉冲发生器控制脉冲；

图10：本发明一个实施例高频脉冲发生器有高频调制的控制脉冲；

图11：本发明一个实施例脉冲合成器；

图12：本发明一个实施例脉冲合成器波形图；

图13：本发明一个实施例脉冲合成器有高频调制的波形图；

图14：本发明一个实施例脉冲多路分配器；

图15：本发明一个实施例脉冲多路分配器波形图；

图16：本发明一个实施例脉冲发生装置控制方法流程图。

具体实施方式

为了克服现有高压脉冲技术的不足，更安全、更有效、更便捷使用脉冲电场消融组织，本发明公开了一种脉冲发生装置及脉冲控制方法，在脉冲输出期间，首先产生双极性高频窄脉冲；然后根据是否需要进行射频调制进行相应的脉冲合成处理，包括：当无需射频调制时，将双极性高频窄脉冲整流及积分滤波，合成为单极性的所需的宽脉冲；当需要射频调制时，将双极性高频窄脉冲整流，从而得到单极性的射频调制脉冲；最后将脉冲合成处理后的脉冲分配至相应的治疗电极，并控制其极性，从而实现任意脉冲宽度的脉冲输出以及射频调制功能。

下面结合附图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。

图1是一种现有脉冲发生装置系统框图，外接220V交流电输入，经过直流电源输出一个直流给储能器的充电电容充电，直流电压大小由控制器控制，与输出脉冲电压成比例关系；脉冲发生器接收控制器控制，产生所需脉冲；再经过多路分配器输送至脉冲消融导管的消融电极上。在这里，脉冲发生器直接一次产生脉冲定时参数，通过变压器按比例幅度输出脉冲。

图2是本发明的一个实施例脉冲发生装置系统框图，该脉冲发生装置包括了控制器、高瞬时功率直流电源、储能器、高频脉冲发生器、脉冲合成器以及多路分配器，高瞬时功率直流电源外接220V交流电输入，经过高瞬时功率直流电源输出一个直流给储能器电容充电，直流电压电流大小由控制器控制，与输出脉冲电压成比例关系，在未输出脉冲期间，用低功率给储能器的充电电容充电，而在脉冲输出期间，用最大的瞬时功率给储能器的充电电容充电；储能器电容电压如果超过脉冲输出电压幅度，则储能器快速泄放电路将给电容快速放电至所需的电压幅度；高频脉冲发生器接收控制器控制，产生特定的高频脉冲，经变压器输出至脉冲合成器；脉冲合成器在无射频调制时，把高频脉冲整流、积分滤波获取包络电平，得到单一的单极性任意宽度的脉冲，而在射频调制时，脉冲合成器仅把高频脉冲整流原脉冲波形，得到一个射频调制脉冲；最后经过多路分配器控制脉冲极性，并将脉冲输送至消融导管的消融电极上，并控制脉冲极性。图3是本发明一个实施例脉冲发生装置输出的脉冲，此脉冲是无射频(RF)调制、双极性脉冲，脉冲的幅度、宽度、间隔以及极性通过控制器控制，脉冲幅度在100V至2000V之间，优选200V-800V；脉冲宽度和间隔范围20us至500us，优选80us至150us。图4是本发明一个实施例脉冲发生装置输出的有射频(RF)调制的脉冲，脉冲内射频脉冲个数由设置的脉冲宽度和射频脉冲宽度决定，脉冲幅度、宽度、周期以及极性通过控制器控制。

图5是本发明一个实施例高瞬时功率直流电源，此电源结构与普通开关电源类似，但控制方式很大不同；在未输出脉冲期间，直流电源以低的标称输出功率输出，给储能器的充电电容充电的时间在秒级别，而在系统输出脉冲期间，直流电源以高的输出功率输出，给储能器的充电电容充电的时间在微秒至毫秒级别；这种设计是为了在整个系统输出脉冲期间，能够保持脉冲的幅度不变；由于系统是短时工作、输出脉冲，因此直流电源也是受设备控制器控制，短时工作在高功率下，这样对于电源的器件、散热等要求可以比完全高功率电源的要求低。图6是本发明一个实施例高瞬时功率直流电源非脉冲输出期间控制脉冲，此时，脉冲的占空比小，电源以低的标称输出功率输出。图7是本发明一个实施例高瞬时功率直流电源脉冲输出期间控制脉冲，此时，脉冲的占空比大，电源以高输出功率输出。高瞬时功率直流电源和储能器的快速泄放电路实现任意电压幅度的脉冲输出。

