CN106388929A - 一种隔离式方波不可逆电穿孔仪 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电子与医疗器械技术，特别涉及肿瘤不可逆性电穿孔治疗仪器，具体涉及一种隔离式方波不可逆电穿孔仪，包括电源变换电路、储能电路、隔离式变换电路、信号控制器、电极、采集输出单元和电源，电源的输出端与电源变换电路连接，电源变换电路依次通过储能电路与隔离式变换电路连接，隔离式变换电路分别与电极的正极、采集输出单元连接，该采集输出单元的输出端与隔离式变换电路的调节输入端连接，信号控制器分别与电源变换电路的控制、隔离式变换电路连接，储能电路还与所述电源变换电路连接。本发明采用隔离式变换提高了不可逆性电穿孔仪的电气安全性，能减少电穿孔过程中热量的产生，可以用于实体肿瘤治疗的在体或离体治疗实验研究。

Description

一种隔离式方波不可逆电穿孔仪
技术领域
本发明属于电子与医疗器械技术，特别涉及肿瘤不可逆性电穿孔治疗仪器，具体涉及一种隔离式方波不可逆电穿孔仪。
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、脉出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、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。
电脉冲与化疗药物相结合***，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，而副作用更小。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。
经过各国学者多年的研究证实，不可逆电穿孔所用脉冲电场强度为1.5kV/cm，脉冲宽度为100μs时治疗效果最为明显，因此临床用电穿孔仪采用脉冲幅度为3kV，脉冲宽度为100μs的方波脉冲，最大输出电流可达50A，脉冲功率将达到150kW。每次治疗脉冲数为90个，脉冲时间间隔为100～1000ms，一次治疗可创建约2cm×2cm×3cm的消融区，这个脉冲宽度和脉冲功率如果利用脉冲变压直接隔离，设备的重量将变得不可接受，因此，目前大多数采用储能电容直接放电方式，如果在一次脉冲结束时，方波电压的幅度下降5％，则储能电容的容量为33μF。因此放电之前，储能电容器需要储存145J的能量，这相当于体外除颤器放电时释放的能量，这就要求放电电路必须非常可靠，否则，一旦发生故障，储能电容中的能量将全部释放给患者，这将会带来灾难性后果。
发明内容
本发明的目的为解决现有技术的上述问题和不足，本发明提供了一种隔离式方波不可逆电穿孔仪，本发明的不可逆电穿仪输出波形为方波，能减少电穿孔过程中热量的产生，使活细胞产生不可逆性电击穿，可以用于实体肿瘤治疗的在体或离体治疗实验研究，提高了不可逆性电穿孔仪的电气安全性，为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种隔离式不可逆电穿孔仪，包括电源变换电路、储能电路、隔离式变换电路、信号控制器、电极、采集输出单元和电源，所述电源的输出端与电源变换电路连接，该电源变换电路依次通过储能电路与隔离式变换电路的信号输入端连接，隔离式变换电路的输出端分别与电极的正极、采集输出单元的输入端连接，该采集输出单元的输出端与隔离式变换电路的调节输入端连接，所述信号控制器分别与电源变换电路的控制输入端、隔离式变换电路的控制输入端连接，所述储能电路的电压输出端还与所述电源变换电路的调节输入端连接。
较佳地，所述电源变换电路包括脉宽调制电路、升压电路、滤波电路和整流电路，所述脉宽调制电路的信号输出端与升压电路的控制端连接，该升压电路的通过滤波电路与所述整流电路的输入端连接，所述电源还分别与所述升压电路、滤波电路的输入端连接，所述整流电路的输出端与储能电路连接，所述储能电路的输出端通过所述隔离式变换电路与所述电极的正极连接，所述储能电路的输出端还与所述脉宽调制电路的调节输入端连接，所述隔离式变换电路的输出端通过所述采集输出单元的输出端与隔离式变换电路的调节输入端连接。
