CN115778520A - 一种用于组织消融的高压类指数衰减脉冲波产生系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于电穿孔协同电解消融技术的高压类指数衰减脉冲波产生系统，系统包括供电模块、控制模块及包括多级Marx电路的类指数衰减脉冲发生电路，所述Marx电路接入电源，控制信号通过电‑光‑电转换模块用于驱动多级Marx电路，并根据指数衰减波的特性，调整每级Marx电路的控制信号，从而产生用于组织消融的类指数衰减波。本发明中电路控制简单、方便、灵活，同时初级电源电压低，每级Marx电路击穿电压低，从而降低了电路设计的难度，并实现了高压类指数衰减脉冲波的精确调控。
Description
技术领域
本发明属于高压脉冲医疗技术应用领域，具体涉及一种用于组织消融的高压类指数衰减脉冲波产生系统。
背景技术
物理电手段是治疗癌症(肿瘤)的重要技术之一。目前临床中采用两种物理电治疗技术，即脉冲电穿孔技术和直流电解技术。当微秒级脉冲电场作用在具有细胞结构的组织时，可在组织内细胞膜上产生纳米级微孔，即电穿孔效应。低强度的脉冲电场在细胞膜上产生的是可逆电穿孔效应，并和药物相结合用于癌症的治疗。而高强度的脉冲电场在细胞膜上产生的是不可逆电穿孔效应，从而诱导细胞死亡，进而破坏癌症组织。此外，脉冲电场电穿孔技术在杀伤肿瘤细胞同时，能够保留细胞外基质(如重要血管，胆管，神经等)功能完整性。因此，可以消融不可切除或化疗耐药的实体肿瘤。
肿瘤(癌症)组织也可采用直流电进行消融，在直流电作用下，电极与组织发生化学反应，产生有毒粒子，从而改变靶向组织的pH值，进而导致肿瘤细胞死亡。有毒粒子通过扩散效应将有毒粒子运载至更远区域，从而扩大消融区域，但是因扩散速度较慢，因此刺激时间需数十分钟至数小时。新进研究发现，电穿孔效应联合电解效应也能够有效的杀伤肿瘤细胞，并且无需增加抗肿瘤药物。发生电穿孔的细胞对电解效应极为敏感，即在常规下不能杀伤肿瘤细胞的电解剂量仍然能够有效的杀伤发生电穿孔的细胞。而类指数衰减脉冲波能够同时产生电穿孔效应和电解效应。类指数衰减脉冲波的高压初始部分能够产生电穿孔，而低压拖尾部分能够产生电解效应，进而有效杀伤肿瘤细胞。
目前产生类指数衰减脉冲波常用的电源主要是采用单一的电容(或电容矩阵)对生物组织放电，但是采用此方法产生类指数衰减脉冲波经常存在以下问题：
第一，对于特定的负载，类指数衰减脉冲波的衰减时间主要由电容和负载决定，但是电容(或电容矩阵)很难在宽范围内进行连续调节，此外，需要提前知道负载的电阻才能计算衰减时间，从而导致衰减时间施加的不确定性；
第二，对于不同类型的靶向组织(如肝脏，肾脏等)，电导率不相同，甚至相差很大，因此在采用相同电容的容值进行放电时，不能保证一致的衰减时间。即使对于同一类型的组织，由于个体差异，电导率仍然不能保持相同，因此，消融不同类型组织和不同个体的靶向组织时，指数衰减脉冲的衰减时间是变化的。例如，如果靶向组织电导率过高，则指数衰减脉冲的衰减时间太短，无法产生足够的电解效应以进行消融。
第三、组织在消融过程中，因电穿孔效应，组织的电导率会瞬间升高，从而在脉冲重复放电时，导致波形失真。此外，电容器在治疗一个周期后需很长时间重新充电，因此重复放电的频率较低，从而影响治疗效果。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足而提供一种用于组织消融的高压类指数衰减脉冲波产生系统，来解决以上背景技术部分提到的技术问题中的一项或多项。
为解决上述技术问题，本发明的内容包括：
一种用于组织消融的高压类指数衰减脉冲波产生系统，包括供电模块、控制模块和类指数衰减脉冲波发生电路；所述供电模块用于对控制模块和类指数衰减脉冲波发生电路进行供电；所述类指数衰减脉冲波发生电路包括开关触发电路和级联的N级Marx电路，所述控制模块包括依次相连的计算机、FPGA模块和电-光-电转换模块；
