CN117653311A - 一种高压纳秒电脉冲阻抗匹配方法及消融系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高压纳秒电脉冲阻抗匹配方法及消融系统，阻抗自适应的高压纳秒电脉冲消融系统采用上述技术方案，在高压纳秒电脉冲释放前，先进行阻抗的检测，在获取负载阻抗值后通过将负载阻抗与人工线或储能电缆的特征阻抗值进行比较，在负载阻抗与人工线或储能电缆的特征阻抗值相差较大时，通过接入与负载的阻抗串联或者并联的电阻矩阵变换，使负载阻抗与串并联的电阻矩阵组成电阻组合，调节新的电阻组合值与储能电缆的特征阻抗值相同，使新的电阻组合值匹配脉冲波形发生器的特征阻抗，减小控制纳秒脉冲波形在负载处的反射和折射，通过主控板控制接入负载阻抗的大小从而自动调节高压电源设定值，形成闭环自动反馈。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种高压纳秒电脉冲阻抗匹配方法及消融系统。
背景技术
近年来，随着生物电磁学技术的不断发展，采用高压纳秒脉电冲治疗肿瘤技术逐渐被接受和认可，该技术是在不可逆电穿孔(IRE)的基础上发展起来的。其治疗原理是在两个正负电极之间产生高压纳秒脉冲，该纳秒脉冲电场作用于细胞内部，如细胞核、线粒体等，具有诱导肿瘤细胞凋亡效应。但将高压纳秒电脉冲真正推向医疗临床，需要稳定的脉冲波形，具有良好治疗效果的电脉冲波形参数和窗口阈值要求比较极端。例如，电场强度需要在10KV/cm以上,脉冲前沿需要控制在100ns以内，脉冲宽度和脉冲后沿也需要严格控制在纳秒级，这为设计和制造临床治疗用设备带来不小的困难。
由于肿瘤组织的阻抗，消融区组织渗液电解质参数是随着消融时间变化的，同样的，各种软组织的电阻率是不一样的，变化的电解质参数与初始的电脉冲消融参数不再匹配，造成消融效果不佳。而，阻抗匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配，得到最大功率输出的一种工作状态。在纯电阻电路中，当负载电阻等于激励源内阻时，则输出功率为最大，这种工作状态称为匹配，否则称为失配。因此，需要使脉冲射频电源的负载阻抗与肿瘤组织的特征阻抗相匹配，实现可针对不同组织部位保证加载纳秒脉冲波形的幅值、波形的质量，满足肿瘤消融的需求。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明提供了一种高压纳秒电脉冲阻抗匹配方法及消融系统，具体方案如下：
一种高压纳秒电脉冲阻抗匹配方法，包括以下步骤：
充电步骤，主控板控制高压电源输出设定测试电压，高压电源按测试电压向储能模块进行充电；
检测步骤，储能模块充满电后，主控板控制高压电源短路，储能模块放电并与人体待消融组织负载构成回路，主控板检测负载电压、电流并计算得到负载阻抗值RL；
判断步骤，主控板比较储能模块阻抗Rz与RL大小判断阻抗是否匹配；
执行步骤，若阻抗匹配，主控板根据负载消融电压参数确定高压电源输出电压值，向储能模块充电；若阻抗不匹配，负载通过串联或者并联电阻后与Rz匹配，主控板根据负载消融电压参数确定高压电源输出电压值，向储能模块充电。
作为优选，所述判断步骤中当RL≈Rz，主控板根据负载消融电压参数确定高压电源输出两倍消融电压值，向储能模块充电。
作为优选，所述判断步骤中当RL小于Rz，还包括电阻调节步骤，电阻调节步骤包括串联电阻R2以达到R2+RL等于Rz。
作为优选，所述执行步骤中，主控板根据目标负载消融电压值的(RL+R2)/RL倍数控制高压电源输出，向储能模块充电。
作为优选，所述判断步骤中当RL大于Rz，还包括电阻调节步骤，电阻调节步骤包括并联电阻R1，以达到R1//RL等于Rz。
作为优选，执行步骤中，所述执行步骤中，判断条件：脉冲幅值变化范围、波形发生变化，执行充电步骤中的主控板控制高压电源输出设定测试电压。
一种高压纳秒电脉冲消融系统，用于实现高压纳秒电脉冲负阻抗匹配和输出电压幅值控制，包括，主控板、高压电源、储能模块、负载检测模块和调节模块，其中，
所述高压电源为储能模块充电；所述储能模块通过主控板控制的开关为待消融人体组织负载提供高压纳秒脉冲；
