ES2820852T3 - Sistema electrónico modular, que tiene potencia variable para generar impulsos eléctricos - Google Patents

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Pinilla José Miguel Burdio
Pallares Alejandro Naval
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Universitat Pompeu Fabra UPF
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Abstract

La invención se refiere a un sistema electrónico modular de potencia variable para la generación de pulsos eléctricos unipolares o bipolares y sus usos asociados. Dicho sistema comprende uno o más módulos (2) de generación de pulsos eléctricos conectables en serie; una unidad de carga (1) de los módulos (2) de generación de pulsos; y una unidad de control (3) de los módulos de (2) generación y de la unidad de carga (1). Ventajosamente, cada módulo (2) de generación comprende un rectificador AC/DC (8) y un inversor DC/AC (9) conectado a dicho rectificador AC/DC (8), configurado en puente para la generación de pulsos o trenes de pulsos eléctricos bipolares de salida. Asimismo, la unidad de carga (1) comprende un convertidor DC/DC elevador (6) conectado a un inversor DC/AC indirecto (5). El sistema de la invención proporciona, al mismo tiempo, una elevada versatilidad para adaptarse a diferentes aplicaciones, y altos valores en sus niveles de tensión y corriente de salida.

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema electrónico modular, que tiene potencia variable para generar impulsos eléctricos
Campo de la invención
La presente invención está comprendida en el campo técnico de dispositivos de electroporación pensados para su uso en tratamientos médicos para mejorar la absorción de productos medicinales o la destrucción de células tumorales. Más específicamente, la invención se refiere a un sistema electrónico de potencia modular y variable para generar impulsos eléctricos unipolares y bipolares. El sector de mayor interés de la invención es el sector de la biomedicina, aunque también puede aplicarse en otros sectores, tales como la esterilización en la industria alimentaria.
Antecedentes de la invención
La electroporación o electropermeabilización es una técnica usada en medicina que consiste en aplicar un campo eléctrico pulsado a un organismo vivo de modo que este experimenta, al nivel de membrana celular, cambios que pueden ser temporales o permanentes dependiendo de la intensidad del campo aplicado.
Dichos impulsos eléctricos se producen mediante generadores que tienen diferentes características que varían dependiendo de la técnica de electroporación que va a usarse o del problema que va a resolverse. Cuando la tensión que pasa a través de una membrana plasmática supera su rigidez dieléctrica, se forman poros, que pueden cerrarse después de un determinado periodo de tiempo. En los casos en que la apertura de los poros es temporal y reversible, pueden introducirse compuestos extracelulares en la célula por motivos terapéuticos. Alternativamente, los poros pueden permanecer abiertos de manera irreversible, produciendo muerte celular por apoptosis. En este contexto, la reversibilidad de la técnica, así como el tamaño de los poros y la duración que permanecen abiertos depende de la intensidad del campo eléctrico aplicado y del tiempo que se expone la célula a dicho campo.
La electroporación irreversible (o “IRE”) es una técnica de ablación no térmica que está ganando mucho interés hoy en día para el tratamiento de determinados tipos de tumor con resistencia aumentada. Consiste en aplicar campos eléctricos intensos para el objetivo de provocar la permeabilización de las membranas celulares del tejido para provocar la muerte celular. Algunas ventajas de esta técnica con respecto a técnicas de ablación tumoral convencionales son la posibilidad de tratar regiones cerca de vasos sanguíneos grandes puesto que el enfriamiento térmico no les afectará, o de preservar el tejido conjuntivo, vasos sanguíneos y otros conductos. Para conseguir la irreversibilidad en la técnica de electroporación, el generador debe alcanzar un alto nivel de tensión y corriente, el umbral del cual varía dependiendo del tipo de células que van a tratarse.
Los generadores de impulsos unipolares pensados para aplicaciones médicas hoy en día tienen niveles de tensión máxima insuficientes para uso eficaz y extendido en técnicas de electroporación. Este es el caso, por ejemplo, del sistema divulgado en Review of Scientific Instruments 78, 034702 (2007), en el artículo científico titulado “Analysis of a modular generator for high-voltage, high-frequency pulsed applications, using low voltage semiconductors (1 kV) and series connected step-up (1:10) transformers” (L.M. Redondo et al.), que describe un generador modular que produce impulsos unipolares que, a pesar de ser de tensión alta, todavía están por debajo de los niveles de tensión requeridos para las aplicaciones descritas en el presente documento. Otro caso similar es el sistema divulgado en la solicitud de patente WO 2011/017802 A1 (S. Jayaram et al.) que describe un generador eléctrico que tiene una pluralidad de módulos conectados en cascada y que producen impulsos unipolares que tienen una tensión de salida variable, dependiendo del número de módulos que se incluyen en el sistema.
