CN114652422A - 协同脉冲的产生装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开协同脉冲的产生装置和方法，装置包括控制检测模块、高压窄脉冲发生模块、低压宽脉冲发生模块、协调脉冲形成模块；方法步骤为：1)所述控制检测模块向高压窄脉冲发生模块和低压宽脉冲发生模块发送开关驱动信号，控制开关管和二极管的通断，从而使高压窄脉冲发生模块和低压宽脉冲发生模块分别向协调脉冲形成模块输出纳秒级高压脉冲和微秒级低压脉冲；2)所述协调脉冲形成模块根据纳秒级高压脉冲和微秒级低压脉冲形成协同脉冲，并作用于目标。本发明提出了协同脉冲的产生装置和方法，可以有效提高电场对大尺寸肿瘤的消融能力。

Description

协同脉冲的产生装置和方法
技术领域
本发明涉及脉冲领域，具体是协同脉冲的产生装置和方法。
背景技术
脉冲功率技术是当代高新科技的一个重要研究领域，经过近半个世纪以来的发展，其应用领域不断扩大，应用目的也不断向民用科技领域拓展。如今，脉冲功率技术已在诸如生物医电、环境保护、辐射刻蚀、材料工业、食品保鲜等高新技术产业发挥着日益重要的作用，并为生物医学等民用科技领域的发展不断注入新的活力。
长期以来，国内外专家们在生物医电方面进行了大量实验结合理论研究，发现通过施加一定脉宽的脉冲电场，能够对生物体细胞产生诱导基因转染以及不可逆电穿孔等效应，进而对其对结构和功能造成影响。这使得脉冲功率技术能够应用于肿瘤治疗等领域，同时该技术用作肿瘤治疗时，以其可控、非热肿瘤消融、适用性强等特点，在临床中取得了较好效果。然而脉冲功率技术在临床肿瘤治疗中仍存在难点问题亟需解决。传统脉冲治疗大尺寸肿瘤时，由于传统脉冲作用区域有限，不能对治疗目标组织完全覆盖，因而产生的消融区域不足，从而导致肿瘤消融不彻底，这一问题阻碍着脉冲功率技术在生物医学领域的进一步发展。
发明内容
本发明的目的是提供协同脉冲的产生装置，包括控制检测模块、若干级高压窄脉冲发生模块、若干级低压宽脉冲发生模块、协调脉冲形成模块；
所述控制检测模块控制高压窄脉冲发生模块和低压宽脉冲发生模块输出脉冲，并调节输出脉冲的参数；
所述高压窄脉冲发生模块用于向协调脉冲形成模块输出纳秒级高压脉冲；
所述低压宽脉冲发生模块用于向协调脉冲形成模块输出微秒级低压脉冲；
所述协调脉冲形成模块根据纳秒级高压脉冲和微秒级低压脉冲形成协同脉冲，并作用于目标；
协同脉冲的产生装置的电路拓扑如下所示：
记高压电源VH正极所在一端为A，负极所在一端为B；记低压电源VL正极所在一端为E，负极所在一端为F；
A端依次串联电阻Rs、电感DH1、电容CH1、电容CL1后连接B端；
A端依次串联电阻Rs、电感DH1后连接开关管SH1的漏极；开关管SH1的栅极悬空；开关管SH1的源极连接二极管DL1的阴极；
记电感DHi的一端为Gi，另一端为Hi；i＝2,3，…，n；n为正整数；
电感DHi的Gi端连接电感DH(i-1)的H(i-1)端，Hi端连接电感DH(i+1)的G(i+1)端；
电感DHi的Gi端连接开关管SH1的漏极；