所述计算机将脉冲产生参数发送给FPGA模块，FPGA模块将脉冲产生参数转换成各级Marx电路不同时间的开关触发信号，并通过电-光-电转换模块将该开关触发信号传送至开关触发电路；所述开关触发电路将接收到的开关触发信号分别传送至相应的Marx电路，各级Marx电路按各自接收到的开关触发信号进行导通，产生用于组织消融的类指数衰减脉冲波。
进一步的，所述供电模块包括市电电源和直流供电电源；供电模块采取市电电源供电，将一部分交流电直接供给控制模块的计算机供电，一部分交流电供给直流供电电源，升压后再提供给类指数衰减脉冲波发生电路的第一级Marx电路。
进一步的，所述Marx电路包括电容、开关和两个二极管，其中，第一个二极管的阴极与电容的一端和开关的G极相连，第二个二极管的阳极与电容的另一端相连，第二个二极管的阴极与开关的S极相连；前一级Marx电路的第一个二极管的阴极与相邻后一级Marx电路的第一个二极管阳极相连，前一级Marx电路的第二个二极管的阳极与相邻后一级Marx电路的第二个二极管的阴极相连；直流电源的负极接地，直流电源的正极经充电电阻R1与第一级Marx电路的第一个二极管的正极相连，最后一级Marx电路的第二个二极管的负极经负载Rload与直流电源的负极相连；各级Marx电路中的开关的导通与关断均由FPGA模块控制。
进一步的，所述脉冲产生参数包括：类指数衰减脉冲波的初始电压幅度Vm、衰减时间tm、脉冲施加频率和脉冲波形；所述类指数衰减脉冲波发生电路的输出电压为各级Marx电路输出电压的叠加，各级Marx电路输出电压表达式为：
Vn＝-Vm,n＝1
其中，τ为单级Marx电路中电容的容值和负载形成的时间常数，tn为第n级Marx电路的导通时间。
进一步的，类指数衰减脉冲波的初始电压幅度Vm范围在0～5kV之间，类指数衰减脉冲波的衰减时间tm范围在100μs～500ms之间，类指数衰减脉冲波的施加频率范围在0.1Hz～100Hz之间，类指数衰减脉冲波的施加个数范围在1～100之间。
进一步的，所述Marx电路的级数N范围在3～20级之间。
进一步的，所述类指数衰减脉冲波的类型包括类指数衰减波、过渡过程快速下降的衰减波。
进一步的，收到开关触发信号后各级Marx电路中开关的导通方式为：最初所有Marx电路中的开关均导通，然后从第N级Marx电路到第1级Marx电路按照计算的时间逐步关断，则N级Marx电路输出类指数衰减脉冲波。
进一步的，第N级Marx电路到第1级Marx电路分三个阶段逐步关断：第一阶段，第N级Marx电路至第N-n级Marx电路中开关的导通时间为1μs～500μs；第二阶段，第N-n级Marx电路至第m级Marx电路中开关的导通时间为5μs～500μs为，n≤m；第三阶段，第m级Marx电路至第1级Marx电路中开关的导通时间为1ms～500ms，则N级Marx电路输出过渡过程快速下降的类指数衰减脉波。
本发明的有益效果是：
本发明能够满足电解性电穿孔技术消融组织的多种需求，并能保证临床应用的安全性。本发明能够宽范围的调节脉冲的衰减时间，衰减时间可以从微秒级到微秒级可调；发明不受负载类型及个体化差异的影响，能够在多种组织消融中保证脉冲波形不失真；同时，在重复放电时，也不会因组织电穿孔而电导率升高的影响，导致波形失真；本发明输出的类指数衰减波能够灵活改变波形特性，如过渡过程快速下降的类指数衰减脉冲波，用于保证在组织消融中不会产生局部放电和不可逆热损伤。本发明的类指数衰减波发生电路结构紧凑、灵活，可根据实际需求适当增加或者减少Marx电路的级数，从而提升或者降低最大输出电压，同时初级直流电源输出电压较小，约为输出电压的0.3-0.03倍，每级Marx电路击穿电压低，从而降低了电路设计的难度，并实现了高压类指数衰减脉冲波的精确调控。