De esta manera, aunque los generadores modulares conocidos permiten resolver algunas deficiencias de técnicas convencionales, están limitados en cuanto a las tensiones y corrientes máximas que pueden alcanzar, y también pueden tener limitaciones importantes en cuanto a la duración y capacidad de configuración de los impulsos generados, dificultando la aplicación de los mismos en el campo de electroporación irreversible de tejidos tumorales.
Asimismo, los generadores existentes para la aplicación de los mismos en electroporación irreversible que son capaces de ofrecer las tensiones y corrientes de salida requeridas son, sin embargo, bastante no versátiles, porque permiten obtener un intervalo limitado de tensiones y su uso está asimismo limitado a determinados tipos específicos de células o situaciones.
Según lo que se ha descrito en los párrafos anteriores, existe la necesidad en el presente campo técnico de alternativas que permitan resolver los problemas descritos a efectos de de lograr valores de tensión y corriente de salida adecuados para su uso extendido en electroporación irreversible, así como versatilidad de dispositivo que permita adaptar dicho dispositivo a una amplia variedad de situaciones o aplicaciones médicas.
La presente invención está pensada para resolver dichos problemas por medio de un novedoso sistema modular para generar impulsos eléctricos unipolares o bipolares de alta tensión.
Breve descripción de la invención
Por tanto, un objeto de la presente invención es proporcionar una tecnología de generador de impulsos basada en una estructura modular e impulsos unipolares o bipolares, que permite mayor versatilidad y mayor tensión de salida que generadores del estado de la técnica. Para este fin, la invención propone un generador de alta tensión basado en un sistema electrónico modular de potencia versátil que incluye una unidad de control y permite adaptar la intensidad y otras características de los impulsos eléctricos a cada aplicación específica, dependiendo del número de módulos que hay. Dicho generador se aplica preferiblemente en electroporación, donde puede adaptarse a diferentes problemas u órganos específicos dada la versatilidad del sistema modular y la capacidad de conseguir niveles de tensión y corriente altos.
El objeto mencionado de la invención se lleva a cabo preferiblemente por medio de un sistema que comprende:
- uno o más módulos de generación de impulsos eléctricos, en el que dichos módulos pueden conectarse en serie o en paralelo. Por medio de la conexión en serie, la tensión de salida de dichos impulsos es la suma de las tensiones de salida individuales de cada módulo. Por medio de la conexión en paralelo, la corriente total es la suma de las corrientes de cada módulo.
- una unidad de carga para los módulos de generación;
- una unidad de control para los módulos de generación y la unidad de carga.
Ventajosamente, los módulos de generación se acoplan a la unidad de carga por medio de transformadores de aislamiento, estando dicha unidad de carga dispuesta como la principal de los transformadores, y los módulos de generación como los secundarios de los transformadores.
Asimismo, cada módulo de generación preferiblemente comprende un rectificador de CA/CC conectado a la salida de su transformador respectivo, y un inversor de CC/CA conectado a dicho rectificador de CA/CC en una configuración de puente para generar impulsos o trenes de impulsos de salida eléctricos; y la unidad de carga comprende un convertidor elevador de CC/CC conectado a un inversor de CC/CA indirecto, en el que dicho inversor de CC/CA se conecta a la entrada de la principal del transformador.
Se obtiene mayor tensión e intensidad en los impulsos debido a su naturaleza bipolar y a la posibilidad de añadir módulos tanto en serie como en paralelo a la arquitectura del dispositivo, que a su vez proporciona una solución técnica que añade versatilidad a los dispositivos. También se consiguen impulsos bipolares en la presente invención como resultado de la configuración de puente del inversor en el interior de cada módulo de generación.
Más específicamente, el generador de la invención permite obtener impulsos con un alto nivel de tensión (del orden de 10-15 kV pico a pico) y un alto nivel de corriente (400-600 A pico a pico), superando con creces a los generadores que están disponibles hoy en día en las instalaciones clínicas, y obteniendo, en aplicaciones médicas, más del doble de tensión y más de cinco veces la corriente obtenida con las tecnologías existentes en el mercado. Esto significa que con el generador de la invención, es posible conseguir volúmenes de ablación que son mucho mayores que los volúmenes que pueden conseguirse hoy en día, y al no usar un transformador de baja frecuencia, se proporciona una solución más compacta y ligera en comparación con la solución ofrecida por los generadores actuales.