较佳地，所述脉宽调制电路包括PWM控制器、电阻R1、电阻R2、电阻R3、可调电阻R4、电阻R5、电容C1和电容C2，所述升压电路包括场效应管Q1、场效应管Q2和升压变压器T1，所述储能电路包括电容C3和电容C4，所述整流电路包括二极管D1和二极管D2，所述电阻R1的一端与PWM控制器的振荡放电输出端连接，所述电阻R2的一端与PWM控制器的振荡定时电阻输入端连接，电容C1的一端与PWM控制器的振荡定时电容输入端连接，所述电阻R1的另一端、电阻R2的另一端和电容C1的另一端都与地连接，所述电阻R3的一端、可调电阻R4的一端、可调电阻R4的中心抽头与PWM控制器反相误差输入端连接，可调电阻R4的另一端与地连接，所述PWM控制器的第一互补输出端与场效应管Q1的栅极连接，PWM控制器的第二互补输出端与场效应管Q2的栅极连接，所述场效应管Q1的漏极与升压变压器T1原边抽头的一端连接，该场效应管Q1的源极分别与PWM控制器的外部关断信号输入端、电阻R5的一端、场效应管Q2的源极连接，所述电阻R5的另一端与地连接，所述场效应管Q2的漏极与升压变压器T1原边抽头的另一端连接，升压变压器T1的中心抽头分别与所述电源的输入端、滤波电路连接，所述升压变压器T1副边抽头的一端分别与二极管D1的阳极、二极管D2的阴极连接，所述升压变压器T1副边抽头的另一端分别与电容C3的负极、电容C4的正极连接，所述电容C3的正极分别与电阻R3的另一端、二极管D1的阴极、隔离式变换电路的信号输入端连接，该隔离式变换电路的变换输出端通过采集输出单元反馈输入至隔离式变换电路的调节输入端，所述电容C4的负极与地连接，所述PWM控制器的电容输入端与信号控制器的输入/输出控制端口连接。
较佳地，所述电源为0～36V的交流电压，频率为30～100kHz。
较佳地，所述PWM控制器输出的频率为50kHz的方波脉冲信号，该PWM控制器采用的型号为SG3525芯片，所述场效应管Q1和场效应管Q2采用的型号为IRF540作为开关管。
较佳地，所述电容C3、电容C4的容值不低于2200μF，耐压值不低于450V。
较佳地，所述隔离式变换电路包括高速脉宽调制控制器、第一数字隔离驱动器、第二数字隔离驱动器、第一功率放大器、第二功率放大器、第三功率放大器、第四功率放大器、隔离变压器T2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、电感L1和电容C6，所述采集输出单元包括电阻R6、电流传感T3和可调电阻R7，所述第一数字隔离驱动器的使能端、第二数字隔离驱动器的使能端分别与信号控制器的输入/输出控制端口连接，所述高速脉宽调制控制器的第一输出控制端与第一数字隔离驱动器的第一输入端、第二数字隔离驱动器的第二输入端端连接，所述高速脉宽调制控制器的第二输出控制端与第一数字隔离驱动器的第二输入端、第二数字隔离驱动器的第一输入端连接；
所述第一功率放大器的漏极、第三功率放大器的漏极与所述储能电路的输出端连接，第一功率放大器栅极与第一数字隔离驱动器的第一驱动输出端连接，第一功率放大器的源极与地连接，第二功率放大器的栅极与第一数字隔离驱动器的第二驱动输出端连接，第二功率放大器的源极与地连接，第三功率放大器的栅极与第二数字隔离驱动器的第一驱动输出端连接，所述第四功率放大器的栅极与第二数字隔离驱动器的第二驱动输出端连接，所述第四功率放大器的源极与地连接，所述第一功率放大器的源极、第二功率放大器的漏极与隔离变压器T2原边的一抽头连接，所述第三功率放大器的源极、第四功率放大器的漏极与隔离变压器T2原边的另一抽头连接，所述隔离变压器T2副边的一抽头与二极管D3的阳极、二极管D5的阴极连接，所述隔离变压器T2副边的另一抽头与二极管D4的阳极、二极管D6的阴极连接连，所述二极管D3的阴极、二极管D4的阴极分别与电感L1的一端连接，电感L1的一端分别与电阻R6的一端、电容C6的正极、电极的正极连接，所述电极的负极分别与二极管D5的阳极、二极管D6的阳极、电容C6的负极、电流传感T3原边的一抽头连接，所述电流传感T3原边的另一抽头与电阻R6的另一端连接，该电流传感T3副边的一抽头分别与可调电阻R7的一端、可调电阻R7的中心抽头、PWM控制器反相误差输入端连接，电流传感T3副边的另一抽头、可调电阻R7的另一端分别与地连接。