电感DHi的Hi端依次串联电容CHi、电容CLi后连接二极管DL(i-1)的阴极；
电感DHi的Hi端串联开关管SHi的漏极；开关管SHi的栅极悬空；开关管SHi的源极串联二极管DLi的阴极；二极管DLi的阳极串联二极管DL(i-1)的阴极；
E端依次串联电阻Rd、电容CL1后连接F端；
E端串联电阻Rd后连接开关管SL1的漏极；开关管SL1的栅极悬空；开关管SL1的源极连接二极管DL1的阴极；二极管DL1的阳极连接F端；
E端串联电阻Rd后连接二极管D1的阳极；二极管D1的阴极串联二极管D2的阳极；
二极管Di的阳极连接二极管Di-1的阴极；二极管Di的阳极串联电阻CLi后连接二极管DLi的阳极；
二极管Di的阳极串联开关管SLi的漏极；开关管SLi的栅极悬空；开关管SLi的源极串联二极管DLi的阴极；
二极管DLn的阴极串联负载电阻Rx后连接F端；二极管DLn的阴极串联负载电阻Rx后连接B端。
进一步，还包括输出采样模块；
所述输出采样模块用于采集协调脉冲形成模块输出的协同脉冲参数，并传输至控制检测模块；
所述控制检测模块根据协同脉冲参数调节高压窄脉冲发生模块和低压宽脉冲发生模块输出脉冲的参数。
进一步，脉冲参数包括电压幅值和脉宽；纳秒级高压脉冲的电压幅值范围为0-20kV，脉宽范围为100ns～1000ns。
进一步，所述微秒级低压脉冲的电压幅值范围为0-5kV，脉宽范围20us～100us。
进一步，低压宽脉冲发生模块充电时，二极管D1、二极管D2、…、二极管Dn、二极管DL1、二极管DL2、…、二极管DLn导通，低压电源VL对电容CL1、…、电容CLn进行并联充电.
进一步，低压宽脉冲发生模块放电时，开关管SL1、…、开关管SLn导通，电容CL1、…、电容CLn对负载电阻Rx放电，输出正极性脉冲。
进一步，高压窄脉冲发生模块充电时，二极管D1、二极管D2、…、二极管Dn、二极管DL1、二极管DL2、…、二极管DLn导通，高压电源VH对电容CL1、…、电容CLn、电容CH1、…、电容CHn进行并联充电。
进一步，高压窄脉冲发生模块放电时，开关管SL1、…、开关管SLn导通，电容CL1、…、电容CLn、电容CH1、…、电容CHn对负载电阻Rx放电，输出正极性脉冲。
进一步，所述高压电源VH由升压变压器将市电升压后得到。
基于所述协同脉冲的产生装置的方法，包括以下步骤：
1)所述控制检测模块向高压窄脉冲发生模块和低压宽脉冲发生模块发送开关驱动信号，控制开关管和二极管的通断，从而使高压窄脉冲发生模块和低压宽脉冲发生模块分别向协调脉冲形成模块输出纳秒级高压脉冲和微秒级低压脉冲；
2)所述协调脉冲形成模块根据纳秒级高压脉冲和微秒级低压脉冲形成协同脉冲，并作用于目标。
本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明提出了协同脉冲的产生装置和方法，可以有效提高电场对大尺寸肿瘤的消融能力。可以进行纳秒级和微秒级的协同脉冲输出。本发明可以产生电压可调、脉宽可调、间隔时间可调的脉冲源，从而有效提高电场对大尺寸肿瘤的消融能力。
附图说明
图1为本发明各个模块组成；