Por otro lado, el diseño modular propuesto por el sistema de la invención permite usar el número de módulos necesarios para conseguir la tensión requerida en una aplicación dada. De ese modo, se obtiene una mayor versatilidad en la tensión de salida por medio de impulsos y trenes de impulsos unipolares o bipolares, que tienen una anchura (desde 1 |is) y un número de impulsos que es completamente configurable. Esta capacidad de configuración conduce a las siguientes ventajas técnicas:
• Atenuar el efecto de reacciones electroquímicas. Estas reacciones son dañinas tanto para los electrodos como para los tejidos orgánicos.
• Eliminar la formación de burbujas de hidrógeno y oxígeno por hidrólisis.
• Menor neuroestimulación que conduce a una activación muscular indeseada.
• Posibilidad de aplicar ráfagas rápidas de impulsos cortos, que reducen significativamente el tiempo de tratamiento total.
Como una ventaja adicional, el sistema de la invención no requiere usar un transformador en la salida. Esto constituye una diferencia clave ya que obtiene una impedancia de salida que es mucho menor, y por tanto está menos afectado por la carga. Este aspecto es muy importante en electroporación ya que tanto los electrodos como el tejido que va a conectarse son altamente variables en cuanto a carga. Por tanto, la invención permite garantizar una forma de tensión de onda cuadrada en la salida en todo momento.
En una realización preferida de la invención, uno o más módulos de generación de impulsos comprenden un bloque de CA/CC auxiliar, alimentado por la salida del transformador de aislamiento, y asimismo conectado al rectificador de CA/CC y al inversor de CC/CA para generar una tensión para alimentar los mismos. A su vez y de manera similar, la unidad de carga preferiblemente comprende un bloque de CC/CC auxiliar, conectado al convertidor elevador de CC/CC y al inversor de CC/CA indirecto para generar una tensión para alimentar los mismos.
En otra realización preferida de la invención, la frecuencia del inversor de CC/CA indirecto de la unidad de carga es igual a o mayor de 200 kHz, y la tensión de aislamiento de los transformadores es preferiblemente igual a o mayor de 15 kV.
En otra realización preferida de la invención, el generador incluye una arquitectura de control basada en un dispositivo lógico programable (FPGA) que permite la implementación actual y futura de funciones de sincronización avanzadas con ECG, protecciones, automatización de tratamientos, etc. De ese modo se consigue un mayor grado de versatilidad y adaptación de los impulsos de la tensión de salida al tratamiento que va a realizarse.
La unidad de control del sistema de la invención proporciona asimismo la capacidad de programar el número de módulos de generación activos mientras que se aplican los impulsos. Esto permite variar rápidamente la magnitud de los impulsos o trenes de impulsos aplicados, configurando de ese modo la forma de los mismos (por ejemplo, es posible aplicar impulsos o trenes de impulsos en la forma de un escalón). Esta capacidad es de interés, por ejemplo, en aplicaciones relacionadas con transfección de genes asistida por electroporación (o “electrotransferencia de genes”). Se ha demostrado en este campo de aplicación de electroporación que protocolos que consisten en un impulso corto de alta magnitud, seguido por otro impulso largo de baja magnitud, son más eficaces que dos o más impulsos cortos de alta magnitud.
En otra realización preferida de la invención, la unidad de control comprende al menos una conexión con los módulos de generación y al menos una conexión con la unidad de carga, estando dichas conexiones aisladas por medio de fibras ópticas. De ese modo se consigue aislamiento mejorado que aumenta la seguridad cuando se usa el sistema.
En otra realización preferida de la invención, el generador se alimenta por medio de baterías, y no a través de conexión directa a la red eléctrica como en generadores usados hoy en día, mejorando de ese modo la seguridad y aislamiento durante el uso, y facilitando el procedimiento de normalización y conformidad con regulaciones de compatibilidad electromagnética.
En otra realización preferida de la invención, el generador comprende un subsistema de comunicación inalámbrica para comunicación por medio de una conexión WiFi con un ordenador, a través de la cual pueden configurarse diversos parámetros tales como polaridad, amplitud, el número de impulsos en cada ráfaga, el número de ráfagas y su frecuencia de repetición. Esta posibilidad de control inalámbrico aumenta significativamente la seguridad y facilidad de aplicación.
Otro objeto de la presente invención se refiere a los usos asociados del sistema, que comprenden aplicaciones para esterilización de alimentos, tratamiento de residuos, control de contaminación, tratamiento de metales o semiconductores, ensayos de biología molecular y/o tratamientos médicos o cosméticos. Los usos del sistema asociado con ensayos de biología molecular y tratamientos médicos y/o cosméticos preferiblemente comprenden las aplicaciones de electroporación.