图8是本发明一个实施例高频脉冲发生器，接收控制器指令，控制全桥开关，产生特定的高频脉冲，经变压器输出至脉冲合成器。由于输出的是比现有脉冲发生器输出脉冲更高频率的双极性高频脉冲，这样就可以采用小磁通的变压器，体积大大缩小，并且，经过后续的脉冲合成可实现任意时间宽度的脉冲。图9是本发明一个实施例高频脉冲发生器无射频调制的控制脉冲，图10是本发明一个实施例高频脉冲发生器有射频调制的控制脉冲，对于有无射频调制，对应图9、图10不同的高频脉冲，在无射频调制时，高频脉冲的占空比接近100％，而在有射频调制时，高频脉冲的占空比为50％，这样的输出使得后续的脉冲能合成出所需的脉冲。

图11是本发明一个实施例脉冲合成器，由一个整流桥、一个开关控制连接的滤波电容组成。前级高频脉冲发生器输出的脉冲经变压器后为双极性的脉冲，经过整流桥输出单极性的脉冲；在无射频调制时，接通滤波电容，此时脉冲占空比接近100％，经电容滤波，保持电平基本不变输出；在有射频调制时，断开滤波电容，此时脉冲占空比为50％，没有电容滤波，整流后脉冲为单极性的高频脉冲，输出所需的射频调制的脉冲。图12是本发明一个实施例脉冲合成器无高频调制的波形图。图13是本发明一个实施例脉冲合成器有高频调制的波形图。图14是本发明一个实施例脉冲多路分配器，对应于每个电极，由一个半桥连接至输入脉冲信号，可以把脉冲分配输出至4个电极的任意两个电极上，其中一个为正极性，另一个为负极性，当对每个脉冲动态调整输出极性时，可以输出任意极性的脉冲。图15是本发明一个实施例脉冲多路分配器波形图，通过控制每个电极的半桥的栅极信号，在电极1、2上输出双极性脉冲。

基于以上实施例所示的脉冲发生装置，实施例给出了一种脉冲控制方法，如图16所示，其具体流程步骤包括：

步骤1，设备开机，首先进行初始化，自检通过后，进入步骤2；

步骤2：接收设置的脉冲参数，包括脉冲的宽度、间隔、幅度、极性、周期、个数、群个数以及是否射频调制等，对储能器的充电电容充电，等待产生脉冲命令，收到脉冲输出命令后进入步骤3；

步骤3：根据设置的脉冲宽度参数启动脉冲宽度定时，控制多路分配，再进入步骤4；

步骤4：启动高频脉冲输出，根据设置的脉冲幅度、高频频率产生相应的高频窄脉冲，并进行相应的脉冲合成处理，同时启动直流电源以高瞬时功率输出，对储能器的充电电容充电，进入步骤5；

步骤5：根据储能器的充电电容电压，调整直流电源输出，进入步骤6；

步骤6：判断脉冲宽度定时是否结束，如果未结束，返回步骤5，如果定时结束，进入步骤7；

步骤7：关闭高频脉冲输出，并启动脉冲间隔定时，进入步骤8；

步骤8：根据储能器的充电电容电压，调整直流电源输出，进入步骤9；

步骤9：判断脉冲间隔定时是否结束，如果未结束，返回步骤8，如果定时结束，进入步骤10；

步骤10：判断本群输出脉冲是否输出完成，如果未完成，返回步骤3，如果完成，进入步骤11；

步骤11：判断整个输出脉冲是否输出完成，如果未完成，返回步骤3，如果完成，返回步骤2，等待新的命令。

以上实施例仅仅是本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，对实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种脉冲发生装置，包括直流电源、储能器、脉冲发生器和多路分配器，其特征在于，还包括脉冲合成器；