图2为主电路拓扑结构；
图3为低压宽脉冲充电模式；
图4为低压宽脉冲放电模式；
图5为低压宽脉冲放电波形；
图6为高压窄脉冲充电模式；
图7为高压窄脉冲放电模式；
图8为高压窄脉冲放电波形。
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至图8，协同脉冲的产生装置，包括控制检测模块、若干级高压窄脉冲发生模块、若干级低压宽脉冲发生模块、协调脉冲形成模块；
所述控制检测模块控制高压窄脉冲发生模块和低压宽脉冲发生模块输出脉冲，并调节输出脉冲的参数；
所述高压窄脉冲发生模块用于向协调脉冲形成模块输出纳秒级高压脉冲；
所述低压宽脉冲发生模块用于向协调脉冲形成模块输出微秒级低压脉冲；
所述协调脉冲形成模块根据纳秒级高压脉冲和微秒级低压脉冲形成协同脉冲，并作用于目标；
协同脉冲的产生装置的电路拓扑如下所示：
记高压电源VH正极所在一端为A，负极所在一端为B；记低压电源VL正极所在一端为E，负极所在一端为F；
A端依次串联电阻Rs、电感DH1、电容CH1、电容CL1后连接B端；
A端依次串联电阻Rs、电感DH1后连接开关管SH1的漏极；开关管SH1的栅极悬空；开关管SH1的源极连接二极管DL1的阴极；
记电感DHi的一端为Gi，另一端为Hi；i＝2,3，…，n；n为正整数；
电感DHi的Gi端连接电感DH(i-1)的H(i-1)端，Hi端连接电感DH(i+1)的G(i+1)端；
电感DHi的Gi端连接开关管SH1的漏极；
电感DHi的Hi端依次串联电容CHi、电容CLi后连接二极管DL(i-1)的阴极；
电感DHi的Hi端串联开关管SHi的漏极；开关管SHi的栅极悬空；开关管SHi的源极串联二极管DLi的阴极；二极管DLi的阳极串联二极管DL(i-1)的阴极；
E端依次串联电阻Rd、电容CL1后连接F端；
E端串联电阻Rd后连接开关管SL1的漏极；开关管SL1的栅极悬空；开关管SL1的源极连接二极管DL1的阴极；二极管DL1的阳极连接F端；
E端串联电阻Rd后连接二极管D1的阳极；二极管D1的阴极串联二极管D2的阳极；
二极管Di的阳极连接二极管Di-1的阴极；二极管Di的阳极串联电阻CLi后连接二极管DLi的阳极；
二极管Di的阳极串联开关管SLi的漏极；开关管SLi的栅极悬空；开关管SLi的源极串联二极管DLi的阴极；
二极管DLn的阴极串联负载电阻Rx后连接F端；二极管DLn的阴极串联负载电阻Rx后连接B端。
还包括输出采样模块；
所述输出采样模块用于采集协调脉冲形成模块输出的协同脉冲参数，并传输至控制检测模块；
所述控制检测模块根据协同脉冲参数调节高压窄脉冲发生模块和低压宽脉冲发生模块输出脉冲的参数。
脉冲参数包括电压幅值和脉宽；纳秒级高压脉冲的电压幅值范围为0-20kV，脉宽范围为100ns～1000ns。
所述微秒级低压脉冲的电压幅值范围为0-5kV，脉宽范围20us～100us。
低压宽脉冲发生模块充电时，二极管D1、二极管D2、…、二极管Dn、二极管DL1、二极管DL2、…、二极管DLn导通，低压电源VL对电容CL1、…、电容CLn进行并联充电.