Descripción de los dibujos
La figura 1 muestra un diagrama de bloques del sistema electrónico de potencia modular y versátil de la invención según una realización preferida del mismo.
Descripción detallada de la invención
A continuación se proporciona una descripción detallada de la invención en referencia a una realización preferida de la misma basada en la figura 1 en el presente documento. Dicha realización se proporciona para ilustrar y no limitar la invención reivindicada.
Tal como se describió en las secciones anteriores, el generador de alta tensión propuesto por la presente invención se basa en un sistema electrónico de potencia modular y versátil que permite adaptar el diseño a la tensión de salida y a las características de los impulsos requeridos, dependiendo de la aplicación o tratamiento específico que va a aplicarse.
Dicha figura 1 muestra el diagrama de bloques general del sistema electrónico de potencia modular de la invención, en el que dicho sistema esencialmente comprende una unidad (1) de carga, uno o más módulos (2) de generación de impulsos en una configuración rectificador-inversor, y una unidad (3) de control. Los módulos (2) de generación de impulsos se conectan a la unidad (1) de carga por medio de acoplamiento magnético a través de un transformador (4) de aislamiento.
La unidad (1) de carga se forma preferiblemente mediante un inversor (5) de CC/CA indirecto de alta frecuencia, que se conecta a un convertidor (6) elevador de CC/CC aguas arriba. La función principal de dicha unidad (1) de carga es cargar cada uno de los módulos (2) de generación hasta la tensión requerida por medio del transformador (4) de aislamiento por medio del cual se acoplan dicha unidad (1) de carga y dichos módulos (2) de generación. Es importante señalar que el aislamiento requerido (mayor de 15 kV) se consigue como resultado del acoplamiento por medio del transformador (4), y una implementación compacta del sistema debido a la alta frecuencia de funcionamiento (normalmente 200 kHz).
Además de los elementos anteriores, la unidad (1) de carga comprende un bloque (7) de CC/CC auxiliar que se encarga de suministrar una tensión de suministro Vaux,p para controlar el inversor (5) de CC/CA y el convertidor (6) elevador de CC/CC.
A su vez, los módulos (2) de generación de impulsos, dispuestos en el secundario del transformador (4) de aislamiento del sistema se encargan de generar la tensión de salida que se aplicará durante el tratamiento de electroporación. Cada módulo (2) preferiblemente consiste en un rectificador (8) de Ca /CC y un inversor (9) de CC/CA, basándose en una configuración de puente, para tener la capacidad de generar impulsos de tensión de salida bipolares en cada módulo (2).
Similar a la disposición de los elementos de la unidad (1) de carga, cada módulo (2) de generación de impulsos puede comprender un bloque (10) de CA/CC auxiliar, también alimentado desde el secundario del transformador (4) de aislamiento, que se encarga de generar las tensiones de suministro Vauxs del rectificador (8) de CA/CC y el inversor (9) de CC/CA.
Los módulos (2) de generación de impulsos del sistema de la invención pueden interconectarse en serie, dando lugar a una tensión de salida el valor de la cual será la suma de las tensiones generadas por cada uno de los módulos (2) de generación de manera independiente. Asimismo, los módulos pueden conectarse en paralelo, de modo que la corriente suministrada será la suma de las corrientes de cada módulo. La invención proporciona de ese modo una fase de potencia variable que permite adaptarse a las necesidades del tratamiento que va a realizarse para generar los niveles de tensión y corriente requeridos.
Tal como se describió anteriormente, el sistema de la invención también comprende una unidad (3) de control que se encarga de controlar el sistema electrónico de potencia formado por la unidad (1) de carga y cada uno de los módulos (2) de generación de impulsos. Las señales de control de los módulos (2) de generación se emiten preferiblemente usando un dispositivo lógico programable (FPGA) integrado en dicha unidad (3) de control. Merece la pena observar que la generación de las señales de control por medio de FPGA permite un mayor grado de versatilidad y adaptación de los impulsos de tensión de salida al tratamiento que va a realizarse. Esto no es posible en sistemas comerciales actuales que tienen varias limitaciones en cuanto a los tipos de impulsos de tensión que son capaces de generar.
Tal como se mencionó en las secciones anteriores, la unidad (3) de control está configurada preferiblemente con medios de programación para programar el número de módulos (2) de generación activos del sistema mientras que se aplican los impulsos, lo que permite una variación rápida de la magnitud de los impulsos o trenes de impulsos aplicados, configurando la forma de los mismos.