所述脉冲发生器为高频脉冲发生器，用于在脉冲输出期间，产生高频窄脉冲；

所述脉冲合成器用于将高频窄脉冲合成为单极性的脉冲；

所述多路分配器用于将合成后的脉冲分配至相应的治疗电极，并控制其极性；

所述直流电源为高瞬时功率直流电源，所述储能器包含充电电容和快速泄放电路；在非脉冲输出期间直流电源以小功率给充电电容供电，在脉冲输出期间直流电源以高瞬时功率给充电电容供电，并通过快速泄放电路泄放过量的电容电量，从而产生脉冲所需的电压幅度。

2.如权利要求1所述的一种脉冲发生装置，其特征在于，所述高频窄脉冲为双极性高频窄脉冲，所述脉冲合成器将双极性高频窄脉冲整流，从而得到单极性的射频调制脉冲。

3.如权利要求1所述的一种脉冲发生装置，其特征在于，所述高频窄脉冲为双极性高频窄脉冲，所述脉冲合成器将双极性高频窄脉冲整流之后，进一步积分滤波，从而得到单极性的所需的宽脉冲。

4.如权利要求1所述的一种脉冲发生装置，其特征在于，多路分配器内部由半桥连接至输入脉冲信号，通过半桥将脉冲信号分配至相应的治疗电极上，并控制其极性。

5.如权利要求1所述的一种脉冲发生装置，其特征在于，所述治疗电极为消融电极。

6.一种脉冲控制方法，应用于如权利要求1-5任意一项所述的脉冲发生装置，其特征在于，在脉冲输出期间，首先产生双极性高频窄脉冲；然后根据是否需要进行射频调制进行相应的脉冲合成处理，包括：当无需射频调制时，将双极性高频窄脉冲整流及积分滤波，合成为单极性的所需的宽脉冲；当需要射频调制时，仅将双极性高频窄脉冲整流，从而得到单极性的射频调制脉冲；最后将脉冲合成处理后的脉冲分配至相应的治疗电极，并控制其极性。

7.如权利要求6所述的一种脉冲控制方法，其特征在于，所述治疗电极为消融电极，所述双极性高频窄脉冲的频率范围为10KHz-1MHz。

8.如权利要求6所述的一种脉冲控制方法，其特征在于，在非脉冲输出期间以小功率给储能器的充电电容供电，在脉冲输出期间以高瞬时功率给储能器的充电电容供电，并通过储能器的快速泄放电路泄放过量的电容电量，从而产生脉冲所需的电压幅度。

9.如权利要求6所述的一种脉冲控制方法，其特征在于，其具体流程步骤包括：

步骤1，设备开机，首先进行初始化，自检通过后，进入步骤2；

步骤2：接收设置的脉冲参数，对储能器的充电电容充电，等待产生脉冲命令，收到脉冲输出命令后进入步骤3；

步骤3：启动脉冲宽度定时，控制多路分配，再进入步骤4；

步骤4：启动高频脉冲输出，产生高频窄脉冲，并进行相应的脉冲合成处理，同时启动直流电源以高瞬时功率输出，对储能器的充电电容充电，进入步骤5；

步骤5：根据储能器的充电电容电压，调整直流电源输出，进入步骤6；

步骤6：判断脉冲宽度定时是否结束，如果未结束，返回步骤5，如果定时结束，进入步骤7；

步骤7：关闭高频脉冲输出，并启动脉冲间隔定时，进入步骤8；

步骤8：根据储能器的充电电容电压，调整直流电源输出，进入步骤9；

步骤9：判断脉冲间隔定时是否结束，如果未结束，返回步骤8，如果定时结束，进入步骤10；

步骤10：判断本群输出脉冲是否输出完成，如果未完成，返回步骤3，如果完成，进入步骤11；

步骤11：判断整个输出脉冲是否输出完成，如果未完成，返回步骤3，如果完成，返回步骤2，等待新的命令。

Images