所述负载检测模块，用于将检测的负载两端电压、电流参数输入主控板；
所述主控板，计算得到负载阻抗值RL，对储能模块阻抗Rz和负载阻抗RL的阻值进行比较，根据阻抗是否匹配，控制开关导通调节模块串联电阻或并联电阻、并根据负载消融电压、负载阻抗RL、调节模块阻抗参数控制高压电源输出对应幅值电压。
所述调节模块，用于根据当前特征阻抗通过设定负载阻抗两端脉冲电压幅值为固定值以设置当前位置为匹配位置，并实现负载中的纳秒脉冲波形与特征阻抗的纳秒脉冲波形保持一致。
作为优选，所述所述调节模块包括电阻矩阵1、电阻矩阵2、电阻矩阵驱动模块1和电阻矩阵驱动模块2，其中，
所述电阻矩阵1与输出负载并联以实现并联阻抗匹配；
所述电阻矩阵2与输出负载串联以实现串联阻抗匹配；
所述控制电阻矩阵1用于调节电阻矩阵1电阻输出量；
所述控制电阻矩阵2用于调节电阻矩阵2电阻输出量。
作为优选，所述负载检测模块包括与输出负载并联的电压检测模块和与输出负载串联的电流信号处理模块。
作为优选，还包括充电模块，用于实现特征阻抗的充电功能，所述充电模块包括高压电源Ui和与其串联的输入电阻Ri、二极管D，所述高压电源通过二极管D向特征阻抗进行充电。
作为优选，所述高压电源Ui可为调节模块提供幅值电压。
作为优选，还包括开关驱动模块，所述主控板与开关驱动模块、电阻矩阵驱动模块1和电阻矩阵驱动模块2相连，以控制各开关导通关断。
作为优选，所述开关驱动模块S采用氢闸流管。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明的阻抗自适应的高压纳秒电脉冲消融系统采用上述技术方案，在高压纳秒电脉冲释放前，先进行阻抗的检测，在获取负载阻抗值后通过将负载阻抗与人工线或储能电缆的特征阻抗值进行比较，在负载阻抗与人工线或储能电缆的特征阻抗值相差较大时，通过接入与负载的阻抗串联或者并联的电阻矩阵变换，使负载阻抗与串并联的电阻矩阵组成电阻组合，调节新的电阻组合值与储能电缆的特征阻抗值相同，使新的电阻组合值匹配脉冲波形发生器的特征阻抗，减小控制纳秒脉冲波形在负载处的反射和折射，通过主控板控制接入负载阻抗的大小从而自动调节高压电源设定值，形成闭环自动反馈。
(2)本发明保证了负载中的纳秒脉冲波形与特征阻抗纳秒脉冲波形保持一致，减少了波形的过充、震荡。
(3)本发明脉冲幅值达到所需要的值，克服了阻抗不匹配时幅值的变化，输入端阻抗匹配时，传输线获得最大功率；在输出端阻抗匹配的情况下，传输线上只有向终端行进的电压波和电流波，携带的能量全部为负载所吸收，当传输路径上阻抗不连续时，会有反射发生，阻抗匹配的作用就是通过端接元器件，时传输路线上的阻抗连续，解决了纳秒脉冲随负载变化而变化。在人体组织消融时，可针对不同组织由于负载阻抗不同根据各部位阻抗进行负载阻抗调节，保证纳秒脉冲波形的质量。
(4)本发明的高压电源向储能模块进行充电时会发送一个预脉冲，由于人体内的组织液会发生成分变化引起负载阻抗端的阻值发生变化，主控板控制预脉冲的发送能够在负载阻抗的阻值发生变化时产生开启该系统的负反馈调节，主控板重新测量负载阻抗端的阻值以进行接下来的阻抗匹配操作。
附图说明
图1为本发明的结构图。
图2为本发明电阻矩阵1的电路图。
图3位本发明电阻矩阵2的电路图。
具体实施方式
为了便于理解本发明技术方案，以下结合附图与具体实施例进行详细说明。
如图1-3所示，本发明公开一种高压纳秒电脉冲阻抗匹配方法，包括以下步骤：
充电步骤，主控板控制高压电源输出设定测试电压，高压电源按测试电压向储能模块进行充电；
检测步骤，储能模块充满电后，主控板控制高压电源短路，储能模块放电并与人体待消融组织负载构成回路，主控板检测负载电压、电流并计算得到负载阻抗值RL；
判断步骤，主控板比较储能模块阻抗Rz与RL大小判断阻抗是否匹配；
执行步骤，若阻抗匹配，主控板根据负载消融电压参数确定高压电源输出电压值，向储能模块充电；若阻抗不匹配，负载通过串联或者并联电阻后与Rz匹配，主控板根据负载消融电压参数确定高压电源输出电压值，向储能模块充电。
需要注意的是，本发明的高压电源向储能模块进行充电时会发送一个预脉冲，由于人体内的组织液会发生成分变化引起负载阻抗端的阻值发生变化，主控板控制预脉冲的发送能够在负载阻抗的阻值发生变化时产生开启该系统的负反馈调节，主控板重新测量负载阻抗端的阻值以进行接下来的阻抗匹配操作。
