CN202458657U

CN202458657U - 不可逆电子穿孔仪电路

Info

Publication number: CN202458657U
Application number: CN2011203314924U
Authority: CN
Inventors: 孙大军
Original assignee: SHANGHAI MEDICAL INSTRUMENTATION COLLEGE; University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: SHANGHAI MEDICAL INSTRUMENTATION COLLEGE; University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2011-09-06
Filing date: 2011-09-06
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2021-09-06

Abstract

本实用新型涉及一种不可逆电子穿孔仪电路，键盘将指令送入微控制器，微控制器输出信号到脉冲发生电路，脉冲发生电路发脉冲信号到脉冲放大电路；微控制器输出控制信号到高压电源模块，高压电源模块转换控制信号输出设定幅度的电压值到脉冲放大电路，脉冲放大电路输出高压脉冲到电极，同时脉冲放大电路将信号返回微控制器，微控制器输出数据到显示上显示运行数据。采用IGBT开关技术，脉冲输出波形接近方波，减少电冲击过程中热量的产生；提高电路的可靠性和安全性；仪器的脉冲参数可调节范围宽，便于寻找产生不可逆电穿孔的最佳脉冲参数和实验条件；仪器输出的高压脉冲幅度，可满足离体和在体各种不可逆电穿孔实验研究要求。

Description

不可逆电子穿孔仪电路

技术领域

本实用新型涉及一种医疗器械，特别涉及一种不可逆电子穿孔仪电路。

背景技术

电穿孔是在脉冲电场作用下，细胞膜产生微孔的物理过程。细胞膜的电穿孔是一种现象。根据脉冲电场强度、脉冲宽度和作用次数的不同，电穿孔分为可逆电穿孔和不可逆电穿孔。

可逆电穿孔是在细胞膜应用适当强度和宽度的电场，脉冲电场使磷脂或磷脂蛋白膜上产生暂时的、可逆的孔道或通透。当细胞暴露在电场中，在细胞膜上诱发跨膜电压，如果电压超过某一个值时，导致细胞膜的通透性和电导率显著增加，一般要增加几个数量级。在脉冲电场作用过后，孔道自然封闭，细胞会恢复正常状态。由于膜的通透性增加，在其它运输机制下不能穿越细胞膜的分子可以穿越细胞膜。可逆电穿孔使细胞内外分子交换能力显著增加，有利于细胞吸收各种药物、基因物质、蛋白质和其它大分子等。将电脉冲与化疗药物相结合治疗肿瘤，创立了肿瘤的电脉冲化学疗法。此法可比常规化疗效果更好，但由于使用化疗药物对患者有较强的毒副作用。

当脉冲电场超过细胞可承受的极限时，电场过后，细胞膜不能重新封闭，细胞出现不可恢复的破裂导致细胞死亡，这种现象称作不可逆性电击穿。是否发生不可逆电穿孔，与电脉冲的宽度、脉冲幅度、脉冲次数以及细胞的物理化学特性有关。在过去的电穿孔应用研究中，如基因转染、肿瘤电脉冲化疗等，利用细胞的可逆性电击穿现象，控制不可逆性电击穿现象。将电脉冲引人到肿瘤组织中，使恶性肿瘤细胞发生不可逆性电击穿，这样就破坏了肿瘤的生存条件，达到了杀伤肿瘤细胞的目的。这种不用化疗药物，单独使用强脉冲电场可以导致肿瘤细胞程序性死亡(凋亡)并能有效抑制肿瘤的生长。这种肿瘤治疗方法称为不可逆电穿孔肿瘤消融术。

不可逆电穿孔的主要优点是可以避免使用药物，因为它只依赖外加电场的作用杀死癌细胞。为了取得对靶组织不可逆电穿孔，电场强度必须超过阈值。如果使用六个电极治疗靶组织体积50～70cm³，要实现不可逆电穿孔，需要应用3000V电压。该设备的指标确保在40cm³电场强度至少是800V/cm，该值被认为是在大多数细胞不可逆电穿孔的阈值。