低压宽脉冲发生模块放电时，开关管SL1、…、开关管SLn导通，电容CL1、…、电容CLn对负载电阻Rx放电，输出正极性脉冲。
高压窄脉冲发生模块充电时，二极管D1、二极管D2、…、二极管Dn、二极管DL1、二极管DL2、…、二极管DLn导通，高压电源VH对电容CL1、…、电容CLn、电容CH1、…、电容CHn进行并联充电。
高压窄脉冲发生模块放电时，开关管SL1、…、开关管SLn导通，电容CL1、…、电容CLn、电容CH1、…、电容CHn对负载电阻Rx放电，输出正极性脉冲。
所述高压电源VH由升压变压器将市电升压后得到。
基于所述协同脉冲的产生装置的方法，包括以下步骤：
1)所述控制检测模块向高压窄脉冲发生模块和低压宽脉冲发生模块发送开关驱动信号，控制开关管和二极管的通断，从而使高压窄脉冲发生模块和低压宽脉冲发生模块分别向协调脉冲形成模块输出纳秒级高压脉冲和微秒级低压脉冲；
2)所述协调脉冲形成模块根据纳秒级高压脉冲和微秒级低压脉冲形成协同脉冲，并作用于目标。
实施例2：
参见图1至图8，协同脉冲的产生装置，包括控制检测模块、高压窄脉冲发生模块、低压宽脉冲发生模块、协调脉冲形成模块；
所述控制检测模块控制高压窄脉冲发生模块和低压宽脉冲发生模块输出脉冲，并调节输出脉冲的参数；
所述高压窄脉冲发生模块用于向协调脉冲形成模块输出纳秒级高压脉冲；
所述低压宽脉冲发生模块用于向协调脉冲形成模块输出微秒级低压脉冲；
所述协调脉冲形成模块根据纳秒级高压脉冲和微秒级低压脉冲形成协同脉冲，并作用于目标；
3低压宽脉冲充电模式：各子模块半导体开关SLn处于关断状态，用低压直流电源通过低压子模块二极管DLn、Dn、限流电阻Rs和负载电阻Rx对电容CLn进行并联充电。
低压宽脉冲放电模式：通过对每个子模块施加相应的开关驱动，使半导体开关SLn处于导通状态，此时储能电容CL1至CLn通过开关SLn串联以及高压子模块二极管DHn*对负载电阻Rx放电，输出电压为正极性脉冲电压，输出幅值等于CL1至CLn总共n个电容上的电压相加。
高压短脉冲产生单元：此电路拓扑结构(图2)在高压短脉冲产生部分通过一个升压变压器，将220V市电升压一定倍数，然后经过桥式二极管整流和Boost倍压电路，通过闭环稳压控制保证boost输出电容上的电压稳定，此种拓扑省掉了一个高压直流电源和六个串联作隔离作用的高压二极管，隔离变压器可起到隔离作用。而且通过电压闭环，可以实现高压电容上的电压连续稳定可调。
高压短脉冲充电状态：各子模块半导体开关SHn及SLn处于关断状态，用高压直流电源HVDC通过各子模块高压二极管DHn、DLn、Dn、限流电阻Rs和负载电阻Rx对电容CHn和CHn进行串并联充电。
高压短脉冲放电状态：通过对每个子模块施加相应的开关驱动，使半导体开关SHn处于导通状态，此时储能电容CH1至CHn及CL1至CLn通过开关SHn串联对负载电阻Rx放电，输出电压为正极性脉冲电压，输出幅值等于CH1至CHn及CL1至CLn总共2n个电容上的电压相加。

Claims (10)

1.协同脉冲的产生装置，其特征在于：包括控制检测模块、若干级高压窄脉冲发生模块、若干级低压宽脉冲发生模块、所述协调脉冲形成模块。
所述控制检测模块控制高压窄脉冲发生模块和低压宽脉冲发生模块输出脉冲，并调节输出脉冲的参数；
所述高压窄脉冲发生模块用于向协调脉冲形成模块输出纳秒级高压脉冲；
所述低压宽脉冲发生模块用于向协调脉冲形成模块输出微秒级低压脉冲；
所述协调脉冲形成模块根据纳秒级高压脉冲和微秒级低压脉冲形成协同脉冲，并作用于目标；
协同脉冲的产生装置的电路拓扑如下所示：
记高压电源VH正极所在一端为A，负极所在一端为B；记低压电源VL正极所在一端为E，负极所在一端为F；
A端依次串联电阻Rs、电感DH1、电容CH1、电容CL1后连接B端；