De manera complementaria, y debido a los estrictos requisitos de aislamiento impuestos por regulaciones que regulan el uso y seguridad de dispositivos de electroporación, las señales de control se aíslan preferiblemente por medio de fibras (11, 12) ópticas.
Finalmente, el sistema de la invención se comunica preferiblemente a través de medios inalámbricos, por ejemplo, por medio de una red WiFi conectada a un ordenador remoto (no mostrado en la figura 1), a través del cual se configuran la polaridad, amplitud, el número de impulsos en cada ráfaga, el número de ráfagas y su frecuencia de repetición.
El sistema de la invención proporciona resultados satisfactorios tanto en los tratamientos de tejidos de plantas como en los tratamientos de tejidos de animales vivos.

Claims (13)

  1. REIVINDICACIONES
    i. Sistema electrónico modular de potencia variable para generar impulsos eléctricos unipolares o bipolares, que comprende:
    - uno o más módulos (2) de generación de impulsos eléctricos, en el que dichos módulos (2) pueden conectarse en serie o en paralelo, de modo que la tensión y/o corriente de salida de los impulsos es respectivamente la suma de las tensiones y/o corrientes de salida individuales de cada módulo (2);
    - una unidad (1) de carga para alimentar los módulos (2) de generación de impulsos; y
    - una unidad (3) de control para controlar los módulos (2) de generación y la unidad (1) de carga;
    en el que los módulos (2) de generación se acoplan a la unidad (1) de carga por medio de un transformador (4) de aislamiento, estando dicha unidad (1) de carga conectada al primario del transformador (4), y los módulos (2) de generación están conectados al secundario de los transformadores (4);
    el sistema caracterizado porque
    - cada módulo (2) de generación comprende un rectificador (8) de CA/CC conectado a una salida del secundario del transformador (4), y un inversor (9) de CC/CA que tiene una configuración de puente conectado a la salida de dicho rectificador (8) de CA/CC para generar los impulsos o trenes de impulsos de salida eléctricos; y porque
    - la unidad (1) de carga comprende un convertidor (6) de CC/CC conectado a un inversor (5) de CC/CA, en el que dicho inversor (5) de CC/CA está conectado al primario del transformador (4).
  2. 2. Sistema según la reivindicación anterior, en el que uno o más módulos (2) de generación comprenden un bloque (10) de CA/CC auxiliar, alimentado por la salida del transformador (4) de aislamiento, y conectado también al rectificador (8) de CA/CC y al inversor (9) de CC/CA para generar una tensión para la alimentación de ambos.
  3. 3. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la unidad (1) de carga comprende un bloque (7) de CC/CC auxiliar, conectado al convertidor (6) de CC/CC y al inversor (5) de CC/CA para generar una tensión para la alimentación de ambos.
  4. 4. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la frecuencia del inversor (5) de CC/CA de la unidad (1) de carga es igual a o mayor de 200 kHz.
  5. 5. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la tensión de aislamiento del transformador (4) es igual a o mayor de 15 kV.
  6. 6. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la unidad (3) de control puede programarse para controlar la activación de los módulos (2) de generación mientras que se generan los impulsos, para variar la magnitud de los impulsos o trenes de impulsos aplicados.
  7. 7. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la unidad (3) de control comprende al menos una conexión con los módulos (2) de generación y al menos una conexión con la unidad (1) de carga, estando dichas conexiones aisladas por medio de fibras (11, 12) ópticas.
  8. 8. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la unidad (3) de control está configurada con medios de programación para programar el número de módulos (2) de generación activos del sistema durante la aplicación de los impulsos.
  9. 9. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende baterías para alimentar la unidad (1) de carga, los módulos (2) de generación y la unidad (3) de control.
  10. 10. Sistema según las reivindicaciones anteriores, que comprende al menos un subsistema de comunicación para comunicación con un ordenador, para la configuración de polaridad, amplitud, número de impulsos o tresnes de impulsos y/o la frecuencia de repetición de los mismos.
  11. 11. Sistema según la reivindicación anterior, en el que el subsistema de comunicación comprende una conexión inalámbrica con el ordenador a través de WiFi.
  12. 12. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores para su uso en aplicaciones para esterilización de alimentos, tratamiento de residuos, control de contaminación, tratamiento de metales o semiconductores, ensayos de biología molecular y/o tratamientos médicos o cosméticos.
  13. 13. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores para su uso en técnicas de electroporación.
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