为了将不可逆电穿孔肿瘤消融术应用到临床中，需要寻找产生不可逆电穿孔的最佳脉冲参数和实验条件。为此发明一种参数范围比较宽、性能稳定、安全的不可逆电子穿孔仪。

发明内容

本实用新型是针对现在不可逆电穿孔肿瘤消融术还无法应用的问题，提出了一种不可逆电子穿孔仪电路，使活细胞产生不可逆性电击穿，可以用于肿瘤治疗的实验研究。

本实用新型的技术方案为：一种不可逆电子穿孔仪电路，键盘将指令送入微控制器，微控制器输出信号到脉冲发生电路，脉冲发生电路发脉冲信号到脉冲放大电路；微控制器输出控制信号到高压电源模块，高压电源模块转换控制信号输出设定幅度的电压值到脉冲放大电路，脉冲放大电路输出高压脉冲到电极，同时脉冲放大电路将信号返回微控制器，微控制器输出数据到显示上显示运行数据。

所述脉冲放大电路包括驱动器芯片、绝缘栅双极晶体管，电阻、储能电容器、二极管依次串联接高压电源模块输出，二极管负极接地，储能电容器、二极管）中间点输出接电极，放电电阻并联在储能电容器两端,电阻并联在二级管两端；两采样电阻并联在储能电容器和地之间，两采样电阻中间点将充电电压信号送回微控制器，脉冲发生电路发出设定的脉冲宽度和脉冲次数经驱动器芯片接绝缘栅双极晶体管的基极，绝缘栅双极晶体管发射极串联接地电阻，绝缘栅双极晶体管集电极接储能电容器高电压端，两输出采样电阻串联后并联于输出电极上，两输出采样电阻中间点将输出信号送回微控制器。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型一种不可逆电子穿孔仪电路，采用IGBT开关技术，脉冲输出波形接近方波，减少电冲击过程中热量的产生；具有高速保护功能的驱动电路，具有输出短路保护，提电路的可靠性和安全性；仪器的脉冲参数可调节范围宽，便于寻找产生不可逆电穿孔的最佳脉冲参数和实验条件；仪器输出的高压脉冲幅度，可满足离体和在体各种不可逆电穿孔实验研究要求。

附图说明

图1是本实用新型不可逆电子穿孔仪电路原理框图；

图2是本实用新型不可逆电子穿孔仪电路图。

具体实施方式

如图1所示不可逆电子穿孔仪电路原理框图，键盘1将指令送入微控制器2，微控制器2输出信号到脉冲发生电路6，脉冲发生电路6发脉冲信号到脉冲放大电路5，高压电源模块3在微控制器2的控制下输出设定幅度的电压值到脉冲放大电路5，脉冲放大电路5输出高压脉冲到电极4，同时脉冲放大电路5将信号返回微控制器2，微控制器2输出数据到显示7上显示运行数据。

如图2所示不可逆电子穿孔仪电路图，脉冲放大电路包括驱动器芯片U4、绝缘栅双极晶体管Q1、二极管、电容、电阻，高压电源模块3输出的电压通过串联电阻R1、二极管D1给储能电容器C2充电，电容器充电电压决定输出脉冲的幅度，最大电压值为3000V，放电电阻R4并联在储能电容器C2两端保证在电压调低时和仪器关闭后对储能电容器C2进行放电。电阻R8并联在二级管D1两端是用来克服二级管D1的正向压降，保证充电电压幅度的精确度。电容充电电压经电阻R2和R3分压后，送入微控制器2中的A/D转换器中。微处理器2确认电容的电压是否达到设定值。如果没有达到设定值，高压电源模块3将已达最大电流继续充电；如果达到设定值，高压电源模块3会自动减小充电电流到R4的放电电流值，因此，保持电容电压不变，做好放电准备。

脉冲输出过程如下：首先微控制器2确认电容充电是否正常，如果充电正常，微控制器2启动脉冲发生电路6，同时，通过其内部的D/A转换器给出一个峰值电流电压信号到IGBT驱动器U4的ILIM引脚，设定最大脉冲输出电流，电流设置范围为0～50A。最大脉冲输出电流的确定是根据具体实验要求而定，体外实验时，电流可达50A，在电冲击的过程中，组织的阻抗不断变化。因此，最大电流的限制，能有效地保证电穿孔效果。

脉冲发生电路6发出设定的脉冲宽度和脉冲次数。该脉冲经驱动器U4后，控制IGBT(绝缘栅双极晶体管)开关Q1。开关Q1导通后，将电容器C2的正极通过取样电阻R7接地。由于R7非常小，其电压降可以忽略不计。这时二极管D1反向偏置，D1截止。在输出端输出一个与设置电压幅度相同的幅脉冲。串联的两电阻R9、R10并联于输出电极上，两电阻R9、R10中间点将输出信号送回微控制器2，用于监测输出脉冲的幅度。