附图说明
图1是本发明的系统结构图；
图2是N级Marx电路级联示意图；
图3是10级Marx电路各级开关导通时间及输出类指数衰减脉冲波的示意图；
图4是10级Marx电路各级开关导通时间及输出过渡过程快速下降的类指数衰减脉冲波的示意图；
图5是在不同负载下输出1ms衰减时间的类指数衰减脉冲波形示意图；
图6是输出1ms衰减时间和过渡时间为5μs的过渡过程快速下降类指数衰减脉冲波形示意图；
图7是在不同个体生物组织中的1ms衰减时间的类指数衰减脉冲波形图；
图8是在生物组织中的不同个数下的1ms衰减时间的类指数衰减脉冲波形图；
图9是类指数衰减脉冲波的组织消融效果图；
图10是在不同个体生物组织中的1ms衰减时间的过渡过程快速下降的类指数衰减脉冲波形图；
图11是在生物组织中的不同个数下的1ms衰减时间的过渡过程快速下降的类指数衰减脉冲波形图；
图12是过渡过程快速下降的类指数衰减脉冲波的组织消融效果图。
具体实施方式
为便于理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
如图1所示，本发明提供了一种用于组织消融的高压类指数衰减脉冲波产生系统，包括供电模块1、控制模块2和类指数衰减脉冲波发生电路3；供电模块1用于对控制模块和类指数衰减脉冲波发生电路进行供电；类指数衰减脉冲波发生电路3包括开关触发电路和级联的N级Marx电路，N范围在3～20级之间；控制模块2包括依次相连的计算机、FPGA模块和电-光-电转换模块；计算机将脉冲产生参数发送给FPGA模块，FPGA模块将脉冲产生参数转换成各级Marx电路不同时间的开关触发信号，并通过电-光-电转换模块将该开关触发信号传送至开关触发电路；开关触发电路将接收到的开关触发信号分别传送至相应的Marx电路，各级Marx电路按各自接收到的开关触发信号进行导通，产生用于组织消融的类指数衰减脉冲波。类指数衰减脉冲波的类型包括类指数衰减波、过渡过程快速下降的衰减波。
供电模块1包括市电电源和直流供电电源；供电模块采取市电电源供电，将一部分交流电直接供给控制模块的计算机供电，一部分交流电供给直流供电电源，升压后再提供给类指数衰减脉冲波发生电路的第一级Marx电路。
如图2所示，Marx电路包括电容、开关和两个二极管，其中，第一个二极管的阴极与电容的一端和开关的G极相连，第二个二极管的阳极与电容的另一端相连，第二个二极管的阴极与开关的S极相连；前一级Marx电路的第一个二极管的阴极与相邻后一级Marx电路的第一个二极管阳极相连，前一级Marx电路的第二个二极管的阳极与相邻后一级Marx电路的第二个二极管的阴极相连；直流电源的负极接地，直流电源的正极经充电电阻R1与第一级Marx电路的第一个二极管的正极相连，最后一级Marx电路的第二个二极管的负极经负载Rload与直流电源的负极相连；各级Marx电路中的开关的导通与关断均由FPGA模块控制。
脉冲产生参数包括：类指数衰减脉冲波的初始电压幅度Vm、衰减时间tm、脉冲施加频率和脉冲波形；FPGA模块产生驱动信号经电平放大电路、电-光-电转换模块来控制各级Marx电路开关的导通与关断。类指数衰减脉冲波发生电路3的输出电压为各级Marx电路输出电压的叠加，各级Marx电路输出电压表达式为：
Vn＝-Vm,n＝1
其中，τ为单级Marx电路中电容的容值和负载形成的时间常数，tn为第n级Marx电路的导通时间。
类指数衰减脉冲波的初始电压幅度Vm范围在0～5kV之间，类指数衰减脉冲波的衰减时间tm范围在100μs～500ms之间，类指数衰减脉冲波的施加频率范围在0.1Hz～100Hz之间，类指数衰减脉冲波的施加个数范围在1～100之间。
收到开关触发信号后各级Marx电路中开关的导通方式为：最初所有Marx电路中的开关均导通，然后从第N级Marx电路到第1级Marx电路按照导通时间tn逐步关断，则N级Marx电路输出类指数衰减脉冲波。