较佳地，所述第一数字隔离驱动器、第二数字隔离驱动器采用型号为Si82390芯片，所述高速脉宽调制控制器采用的型号为UC3825控制芯片，所述第一功率放大器、第二功率放大器、第三功率放大器、第四功率放大器采用碳化硅功率MOSFET管或IGBT功率管，该碳化硅功率MOSFET管或IGBT功率管的击穿电压为1200V。
较佳地，所述碳化硅功率MOSFET管采用的型号为C2M0025120D功率管。
综上所述，本发明由于采用了上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
(1)、本发明采用隔离式变换技术，提高了不可逆性电穿孔仪的电气安全性，降低了设备的体积，减少了设备的重量，隔离式变换输出的波形为方波，能减少电穿孔过程中热量的产生；
(2)、隔离式脉冲变换器输出的电压采用隔离式电流传感检测输出电压，提高了稳压器的响应速度，稳定了输出电压的幅度，降低了变换器的输出阻抗以及降低了对储能电容器的充电电压要求，因而降低了对开关器件的耐压要求。
(3)、采用隔离式脉冲变换器，可根据增加变压器的变比提高输出脉冲的幅度，扩大单次消融的治疗范围，对隔离式脉冲变换的输出波形采用LC滤波器降低了输出的纹波，改善输出脉冲的上升沿河下降沿波形。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实例或现有技术中的技术方案，下面将对实施实例或现有技术描述中所需要的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一种隔离式方波不可逆电穿孔仪的原理框图。
图2是本发明的电源变换电路原理框图。
图3是本发明的电源变换电路的工作原理图。
图4是本发明的隔离式变换电路的工作原理图。
图5是本发明的信号控制器输出波形图。
图6是本发明的升压变压器变换后输出的波形图。
图7是本发明的电极的输出波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，一种隔离式方波不可逆电穿孔仪，包括电源变换电路1、储能电路2、隔离式变换电路3、信号控制器4、电极5、采集输出单元6和电源7，所述电源7的输出端与电源变换电路1连接，该电源变换电路1依次通过储能电路2与隔离式变换电路3的信号输入端连接，该隔离式变换电路3的输出端分别与电极5的正极、采集输出单元6的输入端连接，该采集输出单元6的输出端与隔离式变换电路3的调节输入端连接，所述信号控制器4分别与电源变换电路1的控制输入端、隔离式变换电路3的控制输入端连接，所述储能电路3的电压输出端还与所述电源变换电路1的调节输入端连接。所述电源7为0～36V的直流电压，频率为30～100kHz。本发明实施例中，是通过开关电源模将220V市电降压后产生隔离输出的24V电源电压，通过使用24V电源电压对储能电路2进行充放电，以确保输出脉冲的幅度大小，储能电路2输出的储能电压经隔离式变换电路3为电极5提供高能量脉冲，为了提高隔离式变换电路3输出的脉冲幅度、降低输出电路中的放电开关的耐压、提高放电速度，储能电路2采用多个电容进行并联或串联储能进行充放电的工作方式，通过控制隔离式变换电路3的工作时间即可获得所需的方波脉冲，脉冲的幅度确定脉冲在肿瘤组织中形成的电场强度，而电场强度决定消融范围和消融效果，电场强度过低，达不到形成不可逆性电穿孔的电场强度，而电场强度过高会损伤正常组织。
