CN219814292U - 一种同步双极性脉冲电场组织消融装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种同步双极性脉冲电场组织消融装置，包括控制模块、充电模块、高压脉冲形成模块、传输线。主板和变压器构成的充电模块对高压脉冲形成模块中的电容悬浮充电，电容两端通过一体化双子多间隙火花开关分别与两根传输线输入端的内导体连接，输出幅值相等、极性相反的双极性高压脉冲。本实用新型还提供该装置消融组织的使用方法。与现有技术相比其优势在于，能量回收复位充电方法提高变压器脉冲能量传递能力和效率，利于变压器小型化；脉冲形成电路中的火花开关可自动同步输出双极性高压脉冲，不需要额外的同步电路或器件，且双极性输出降低设备对地绝缘要求，有利于实现临床应用的小型一体化装置。

Description

一种同步双极性脉冲电场组织消融装置

技术领域

本实用新型涉及医疗器械中的电磁场肿瘤治疗领域，尤其涉及高压脉冲电场肿瘤组织消融和细胞处理。

背景技术

恶性肿瘤严重危害人类的生命与健康，近年来出现的基于不可逆电穿孔的消融疗法是一种新型的非热消融技术，该技术利用高压脉冲电场破坏细胞膜，使其发生不可逆穿孔，破坏细胞稳态，最终导致细胞死亡，与热消融技术相比，其消融边界清晰，能有效避免损伤重要的血管、胆管和神经等结构，让更多的肿瘤患者获得了救治机会，并取得了显著的临床效果。

研究发现，纳秒脉冲电场对细胞活性也有影响，当作用于细胞的纳秒脉冲电场足够强时，可以激发细胞内钙库内的钙离子释放、细胞膜肿胀和出泡、破坏肌动蛋白等细胞骨架，导致细胞凋亡或死亡，纳秒脉冲电场与微秒脉冲电场相比，较小的能量即可快速消融肿瘤，并且明显降低肌肉震颤等副作用，但纳秒脉冲消融所需场强阈值较高（8-10kV/cm），绝缘强度要求高，不利于装置稳定和小型化，对此，人们提出在不改变电极针间场强的情况下，采用同步双极性纳秒脉冲，降低绝缘要求，保障设备的可靠性，同步双极性脉冲的发生可基于单个高压开关或双开关，双开关的脉冲对称性较好，其主要问题是如何在纳秒量级实现正负脉冲的同步，通常需要外部同步电路或其它同步元件如电缆、磁环等，导致装备复杂庞大，可靠性差。

发明内容

针对脉冲消融所存在的上述技术缺陷，本实用新型创造性地提出一种同步双极性脉冲电场组织消融装置，包括控制模块、充电模块、高压脉冲形成模块、传输线，其中充电模块由主板和变压器构成。

所述充电模块中的主板上的电容A 48与开关A49串联后与脉冲变压器5的原边并联构成能量回收复位电路，提高变压器单脉冲传递的能量，有利于变压器小型化；

所述高压脉冲形成模块中的开关为一体化双子多间隙火花开关，所述一体化双子多间隙火花开关由多个相同结构的电极板集成，每个电极板包括绝缘板18和两个金属电极19，两个金属电极19嵌入绝缘板18对应的两个孔中，两个金属电极19之间设置爬电槽，两组平行的多个等间距金属电极分别构成对应的双子多间隙火花开关B 77和火花开关C 78，所述一体化双子多间隙火花开关的工作气体介质为空气、氮气或氢气，工作在封闭或开放的腔体内，吹气或非吹气状态，大气压、高气压或低气压状态；

所述高压脉冲形成模块中，二极管A 73和二极管B 75用于变压器5的副边对高压电容B 74悬浮充电；高压电容B 74的两端分别经过火花开关B 77和火花开关C 78与传输线A 91和传输线B 92的输入端的内导体相连；传输线A 91和传输线B 92输入端的外导体并联接地；