A端依次串联电阻Rs、电感DH1后连接开关管SH1的漏极；开关管SH1的栅极悬空；开关管SH1的源极连接二极管DL1的阴极；
记电感DHi的一端为Gi，另一端为Hi；i＝2,3，…，n；n为正整数；
电感DHi的Gi端连接电感DH(i-1)的H(i-1)端，Hi端连接电感DH(i+1)的G(i+1)端；
电感DHi的Gi端连接开关管SH1的漏极；
电感DHi的Hi端依次串联电容CHi、电容CLi后连接二极管DL(i-1)的阴极；
电感DHi的Hi端串联开关管SHi的漏极；开关管SHi的栅极悬空；开关管SHi的源极串联二极管DLi的阴极；二极管DLi的阳极串联二极管DL(i-1)的阴极；
E端依次串联电阻Rd、电容CL1后连接F端；
E端串联电阻Rd后连接开关管SL1的漏极；开关管SL1的栅极悬空；开关管SL1的源极连接二极管DL1的阴极；二极管DL1的阳极连接F端；
E端串联电阻Rd后连接二极管D1的阳极；二极管D1的阴极串联二极管D2的阳极；
二极管Di的阳极连接二极管Di-1的阴极；二极管Di的阳极串联电阻CLi后连接二极管DLi的阳极；
二极管Di的阳极串联开关管SLi的漏极；开关管SLi的栅极悬空；开关管SLi的源极串联二极管DLi的阴极；
二极管DLn的阴极串联负载电阻Rx后连接F端；二极管DLn的阴极串联负载电阻Rx后连接B端。
2.根据权利要求1所述的协同脉冲的产生装置，其特征在于：还包括输出采样模块；
所述输出采样模块用于采集协调脉冲形成模块输出的协同脉冲参数，并传输至控制检测模块；
所述控制检测模块根据协同脉冲参数调节高压窄脉冲发生模块和低压宽脉冲发生模块输出脉冲的参数。
3.根据权利要求1所述的协同脉冲的产生装置，其特征在于：脉冲参数包括电压幅值和脉宽；纳秒级高压脉冲的电压幅值范围为0-20kV，脉宽范围为100ns～1000ns。
4.根据权利要求1所述的协同脉冲的产生装置，其特征在于：所述微秒级低压脉冲的电压幅值范围为0-5kV，脉宽范围20us～100us。
5.根据权利要求1所述的协同脉冲的产生装置，其特征在于：低压宽脉冲发生模块充电时，二极管D1、二极管D2、…、二极管Dn、二极管DL1、二极管DL2、…、二极管DLn导通，低压电源VL对电容CL1、…、电容CLn进行并联充电。
6.根据权利要求1所述的协同脉冲的产生装置，其特征在于：低压宽脉冲发生模块放电时，开关管SL1、…、开关管SLn导通，电容CL1、…、电容CLn对负载电阻Rx放电，输出正极性脉冲。
7.根据权利要求1所述的协同脉冲的产生装置，其特征在于：高压窄脉冲发生模块充电时，二极管D1、二极管D2、…、二极管Dn、二极管DL1、二极管DL2、…、二极管DLn导通，高压电源VH对电容CL1、…、电容CLn、电容CH1、…、电容CHn进行并联充电。
8.根据权利要求1所述的协同脉冲的产生装置，其特征在于：高压窄脉冲发生模块放电时，开关管SL1、…、开关管SLn导通，电容CL1、…、电容CLn、电容CH1、…、电容CHn对负载电阻Rx放电，输出正极性脉冲。
9.根据权利要求1所述的协同脉冲的产生装置，其特征在于：所述高压电源VH由升压变压器将市电升压后得到。
10.基于权利要求1至9任一项所述协同脉冲的产生装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)所述控制检测模块向高压窄脉冲发生模块和低压宽脉冲发生模块发送开关驱动信号，控制开关管和二极管的通断，从而使高压窄脉冲发生模块和低压宽脉冲发生模块分别向协调脉冲形成模块输出纳秒级高压脉冲和微秒级低压脉冲；
2)所述协调脉冲形成模块根据纳秒级高压脉冲和微秒级低压脉冲形成协同脉冲，并作用于目标。
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