在本发明实施例中，结合图1、图2和图3所示，所述电源变换电路1包括脉宽调制电路100、升压电路101、滤波电路102和整流电路103，所述脉宽调制电路100的信号输出端与升压电路101的控制端连接，该升压电路101的通过滤波电路102与所述整流电路103的输入端连接，所述电源7还分别与所述升压电路101、滤波电路102的输入端连接，所述整流电路103的输出端与储能电路2连接，所述储能电路2的输出端通过所述隔离式变换电路3与所述电极5的正极连接，所述储能电路2的输出端还与所述脉宽调制电路100的调节输入端连接，所述隔离式变换电路3的输出端通过所述采集输出单元6的输出端与隔离式变换电路3的调节输入端连接；所述脉宽调制电路100包括PWM控制器IC1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、可调电阻R4、电阻R5、电容C1和电容C2，所述升压电路101包括场效应管Q1、场效应管Q2和升压变压器T1，所述储能电路2包括电容C3和电容C4，所述整流电路102包括二极管D1和二极管D2，所述电阻R1的一端与PWM控制器IC1的振荡放电输出端DIS连接，所述电阻R2的一端与PWM控制器IC1的振荡定时电阻输入端RT连接，电容C1的一端与PWM控制器IC1的振荡定时电容输入端CT连接，所述电阻R1的另一端、电阻R2的另一端和电容C1的另一端都与地连接，所述电阻R3的一端、可调电阻R4的一端、可调电阻R4的中心抽头与PWM控制器IC1反相误差输入端INV连接，可调电阻R4的另一端与地连接，所述PWM控制器IC1的第一互补输出端OUTA与场效应管Q1的栅极连接，PWM控制器IC1的第二互补输出端OUTB与场效应管Q2的栅极连接，所述场效应管Q1的漏极与升压变压器T1原边抽头的一端连接，该场效应管Q1的源极分别与PWM控制器IC1的外部关断信号输入端SD、电阻R5的一端、场效应管Q2的源极连接，所述电阻R5的另一端与地连接，所述场效应管Q2的漏极与升压变压器T1原边抽头的另一端连接，升压变压器T1的中心抽头分别与所述电源7的输入端、滤波电路103连接，所述升压变压器T1副边抽头的一端分别与二极管D1的阳极、二极管D2的阴极连接，所述升压变压器T1副边抽头的另一端分别与电容C3的负极、电容C4的正极连接，所述电容C3的正极分别与电阻R3的另一端、二极管D1的阴极、隔离式变换电路3的信号输入端连接，该隔离式变换电路3的变换输出端通过采集输出单元6反馈输入至隔离式变换电路3的调节输入端，所述电容C4的负极与地连接，所述PWM控制器IC1的电容输入端SS与信号控制器4的输入/输出控制端口I/O连接。所述PWM控制器IC1输出的频率为50kHz的方波脉冲信号，该PWM控制器IC1采用的型号为SG3525芯片，所述场效应管Q1和场效应管Q2采用的型号为IRF540作为开关管，所述信号控制器4采用单片机控制芯片。
在本发明中，如图3所示，所示PWM控制器IC1的电容输入端SS端(第八脚)与信号控制器4的输入/输出端口I/O相连，此信号控制器4的输入/输出端口I/O输出高电平时，PWM控制器IC1被启动，启动整个电源变换电路1对电容充电，即为储能电容C3、电容C4充电。所述PWM控制器IC1及其辅助元件电阻R2、电阻R1和电容C1构成PWM控制器的振荡电路，电阻R1为放电电阻，电容C1为定时电容，通过PWM控制器IC1进行定时放电调整时，输出两路频率为50kHz的方波脉冲，该脉冲的宽度受到PWM控制器IC1内部误差放大器的输出端E/AOUT(第九引脚)上的电压的控制，场效应管Q1、场效应管Q2和升压变压器T1构成推挽式变换电路，将24V交流电源换成50kHz的方波脉冲施加到升压变压器T1的原边，并在升压变压器T1副边产生幅度为400V、频率为50kHz的方波脉冲，因此，电容C3、电容C4的容值不低于2200μF，耐压值不低于450V。所述二极管D1、二极管D2和电容C3、电容C4构成倍压式整流电路，它将升压变压器T1副边的输出脉冲整流后向电容C3、电容C4充电，电容C3、电容C4组成的串联等效电容作为储能电容器，电容C3的电压反馈输入至电阻R3和可调电阻R4构成的分压电路用于检测储能电容器两端的电压，并反馈到PWM控制器IC1内部误差放大器的反相误差输入端INV(第一引脚)，储能电容器的输出电压(电容C3的输出电压)升高时，PWM控制器IC1的误差的反相误差输入端INV电压升高，输出脉冲宽度变小，使输出电压下降；调节可调电阻R4即可改变储能电容的充电值，使PWM控制器IC1内部误差放大器的反相输入端INV(第一引脚)保持与5.1V基准电压相等，PWM控制器IC1内部误差放大器的同相输入端NI