所述传输线A 91和传输线B 92输出端的内导体与负载两端相连，传输线A 91和传输线B 92输出端的外导体连接在一起；

所述控制模块，由控制芯片经外部触发或内部设置输出连续脉冲控制信号或间歇式脉冲控制信号。

所述高压脉冲形成模块中的开关为一体化双子火花间隙开关、半导体开关、闸流管开关或磁开关。

所述高压脉冲形成模块中的电容B 74为高压陶瓷电容、人工形成线、传输线或Blumlein线。

所述充电模块所含主板上的电源40为直流电源、交流电源或电池；

所述充电模块中的主板上的开关D 42、开关E 47、开关A 49为IGBT、MOSFET或闸流管。

所述传输线为单根或多根传输线串并联构成。

所述的充电模块由主板和变压器构成，或由直流充电、交流充电、基于全桥逆变的充电电路构成。

所述负载为生物组织、肿瘤、细胞或微生物。

本实用新型创造性地提出一种同步双极性脉冲电场组织消融装置，其优势在于：创新设计了一种带有能量回收复位电路的充电模块，提高变压器单脉冲传递的能量和效率，有利于变压器小型化；双子多间隙火花开关的一体化结构创新设计和独特的脉冲形成电路，可以实现两组开关的自动同步，无需额外电路或器件，在负载上输出同步双极性纳秒高压陡脉冲，使传输线的绝缘要求降低一半，大幅提高设备可靠性；此外，变压器对高压电容悬浮充电，充电电压极性相反、幅值相等，对变压器和线路的绝缘要求也降低一半，从而实现整体装置一体小型化，当用于组织消融时，电位极性相反的消融电极可协同作用，在保证消融范围的前提下，使消融电极针对地电压降低一半，大幅度降低了电极针绝缘层的绝缘要求，降低了消融电极针制造难度，本脉冲发生装置采用高频、高效快速充电，通过控制模块的设置，可以使双子多间隙火花开关在不吹气条件下实现大于500Hz高频间歇式运行，在实际消融过程中，较小的能量实现较大的消融范围，并且可以控制在心电不应期内输出多个纳秒陡脉冲。

附图说明

图1 一体化双极性脉冲发生装置结构示意图。

图2 双极性脉冲发生装置的电路原理图。

图3 双极性脉冲装置的典型输出脉冲波形图。

图4 一体化双子多间隙火花开关结构示意图。

图5 利用双极性脉冲发生装置驱动平行电极消融肝脏组织的实施例。

图6 利用双极性脉冲发生装置驱动同轴电极消融肝脏组织的实施例。

图7 控制模块输出间歇式脉冲控制信号典型示意图。

图中：1、脉冲发生装置；2、触摸控制屏；3、控制模块；4主板；5、脉冲变压器；6、隔离变压器；7、高压脉冲形成模块；8、BNC接头；91、传输线A；92、传输线B；10、负载；11、接地；12、电极板A；13、电极板B；14、电极板C；15、电极板D；16、电极板E；17、触发电极；18、绝缘板；19、金属电极；20、消融电极针A；21、消融电极针B；22、组织；23、同轴消融电极针C；24、同轴消融电极针D；25、脉冲控制信号；40、电源；41、电容C；42、开关D；43、电感；44、二极管C；45、电容D；46、二极管D；47、开关E；48、电容A；49、开关A；71、电阻A；72、二极管E；73、二极管A；74、高压电容B；75、二极管B；76、电阻B；77、火花开关B；78、火花开关C。

实施方式

为了更为具体地描述本实用新型，下面结合附图及具体实施方式对本实用新型的技术方案进行详细说明。

实施例1

如图1左侧所示，脉冲发生装置1为一体化集成结构，可放置于桌面或医院内常规医疗手术推车上，脉冲发生装置1的前面板有触摸控制屏2，用于控制脉冲输出，脉冲发生装置1的外壳为金属且接地，内部如右侧所示，包括控制模块3、主板4、变压器5、隔离变压器6、高压脉冲形成模块7，高压脉冲形成模块7产生同步正负极性高压脉冲，通过与BNC接头8相连的两根传输线传输到负载，具体地，隔离变压器6将控制模块3与其他电路隔离，起屏蔽保护作用，减少电磁干扰；控制模块3提供主板4所需的控制信号，及用于手术治疗计划和实施手术的医工交互界面。