所述判断步骤中当RL≈Rz，主控板根据负载消融电压参数确定高压电源输出两倍消融电压值，向储能模块充电。
所述判断步骤中当RL小于Rz，还包括电阻调节步骤，电阻调节步骤包括串联电阻R2以达到R2+RL等于Rz。
所述执行步骤中，主控板根据目标负载消融电压值的(RL+R2)/RL倍数控制高压电源输出，向储能模块充电。
所述判断步骤中当RL大于Rz，还包括电阻调节步骤，电阻调节步骤包括并联电阻R1，以达到R1//RL等于Rz。
执行步骤中，所述执行步骤中，判断条件：脉冲幅值变化范围、波形发生变化，执行充电步骤中的主控板控制高压电源输出设定测试电压。
本发明的阻抗自适应的高压纳秒电脉冲消融系统采用上述技术方案，在高压纳秒电脉冲释放前，先进行阻抗的检测，在获取负载阻抗值后通过将负载阻抗与人工线或储能电缆的特征阻抗值进行比较，在负载阻抗与人工线或储能电缆的特征阻抗值相差较大时，通过接入与负载的阻抗串联或者并联的电阻矩阵变换，使负载阻抗与串并联的电阻矩阵组成电阻组合，调节新的电阻组合值与储能电缆的特征阻抗值相同，使新的电阻组合值匹配脉冲波形发生器的特征阻抗，减小控制纳秒脉冲波形在负载处的反射和折射，通过主控板控制接入负载阻抗的大小从而自动调节高压电源设定值，形成闭环自动反馈。
本发明还公开一种高压纳秒电脉冲消融系统，用于实现高压纳秒电脉冲负阻抗匹配和输出电压幅值控制，包括，主控板、高压电源、储能模块、负载检测模块和调节模块，其中，
所述高压电源为储能模块充电；所述储能模块通过主控板控制的开关为待消融人体组织负载提供高压纳秒脉冲；
所述负载检测模块，用于将检测的负载两端电压、电流参数输入主控板；
所述主控板，计算得到负载阻抗值RL，对储能模块阻抗Rz和负载阻抗RL的阻值进行比较，根据阻抗是否匹配，控制开关导通调节模块串联电阻或并联电阻、并根据负载消融电压、负载阻抗RL、调节模块阻抗参数控制高压电源输出对应幅值电压。
所述调节模块，用于根据当前特征阻抗通过设定负载阻抗两端脉冲电压幅值为固定值以设置当前位置为匹配位置，并实现负载中的纳秒脉冲波形与特征阻抗的纳秒脉冲波形保持一致。
所述所述调节模块包括电阻矩阵1、电阻矩阵2、电阻矩阵驱动模块1和电阻矩阵驱动模块2，其中，
所述电阻矩阵1与输出负载并联以实现并联阻抗匹配；
所述电阻矩阵2与输出负载串联以实现串联阻抗匹配；
所述控制电阻矩阵1用于调节电阻矩阵1电阻输出量；
所述控制电阻矩阵2用于调节电阻矩阵2电阻输出量。
所述负载检测模块包括与输出负载并联的电压检测模块和与输出负载串联的电流信号处理模块。
还包括充电模块，用于实现特征阻抗的充电功能，所述充电模块包括高压电源Ui和与其串联的输入电阻Ri、二极管D，所述高压电源通过二极管D向特征阻抗进行充电。
所述高压电源Ui可为调节模块提供幅值电压。
还包括开关驱动模块，所述主控板与开关驱动模块、电阻矩阵驱动模块1和电阻矩阵驱动模块2相连，以控制各开关导通关断。
所述开关驱动模块S采用氢闸流管。
本发明保证了负载中的纳秒脉冲波形与特征阻抗纳秒脉冲波形保持一致，减少了波形的过充、震荡。
需要注意的是，当系统准备开始工作时，电阻矩阵1中开关S11、S12……S1n均断开，电阻矩阵2中开关S21、S22……S2n断开，开关S2导通。假设想要在负载端获得阻抗匹配的电压脉冲幅值为Ui1。
本发明脉冲幅值达到所需要的值，克服了阻抗不匹配时幅值的变化，输入端阻抗匹配时，传输线获得最大功率；在输出端阻抗匹配的情况下，传输线上只有向终端行进的电压波和电流波，携带的能量全部为负载所吸收，当传输路径上阻抗不连续时，会有反射发生，阻抗匹配的作用就是通过端接元器件，时传输路线上的阻抗连续，解决了纳秒脉冲随负载变化而变化。在人体组织消融时，可针对不同组织由于负载阻抗不同根据各部位阻抗进行负载阻抗调节，保证纳秒脉冲波形的质量。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围以权利要求所限定的范围为准，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内做出的若干改进和润饰，也应视为本发明的保护范围。