(第二引脚)与基准端VREF(第十六引脚)相连；PWM控制器IC1内部误差放大器对其同相输入端NI(第二引脚)和反相输入端INV(第一引脚)上的电压进行比较，并根据它们之间的电位差来改变PWM控制器IC1内部误差放大器的输出端E/AOUT(第三引脚)上的电压，当隔离式变换电路3输出脉冲幅度大于设置值时，PWM控制器IC1输出脉冲的宽度变窄，输出电压下降，反之，当隔离式变换电路3输出脉冲幅度小于设置值时，PWM控制器IC1输出脉冲的宽度变宽，输出电压上升，这样使整个隔离式不可逆电穿孔仪电路形成一个闭环负反馈，确保输出脉冲幅度的稳定度；电阻R5为电流检测电阻，其电阻值大小为20mΩ，它将场效应管Q1、场效应管Q2的源极电流转换成电压，并送到PWM控制器IC1的外部关断信号输入端SD(第十引脚)，以限制最大充电电流。当电阻R5两端的电压达到1V时，PWM控制器IC1立即将场效应管Q1、场效应管Q2关断，直到下一个工作周期开始。
在本发明实施例中，如图4所示，所述隔离式变换电路3包括高速脉宽调制控制器IC2、第一数字隔离驱动器IC3、第二数字隔离驱动器IC4、第一功率放大器QA、第二功率放大器QB、第三功率放大器QC、第四功率放大器QD、隔离变压器T2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、电感L1和电容C6，所述采集输出单元6包括电阻R6、电流传感T3和可调电阻R7，所述第一数字隔离驱动器IC3的使能端EN1、第二数字隔离驱动器IC4的使能端EN2分别与信号控制器4的输入/输出控制端口I/O连接，所述高速脉宽调制控制器IC2的第一输出控制端OUTA1与第一数字隔离驱动器IC3的第一输入端VIA1、第二数字隔离驱动器IC4的第二输入端端IB2连接，所述高速脉宽调制控制器IC2的第二输出控制端OUTB2与第一数字隔离驱动器IC3的第二输入端VIB2、第二数字隔离驱动器IC4的第一输入端VIA2连接；所述第一功率放大器QA的漏极、第三功率放大器QC的漏极与所述储能电路2的输出端连接，第一功率放大器QA栅极与第一数字隔离驱动器IC3的第一驱动输出端VOA1连接，第一功率放大器QA的源极与地连接，第二功率放大器QB的栅极与第一数字隔离驱动器IC3的第二驱动输出端VOB1连接，第二功率放大器QB的源极与地连接，第三功率放大器QC的栅极与第二数字隔离驱动器IC4的第一驱动输出端VOA2连接，所述第四功率放大器QD的栅极与第二数字隔离驱动器IC4的第二驱动输出端VOB2连接，所述第四功率放大器QD的源极与地连接，所述第一功率放大器QA的源极、第二功率放大器QB的漏极与隔离变压器T2原边的一抽头连接，所述第三功率放大器QC的源极、第四功率放大器QD的漏极与隔离变压器T2原边的另一抽头连接，所述隔离变压器T2副边的一抽头与二极管D3的阳极、二极管D5的阴极连接，所述隔离变压器T2副边的另一抽头与二极管D4的阳极、二极管D6的阴极连接连，所述二极管D3的阴极、二极管D4的阴极分别与电感L1的一端连接，电感L1的一端分别与电阻R6的一端、电容C6的正极、电极5的正极连接，所述电极5的负极分别与二极管D5的阳极、二极管D6的阳极、电容C6的负极、电流传感T3原边的一抽头连接，所述电流传感T3原边的另一抽头与电阻R6的另一端连接，该电流传感T3副边的一抽头分别与可调电阻R7的一端、可调电阻R7的中心抽头、PWM控制器IC1反相误差输入端INV连接，电流传感T3副边的另一抽头、可调电阻R7的另一端分别与地连接。
结合图1、图2、图3、图4和图5所示，所述PWM控制器IC1按照输出脉冲的控制指令，PWM控制器IC1的第一互补输出端OUTA、第二互补输出端OUTB分别输出高电平或低电平，输出高电平时，相应的场效应管Q1、场效应管Q2导通，输出低电平时，场效应管Q1、场效应管Q2导通相应地截止。当场效应管Q1、场效应管Q2导通时，24V的交流电压通过由二极管D1、二极管D2和电容C3、电容C4构成倍压式整流电路，然后输出的电压送入隔离式变换电路3中的第一功率放大器QA的漏极和第三功率放大器QC的漏极，电容C3、电容C4采用聚丙烯薄膜电容器，其电容值不小于2200μF，耐压值不低于450V，具有良好的温度稳定性，保障电容器可靠工作，无感特性，能承受很高的峰峰值电流和高频有效值电流。