实施例2

双极性陡脉冲发生装置的电路原理图如图2所示，包括主板4、变压器5、高压脉冲形成模块7、传输线A 91、传输线92、负载10，具体的，主板包括电源40、电容C 41、开关D 42、电感43、二极管C 44、电容D 45、二极管D 46、开关E 47、电容A 48、开关A 49；电源40给电容C 41充电，电源40可为交流电源、直流电源或电池等；电容C 41通过开关D 42、电感43、二极管C 44给电容D 45充电，二极管D 46与电容D 45并联，防止电容D 45上的电压极性反转；电容A 48经过开关A 49通过变压器5的原边对变压器5的磁芯进行反向复位，提升脉冲变压器5传递的脉冲能量，避免脉冲变压器5的磁芯饱和；电容D 45经过开关E 47和脉冲变压器5对高压脉冲形成模块7充电。

高压脉冲形成模块7包括电阻A 71、二极管E 72、二极管A 73、高压电容B 74、二极管B 75、电阻B 76、火花开关B 77、火花开关C 78；电阻A 71与二极管E 72串联，与变压器5的副边并联；变压器5的副边经过二极管A 73和二极管B 75对高压电容B 74悬浮充电；电阻B 76与高压电容B 74并联；高压电容B 74的两端分别经过火花开关B 77和火花开关C 78与传输线A 91和传输线B 92的输入端的内导体相连；传输线A 91和传输线B 92输入端的外导体与金属机箱相连并接地11；传输线A 91和传输线B 92输出端的内导体分别与负载10两端相连，传输线A 91和传输线B 92输出端的外导体连接在一起。

具体地，当火花开关B 77和火花开关C78采用火花间隙开关时，触发任何一个开关后，另外一个开关因过压而自动击穿，两个开关同步后，高压电容B 74开始放电，并在传输线A 91和传输线B 92上分别形成正、负极性的高压脉冲，经传输线传输到负载10，负载10两端典型的对地电压波形如图3所示，可分别获得+15 kV和-15kV的对地电位，负载两端的脉冲峰值电压为30kV，脉冲上升沿约为10ns。

实施例3

一体化双子多间隙火花开关示意图如图4所示，当开关间隙为4个时，包括相同结构的电极板A 12、电极板B 13、电极板C 14、电极板D 15、电极板E 16，其中位于中间的电极板C 14上带有触发电极17，具体地，以电极板E 16为例，包括绝缘板18和两个金属电极19，两个金属电极19嵌入绝缘板18对应的两个孔中，两个金属电极19之间设置爬电槽，当电极板A 12、电极板B 13、电极板C 14、电极板D 15、电极板E 16如图平行组合布置之后，两组平行的5个平行金属电极分别构成对应的多间隙火花开关B 77和火花开关C78。

实施例4

具体地，图5提供一种利用双极性脉冲发生装置驱动平行电极针消融组织的方法，传输线A 91和传输线B 92的输入端与双极性陡脉冲发生装置1的BNC接头8相连，传输线A91和传输线B 92的输入端分别与消融电极针A 20和消融电极针B 21相连，消融电极针A 20和消融电极针B 21平行插入目标组织22中，如肝脏组织，根据手术规划，通过触摸控制屏2控制高压脉冲信号传递到组织22中。