脉冲输出电流在取样电阻R7上产生的电压，经R6和C3滤波后送到U4的电流感应端CS，该电压与U1给出的峰值电流电压进行比较。如果大于峰值电流电压，表明过流或输出短路，则立即关闭IGBT开关Q1，同时，在U4的CLF引脚发出过流信号指示给为微控制器U1，U1禁止脉冲发生电路U2和高压电源模块U3，并发出报警指示给操作者。因此，在保证操作者安全的同时，也保证实验的有效性。

控制部分采用单片机系统控制，具有以下几点功能：

（1）设定参数：用户可根据具体实验要求设定冲击脉冲电压幅度、最大脉冲电流、脉冲宽度、脉冲周期和脉冲次数。

（2）控制脉冲发生电路的启动和输出驱动脉冲参数。

（3）控制高压发生模块的启动和输出电压。

（4）报警：检测输出脉冲的电流和电压。发生异常时，系统会自动给出报警。

（5）显示部分：对仪器的状态参数进行显示。

不可逆电穿孔需要解决的关键问题是高电压和大电流（50A）方波脉冲的发生问题。脉冲功率达到150kW。由于需施加高能量进行电冲击实验，操作者安全也是一个重要问题。因此，快速高电压脉冲发生器要求其结构坚固，可靠性高。在故障情况下，能提供多种保护措施，同时为操作者提供一个良好的用户界面，尽量减少错误的机会。

不可逆电穿孔仪的主要危险是从储能电容器中输出高能，这可能给操作者带来触电的风险。除了满足医疗设备一般安全要求标准规定外，必须可靠地控制电极的能量释放，避免误操作以及无意或不正确能量释放。

设备的坚固性必须保证，需采取足够的保护措施，确保一些关键部件发生故障时，不能使储存的能量对外的释放。正常工作时，能量输出必须精确可靠的控制，可以通过特定的软件/硬件安全保障措施给与保证。治疗过程中生物组织电阻不可预测性，可能发生电极之间发生短路和火花，因此仪器必须牢固，应采取短路保护措施。

具体保护措施：

1. 采用高压IGBT开关技术。IGBT 集功率MOSFET的高速性能与双极性器件的低电阻于一体，具有输入阻抗高、电压控制功耗低、控制电路简单、耐高压、承受电流大等特性。本发明中采用单只高压IGBT开关，避免多只功率开关器件串联使用时，由于电压不均匀分配导致击穿的风险。

2.采用冗余设计，不可逆电穿孔仪最大输出电流50A，而IGBT的脉冲电流达到350A。

3. 采用带过流保护功能的高速大电流IGBT驱动器，过电流响应时间非常短（小于20ns）。

4. 最大保护电流可以设置，在满足实验要求的同时，提高可靠性。

5. 发生异常时，系统会自动关闭输出和高压模块。

Claims

1.一种不可逆电子穿孔仪电路，其特征在于，键盘（1）将指令送入微控制器（2），微控制器（2）输出信号到脉冲发生电路（6），脉冲发生电路（6）发脉冲信号到脉冲放大电路（5）；微控制器（2）输出控制信号到高压电源模块（3），高压电源模块（3）转换控制信号输出设定幅度的电压值到脉冲放大电路（5），脉冲放大电路（5）输出高压脉冲到电极（4），同时脉冲放大电路（5）将信号返回微控制器（2），微控制器（2）输出数据到显示（7）上显示运行数据。

2.根据权利要求1所述不可逆电子穿孔仪电路，其特征在于，所述脉冲放大电路（5）包括驱动器芯片（U4）、绝缘栅双极晶体管（Q1），电阻（R1）、储能电容器（C2）、二极管（D1）依次串联接高压电源模块（3）输出，二极管（D1）负极接地，储能电容器（C2）、二极管（D1）中间点输出接电极（4），放电电阻（R4）并联在储能电容器(C2)两端,电阻（R8）并联在二级管（D1）两端；两采样电阻（R2、R3）并联在储能电容器（C2）和地之间，两电阻（R2、R3）中间点将充电电压信号送回微控制器（2），脉冲发生电路（6）发出设定的脉冲宽度和脉冲次数经驱动器芯片（U4）接绝缘栅双极晶体管（Q1）的基极，绝缘栅双极晶体管（Q1）发射极串联接地电阻（R7），绝缘栅双极晶体管（Q1）集电极接储能电容器(C2)高电压端，两输出采样电阻（R9、R10）串联后并联于输出电极（4）上，两输出采样电阻（R9、R10）中间点将输出信号送回微控制器(2)。