信号控制器4的输入/输出控制端口I/O同时通过控制第一数字隔离驱动器IC3的使能端EN1和第二数字隔离驱动器IC4使能端EN2，信号控制器4的输入/输出控制端口I/O输出高电平时，第一数字隔离驱动器IC3、第二数字隔离驱动器IC4工作，此时，第一数字隔离驱动器IC3和第二数字隔离驱动器IC4同时对高速脉宽调制控制器IC2的第一输出控制端OUTA1和第二输出控制端OUTB2输出的脉冲进行电流放大，相应地，第一数字隔离驱动器IC3的第一驱动输出端VOA1和第二驱动输出端VOB1输出的电流(或电压)等于第一数字隔离驱动器IC3的第一输入端VIA1和第二输入端VIB1的电流或电压)，第二数字隔离驱动器IC4的第一驱动输出端VOA2和第一驱动输出端VOB2输出的电流(或电压)等于第二数字隔离驱动器IC4的第一输入端VIA2和第二输入端VIB2的电流(或电压)；信号控制器4的输入/输出控制端口I/O输出低电平时，第一数字隔离驱动器IC3、第二数字隔离驱动器IC4停止工作，因此信号控制器4的输入/输出控制端口I/O输出高电平持续的时间(脉冲宽度)就是输出脉冲串的宽度，如图5所示，为信号控制器4输出波形，通过设置信号控制器4的是输出脉冲串的宽度，从而控制施加电极5上的脉冲的幅度。
在本发明中，如图4所示，所述第一数字隔离驱动器IC3、第二数字隔离驱动器IC4采用的型号为数字隔离驱动器Si82390芯片，所述高速脉宽调制控制器IC2采用的型号为UC3825控制芯片，通过信号控制器4对两个隔离驱动器进行独立输入控制相结合，输出隔离驱动信号，特别适用于驱动支持高达5kVrms的电源MOSFET和IGBT功率管。它们具有高共模瞬变抑制能力达100kV/μs，低传播延迟时间为30ns，并减少温度、老化和部件间变化，输出UVLO故障检测和反馈可自动关闭两个驱动器，因而可具有极高的可靠性，所述第一数字隔离驱动器IC3、第二数字隔离驱动器IC4还采用三个独立直流电源供电，一个是+5V，另外两个是+15V，在三个独立电源的供电端分别连接有滤波电容C2_1、滤波电容C2_2、滤波电容C2_3、滤波电容C2_4、滤波电容C2_5和滤波电容C2_6，这些滤波电容都采用钽电容，用于消除电压瞬变引起的干扰，因此，本发明可输出3kV的单向方波脉冲，脉冲的上升时间和下降时间小于1μs，脉冲宽度为100μs，脉冲电流峰值可达50A。
在本发明实施例中，如图4所示，所述第一功率放大器QA、第二功率放大器QB、第三功率放大器QC和第四功率放大器QD都采用碳化硅功率MOSFET管或IGBT功率管，所述碳化硅功率MOSFET管采用的型号为C2M0025120D功率管，可提供高速切换，该碳化硅功率MOSFET管或IGBT功率管的漏-源击穿电压为1200V，开关的时间小于0.1μs，导通电阻为25mΩ，脉冲电流高达250A。隔离变压器T2有两个作用：一个作用是将原边电压按照匝数比进行升压；另一个作用是在原边和副边之间实现电气隔离。所述高速脉宽调制控制器IC2的第一输出控制端OUTA1和第二输出控制端OUTB2输出两路相位相差180°的双路PWM信号，同时送给第一数字隔离驱动器IC3的第一输入端VIA1和第二输入端VIB1以及第二数字隔离驱动器IC4的第一输入端VIA2和第二输入端VIB2，进行电流放大和电平转换；其中，具体的连接方式是将第一数字隔离驱动器IC3的第一输入端VIA1与第二数字隔离驱动器IC4的第二输入端VIB2连接，第一数字隔离驱动器IC3的第二输入端VIB1与第二数字隔离驱动器IC4的第一输入端VIA2连接；第一数字隔离驱动器IC3与第一功率放大器QA的漏极、第二功率放大器QB构成一个半桥，第二数字隔离驱动器IC4与第三功率放大器QC、第四功率放大器QD构成另一个半桥。高速脉宽调制控制器IC2输出的双路脉冲，经第一数字隔离驱动器IC3和第二数字隔离驱动器IC4的电流放大和电平转换后分别驱动开关管(即第一功率放大器QA、第二功率放大器QB、第三功率放大器QC和第四功率放大器QD导通或截止)，使第一功率放大器QA、第四功率放大器QD同时导通，第二功率放大器QB和第三功率放大器QC同时导通。