实施例5

具体地，图6提供一种利用双极性陡脉冲发生装置驱动同轴电极针消融组织的方法，传输线A 91和传输线B 92的输入端与双极性陡脉冲发生装置1的BNC接头8相连，传输线91和传输线B 92的输入端分别与同轴消融电极针C 23和同轴消融电极针D 24相连，同轴消融电极针C 23和同轴消融电极针D 24根据需要插入目标组织22中，如肝脏组织，根据手术规划，通过触摸控制屏2控制高压脉冲信号传递到组织22中。

实施例6

具体地，图7提供控制模块输出间歇式脉冲控制信号25的典型示意图，图中脉冲控制信号的频率为100Hz，间歇工作时间为0.1 s，在0.1 s内脉冲个数为10个，循环周期为1s，若设置脉冲控制信号频率为500Hz，则在0.1 s内脉冲个数为50个；若设置间歇工作时间为0.2 s，则在一个循环周期内发出100个脉冲控制信号，脉冲控制信号的频率、间歇工作时间、循环周期均可调，若以心电信号触发脉冲输出，可以选择在100ms心电不应期内输出几十个高压陡脉冲。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种同步双极性脉冲电场组织消融装置，包括控制模块、充电模块、高压脉冲形成模块、传输线，其中充电模块由主板和变压器构成，其特征在于：

所述充电模块中的主板上的电容A（48）与开关A（ 49）串联后与脉冲变压器（5）的原边并联构成能量回收反向复位电路，提高变压器脉冲能量传递能力和效率，利于变压器小型化；

所述高压脉冲形成模块中的开关为一体化双子多间隙火花开关：

所述一体化双子多间隙火花开关由多个相同结构的电极板集成，每个电极板包括绝缘板（18）和两个金属电极（19），两个金属电极（19）嵌入绝缘板（18）对应的两个孔中，两个金属电极（19）之间设置爬电槽，两组平行的多个等间距金属电极分别构成对应的双子多间隙火花开关B（77）和火花开关C（78），

所述一体化双子多间隙火花开关的工作气体介质为空气、氮气或氢气，工作在封闭或开放的腔体内，吹气或非吹气状态，大气压、高气压或低气压状态；

所述高压脉冲形成模块中，二极管A （73）和二极管B（ 75）用于脉冲变压器（5）的副边对高压电容B （74）悬浮充电；高压电容B （74）的两端分别经过火花开关B（ 77）和火花开关C （78）与传输线A（ 91）和传输线B（ 92）的输入端的内导体相连；传输线A （91）和传输线B（92）输入端的外导体并联接地；

所述传输线A （91）和传输线B（92）输出端的内导体与负载两端相连，传输线A（91）和传输线B（92）输出端的外导体连接在一起；

所述控制模块，由控制芯片经外部触发或内部设置输出连续脉冲控制信号或间歇式脉冲控制信号。

2.根据权利要求1所述的一种同步双极性脉冲电场组织消融装置，其特征在于所述的高压脉冲形成模块中的开关为一体化双子火花间隙开关、半导体开关、闸流管开关或磁开关。

3.根据权利要求1所述的一种同步双极性脉冲电场组织消融装置，其特征在于所述的高压电容B（74）为高压陶瓷电容、人工形成线、传输线或Blumlein线。

4.根据权利要求1所述的一种同步双极性脉冲电场组织消融装置，其特征在于所述的主板上的电源（40）可以为直流电源、交流电源或电池。

5.根据权利要求1所述的一种同步双极性脉冲电场组织消融装置，其特征在于所述的主板上的开关D（42）、开关E（47）、开关A（49）为IGBT、MOSFET或闸流管。

6.根据权利要求1所述的一种同步双极性脉冲电场组织消融装置，其特征在于所述的传输线为单根传输线或由多根传输线串并联构成。

7.根据权利要求1所述的一种同步双极性脉冲电场组织消融装置，其特征在于所述的充电模块由主板和变压器构成，或由直流充电、交流充电、基于全桥逆变的充电电路构成。

8.根据权利要求1所述的一种同步双极性脉冲电场组织消融装置，其特征在于所述的负载为生物组织、肿瘤、细胞或微生物。