第N级Marx电路到第1级Marx电路分三个阶段逐步关断：第一阶段，第N级Marx电路至第N-n级Marx电路中开关的导通时间为1μs～500μs；第二阶段，第N-n级Marx电路至第m级Marx电路中开关的导通时间为5μs～500μs为，n≤m；第三阶段，第m级Marx电路至第1级Marx电路中开关的导通时间为1ms～500ms，则N级Marx电路输出过渡过程快速下降的类指数衰减脉波。
图3为10级Marx电路各级的开关导通时间及输出的类指数衰减脉冲波的示意图，图4为10级Marx电路各级的开关导通时间及输出的过渡过程快速下降的类指数衰减脉冲波。从图4可以看出，最初10级Marx电路的开关全部导通，此时电压最高，开关S10按照导通时间t1快速关闭，电压下降；同理的，开关S9-S2按照导通时间t2后依次快速关闭，开关S1按照导通时间t3关闭，最终形成了过渡过程快速下降的类指数衰减脉冲波波形。
图5示出了根据本发明的产生电解性电穿孔的类指数衰减脉冲波组织消融系统的一些实施例的不同负载下(100-1000Ω)的输出1ms衰减时间的类指数衰减脉冲波形示意图；从图中可以表明，本系统产生的类指数衰减脉冲波形不会因阻抗大小的不同而产生畸变。
图6示出了根据本发明的产生电解性电穿孔的过渡过程快速下降的类指数衰减脉冲波组织消融系统的一些实施例的输出1ms衰减时间和过渡时间为5μs的过渡过程快速下降的类指数衰减脉冲波形示意图；初始电压为3000V，开关S10-S1导通时间依次为100.0μs，100.3μs，100.6μs，101.0μs，101.3μs，101.9μs，102.5μs，103.4μs，105.0μs，1000μs。
根据本发明用于组织消融的高压类指数衰减脉冲波产生系统，开展了组织消融实验用于测试输出脉冲及消融效果。本实施例主要测试了两种脉冲形式，即类指数衰减脉冲波和过渡过程快速下降的类指数衰减脉冲波。初始电压设置为1500V。每个组织样本施加5个脉冲。本实施例采用马铃薯组织进行试验，马铃薯组织广泛的应用于电穿孔和电解消融实验研究。采用双针电极传递脉冲，电极间距为7.5mm，电极直径为1.8mm。脉冲刺激后16小时，将马铃薯组织沿电极垂直方向切开，统计变黑的区域，即消融区域，每个参数刺激三次。
图7为在不同个体生物组织中的1ms衰减时间的类指数衰减脉冲波形图，从图中可以看出，本发明的类指数衰减脉冲波组织消融系统输出的波形不受组织个体化差异影响。图8为在生物组织中的不同个数下的1ms衰减时间的类指数衰减脉冲波形图，从图中可以看出，本发明的类指数衰减脉冲波组织消融系统输出的波形不受因组织电穿孔导致电导率增大的影响。图9为类指数衰减脉冲波产生的组织消融效果，从图中可以看出，随着类指数衰减脉冲波衰减时间的逐渐增加，消融区域逐渐增加。
图10为在不同个体生物组织中的1ms衰减时间的过渡过程快速下降的类指数衰减脉冲波形图，从图中可以看出，本发明的类指数衰减脉冲波组织消融系统输出的波形不受组织个体化差异影响。图11为在生物组织中的不同个数下的1ms衰减时间的过渡过程快速下降的类指数衰减脉冲波形图，从图中可以看出，本发明的类指数衰减脉冲波组织消融系统输出的波形不受因组织电穿孔导致电导率增大的影响。图12为过渡过程快速下降的类指数衰减脉冲波产生的组织消融效果，从图中可以看出，随着过渡过程快速下降的类指数衰减脉冲波过渡时间的逐渐增加，消融区域逐渐减小。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种用于组织消融的高压类指数衰减脉冲波产生系统，其特征在于，包括供电模块(1)、控制模块(2)和类指数衰减脉冲波发生电路(3)；
所述供电模块(1)用于对控制模块和类指数衰减脉冲波发生电路进行供电；