当第一功率放大器QA、第四功率放大器QD导通时，将隔离变压器T2的原边加上正的电压(+Vi)，即同名端为正；当第二功率放大器QB和第三功率放大器QC导通时，将隔离变压器T2的原边加上负的电压(-Vi)，即同名端为负，从而在隔离变压器T2的原边上施加交变的方波，在副边上按照匝数比感应输出交变的方波，并经二极管D3、二极管D4、二极管D5和二极管D6进行整流，然后通过电感L1和电容C6进行滤波后输出直流电压Vo，该输出直流电压Vo再通过治疗电极5直接施加到靶组织上。
在本发明实施例中，如图4所示，电阻R6用于检测输出电压的幅度，根据欧姆定律，流过R6的电流与输出电压成比例，电流互感器T3的副边电流与原边电流成比例，而电流互感器T3原边电流与副边输出电压成比例，因而电流互感器T3的副边电流在电阻R7上产生的电压Vs与输出直流电压Vo成比例，电压Vs送给PWM控制器IC1内部误差放大器的反相输入端INV(第一引脚)，当电感L1和电容C6进行滤波后输出直流电压Vo的脉冲幅度大于设置值时，PWM控制器IC1输出脉冲的宽度变窄，电感L1和电容C6进行滤波后输出直流电压Vo下降。反之，当电感L1和电容C6进行滤波后输出直流电压Vo的脉冲幅度小于设置值时，PWM控制器IC1输出脉冲的宽度变宽，电感L1和电容C6进行滤波后输出直流电压Vo的上升。这样使整个隔离式不可逆电穿孔仪电路形成一个闭环负反馈，确保输出脉冲幅度的稳定度。脉冲幅度的调节通过以下两个步骤：首先通过调节图3中的可调电阻R4，对储能电容的充电电压值进行设置，使其比需要的值稍微高一些；然后调节图4中的可调电阻R7来调节稳压幅度。可调电阻R4和可调电阻R7可以选用模拟电位器，也可选用数字电位器。
本发明采用高频电磁不可逆隔离技术，首先将储能电容中电压转换成脉冲宽度为1μs，频率为450kHz的高频脉冲，经脉冲隔离变压器T2变换后，在其副边绕组产生最大幅度为3kV的频率900kHz的高频脉冲，经整流滤波后，产生100μs的方波脉冲，且输出脉冲的幅度受到脉宽调制控制，图6为隔离式变换电路调制后通过隔离变压器T2输出的波形，其输出幅度为1.5kV左右，利用隔离型负反馈网络将输出脉冲的幅度稳定在设定值，确保有效地控制消融区的边界，提高了仪器设备的可靠性，降低了对储能电容容量的要求；本发明通过控制隔离式变换电路3的可获得所需的方波脉冲，脉冲的幅度确定脉冲在肿瘤组织中形成的电场强度，而电场强度决定消融范围和消融效果，电场强度过低，达不到形成不可逆性电穿孔的电场强度，而电场强度过高会损伤正常组织。主要控制以下参数包括：其一是隔离式变换电路3的启动和关闭，即输出脉冲宽度；其次是脉冲的次数，治疗开始时，首先，操作人员根据消融组织的体积确定输出电极5的间距确定输出电脉冲的幅度(1.5kV/cm)，通过滤波之后加在电极5正、负两极的场强E＝V/L，V为电极5正、负两极之间的电压，电极5正、负两极之间的距离，距离L越近，场强越强，若经脉冲隔离变压器T2变换后，在其副边绕组产生最大幅度为3kV，电极5正、负两极之间的距离L为2cm，则可以产生1.5kV/cm的电场强度，满足不可逆电穿孔技术要求，图7为电极5上的输出波形图，即为电穿孔的脉冲幅值，使输出电场强度在不可逆性电穿孔的阈值(1.5kV/cm)以上，其次，通过信号控制器4设置输出脉冲的幅度，脉冲宽度，脉冲次数和脉冲时间间隔等参数；最后，根据输出脉冲幅度的设置值，图5所示，通过信号控制器4分别设定储能电容充电源的充电电压和隔离式高频变换器的输出幅度。