Claims (13)
1.一种高压纳秒电脉冲阻抗匹配方法，其特征在于，包括以下步骤：
充电步骤，主控板控制高压电源输出设定测试电压，高压电源按测试电压向储能模块进行充电；
检测步骤，储能模块充满电后，主控板控制高压电源短路，储能模块放电并与人体待消融组织负载构成回路，主控板检测负载电压、电流并计算得到负载阻抗值RL；
判断步骤，主控板比较储能模块阻抗Rz与RL大小判断阻抗是否匹配；
执行步骤，若阻抗匹配，主控板根据负载消融电压参数确定高压电源输出电压值，向储能模块充电；若阻抗不匹配，负载通过串联或者并联电阻后与Rz匹配，主控板根据负载消融电压参数确定高压电源输出电压值，向储能模块充电。
2.根据权利要求1所述的一种阻抗匹配方法，其特征在于，所述判断步骤中当RL≈Rz，主控板根据负载消融电压参数确定高压电源输出两倍消融电压值，向储能模块充电。
3.根据权利要求2所述的一种阻抗匹配方法，其特征在于，所述判断步骤中当RL小于Rz，还包括电阻调节步骤，电阻调节步骤包括串联电阻R2以达到R2+RL等于Rz。
4.根据权利要求3所述的一种阻抗匹配方法，其特征在于，所述执行步骤中，主控板根据目标负载消融电压值的(RL+R2)/RL倍数控制高压电源输出，向储能模块充电。
5.根据权利要求1所述的一种阻抗匹配方法，其特征在于，所述判断步骤中当RL大于Rz，还包括电阻调节步骤，电阻调节步骤包括并联电阻R1，以达到R1//RL等于Rz。
6.根据权利要求1所述的一种阻抗匹配方法，其特征在于，执行步骤中，所述执行步骤中，判断条件：脉冲幅值变化范围、波形发生变化，执行充电步骤中的主控板控制高压电源输出设定测试电压。
7.一种高压纳秒电脉冲消融系统，用于实现高压纳秒电脉冲负阻抗匹配和输出电压幅值控制，其特征在于，包括，主控板、高压电源、储能模块、负载检测模块和调节模块，其中，
所述高压电源为储能模块充电；所述储能模块通过主控板控制的开关为待消融人体组织负载提供高压纳秒脉冲；
所述负载检测模块，用于将检测的负载两端电压、电流参数输入主控板；
所述主控板，计算得到负载阻抗值RL，对储能模块阻抗Rz和负载阻抗RL的阻值进行比较，根据阻抗是否匹配，控制开关导通调节模块串联电阻或并联电阻、并根据负载消融电压、负载阻抗RL、调节模块阻抗参数控制高压电源输出对应幅值电压。
所述调节模块，用于根据当前特征阻抗通过设定负载阻抗两端脉冲电压幅值为固定值以设置当前位置为匹配位置，并实现负载中的纳秒脉冲波形与特征阻抗的纳秒脉冲波形保持一致。
8.根据权利要求7所述的一种阻抗自适应的高压纳秒电脉冲消融系统，其特征在于，所述所述调节模块包括电阻矩阵1、电阻矩阵2、电阻矩阵驱动模块1和电阻矩阵驱动模块2，其中，
所述电阻矩阵1与输出负载并联以实现并联阻抗匹配；
所述电阻矩阵2与输出负载串联以实现串联阻抗匹配；
所述控制电阻矩阵1用于调节电阻矩阵1电阻输出量；
所述控制电阻矩阵2用于调节电阻矩阵2电阻输出量。
9.根据权利要求7所述的一种阻抗自适应的高压纳秒电脉冲消融系统，其特征在于，所述负载检测模块包括与输出负载并联的电压检测模块和与输出负载串联的电流信号处理模块。
10.根据权利要求7所述的一种阻抗自适应的高压纳秒电脉冲消融系统，其特征在于，还包括充电模块，用于实现特征阻抗的充电功能，所述充电模块包括高压电源Ui和与其串联的输入电阻Ri、二极管D，所述高压电源通过二极管D向特征阻抗进行充电。
11.根据权利要求10所述的一种阻抗自适应的高压纳秒电脉冲消融系统，其特征在于，所述高压电源Ui可为调节模块提供幅值电压。
12.根据权利要求7所述的一种阻抗自适应的高压纳秒电脉冲消融系统，其特征在于，还包括开关驱动模块，所述主控板与开关驱动模块、电阻矩阵驱动模块1和电阻矩阵驱动模块2相连，以控制各开关导通关断。
13.根据权利要求12所述的一种阻抗自适应的高压纳秒电脉冲消融系统，其特征在于，所述开关驱动模块S采用氢闸流管。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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