所述类指数衰减脉冲波发生电路(3)包括开关触发电路和级联的N级Marx电路，所述控制模块(2)包括依次相连的计算机、FPGA模块和电-光-电转换模块；
所述计算机将脉冲产生参数发送给FPGA模块，FPGA模块将脉冲产生参数转换成各级Marx电路不同时间的开关触发信号，并通过电-光-电转换模块将该开关触发信号传送至开关触发电路；所述开关触发电路将接收到的开关触发信号分别传送至相应的Marx电路，各级Marx电路按各自接收到的开关触发信号进行导通，产生用于组织消融的类指数衰减脉冲波。
2.根据权利要求1所述的用于组织消融的高压类指数衰减脉冲波产生系统，其特征在于，所述供电模块(1)包括市电电源和直流供电电源；供电模块采取市电电源供电，将一部分交流电直接供给控制模块的计算机供电，一部分交流电供给直流供电电源，升压后再提供给类指数衰减脉冲波发生电路的第一级Marx电路。
3.根据权利要求1所述的用于组织消融的高压类指数衰减脉冲波产生系统，其特征在于，所述Marx电路包括电容、开关和两个二极管，其中，第一个二极管的阴极与电容的一端和开关的G极相连，第二个二极管的阳极与电容的另一端相连，第二个二极管的阴极与开关的S极相连；前一级Marx电路的第一个二极管的阴极与相邻后一级Marx电路的第一个二极管阳极相连，前一级Marx电路的第二个二极管的阳极与相邻后一级Marx电路的第二个二极管的阴极相连；直流电源的负极接地，直流电源的正极经充电电阻R1与第一级Marx电路的第一个二极管的正极相连，最后一级Marx电路的第二个二极管的负极经负载Rload与直流电源的负极相连；各级Marx电路中的开关的导通与关断均由FPGA模块控制。
4.根据权利要求1所述的用于组织消融的高压类指数衰减脉冲波产生系统，其特征在于，所述脉冲产生参数包括：类指数衰减脉冲波的初始电压幅度Vm、衰减时间tm、脉冲施加频率和脉冲波形；所述类指数衰减脉冲波发生电路(3)的输出电压为各级Marx电路输出电压的叠加，各级Marx电路输出电压表达式为：
Vn＝-Vm,n＝1
其中，τ为单级Marx电路中电容的容值和负载形成的时间常数，tn为第n级Marx电路的导通时间。
5.根据权利要求4所述的用于组织消融的高压类指数衰减脉冲波产生系统，其特征在于，类指数衰减脉冲波的初始电压幅度Vm范围在0～5kV之间，类指数衰减脉冲波的衰减时间tm范围在100μs～500ms之间，类指数衰减脉冲波的施加频率范围在0.1Hz～100Hz之间，类指数衰减脉冲波的施加个数范围在1～100之间。
6.根据权利要求1所述的用于组织消融的高压类指数衰减脉冲波产生系统，其特征在于，所述Marx电路的级数N范围在3～20级之间。
7.根据权利要求1所述的用于组织消融的高压类指数衰减脉冲波产生系统，其特征在于，所述类指数衰减脉冲波的类型包括类指数衰减波、过渡过程快速下降的衰减波。
8.根据权利要求1所述的用于组织消融的高压类指数衰减脉冲波产生系统，其特征在于，收到开关触发信号后各级Marx电路中开关的导通方式为：最初所有Marx电路中的开关均导通，然后从第N级Marx电路到第1级Marx电路逐步关断，则N级Marx电路输出类指数衰减脉冲波。
9.根据权利要求8所述的用于组织消融的高压类指数衰减脉冲波产生系统，其特征在于，第N级Marx电路到第1级Marx电路分三个阶段逐步关断：第一阶段，第N级Marx电路至第N-n级Marx电路中开关的导通时间为1μs～500μs；第二阶段，第N-n级Marx电路至第m级Marx电路中开关的导通时间为5μs～500μs为，n≤m；第三阶段，第m级Marx电路至第1级Marx电路中开关的导通时间为1ms～500ms，则N级Marx电路输出过渡过程快速下降的类指数衰减脉波。
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