以上所述仅为发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种隔离式方波不可逆电穿孔仪，其特征在于，包括电源变换电路(1)、储能电路(2)、隔离式变换电路(3)、信号控制器(4)、电极(5)、采集输出单元(6)和电源(7)，所述电源(7)的输出端与电源变换电路(1)连接，该电源变换电路(1)依次通过储能电路(2)与隔离式变换电路(3)的信号输入端连接，该隔离式变换电路(3)的输出端分别与电极(5)的正极、采集输出单元(6)的输入端连接，该采集输出单元(6)的输出端与隔离式变换电路(3)的调节输入端连接，所述信号控制器(4)分别与电源变换电路(1)的控制输入端、隔离式变换电路(3)的控制输入端连接，所述储能电路(2)的电压输出端还与所述电源变换电路(1)的调节输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种隔离式方波不可逆电穿孔仪，其特征在于，所述电源变换电路(1)包括脉宽调制电路(100)、升压电路(101)、滤波电路(102)和整流电路(103)，所述脉宽调制电路(100)的信号输出端与升压电路(101)的控制端连接，该升压电路(101)的通过滤波电路(102)与所述整流电路(103)的输入端连接，所述电源(7)还分别与所述升压电路(101)、滤波电路(102)的输入端连接，所述整流电路(103)的输出端与储能电路(2)连接，所述储能电路(2)的输出端通过所述隔离式变换电路(3)与所述电极(5)的正极连接，所述储能电路(2)的输出端还与所述脉宽调制电路(100)的调节输入端连接，所述隔离式变换电路(3)的输出端通过所述采集输出单元(6)的输出端与隔离式变换电路(3)的调节输入端连接。
3.根据权利要求2所述的一种隔离式方波不可逆电穿孔仪，其特征在于，所述脉宽调制电路(100)包括PWM控制器(IC1)、电阻R1、电阻R2、电阻R3、可调电阻R4、电阻R5、电容C1和电容C2，所述升压电路(101)包括场效应管Q1、场效应管Q2和升压变压器T1，所述储能电路(2)包括电容C3和电容C4，所述整流电路(102)包括二极管D1和二极管D2，所述电阻R1的一端与PWM控制器(IC1)的振荡放电输出端(DIS)连接，所述电阻R2的一端与PWM控制器(IC1)的振荡定时电阻输入端(RT)连接，电容C1的一端与PWM控制器(IC1)的振荡定时电容输入端(CT)连接，所述电阻R1的另一端、电阻R2的另一端和电容C1的另一端都与地连接，所述电阻R3的一端、可调电阻R4的一端、可调电阻R4的中心抽头与PWM控制器(IC1)反相误差输入端(INV)连接，可调电阻R4的另一端与地连接，所述PWM控制器(IC1)的第一互补输出端(OUTA)与场效应管Q1的栅极连接，PWM控制器(IC1)的第二互补输出端(OUTB)与场效应管Q2的栅极连接，所述场效应管Q1的漏极与升压变压器T1原边抽头的一端连接，该场效应管Q1的源极分别与PWM控制器(IC1)的外部关断信号输入端(SD)、电阻R5的一端、场效应管Q2的源极连接，所述电阻R5的另一端与地连接，所述场效应管Q2的漏极与升压变压器T1原边抽头的另一端连接，升压变压器T1的中心抽头分别与所述电源(7)的输入端、滤波电路(103)连接，所述升压变压器T1副边抽头的一端分别与二极管D1的阳极、二极管D2的阴极连接，所述升压变压器T1副边抽头的另一端分别与电容C3的负极、电容C4的正极连接，所述电容C3的正极分别与电阻R3的另一端、二极管D1的阴极、隔离式变换电路(3)的信号输入端连接，该隔离式变换电路(3)的变换输出端通过采集输出单元(6)反馈输入至隔离式变换电路(3)的调节输入端，所述电容C4的负极与地连接，所述PWM控制器(IC1)的电容输入端(SS)与信号控制器(4)的输入/输出控制端口(I/O)连接。
4.根据权利要求3所述的一种隔离式方波不可逆电穿孔仪，其特征在于，所述电源(7)为0～36V的交流电压，频率为30～100kHz。
5.根据权利要求3所述的一种高频不可逆电穿孔仪，其特征在于，所述PWM控制器(IC1)输出的频率为50kHz的方波脉冲信号，该PWM控制器(IC1)采用的型号为SG3525芯片，所述场效应管Q1和场效应管Q2采用的型号为IRF540作为开关管。
6.根据权利要求3所述的一种隔离式方波不可逆电穿孔仪，其特征在于，所述电容C3、电容C4的容值不低于2200μF，耐压值不低于450V。
7.根据权利要求3所述的一种隔离式方波不可逆电穿孔仪，其特征在于，所述隔离式变换电路(3)包括高速脉宽调制控制器(IC2)、第一数字隔离驱动器(IC3)、第二数字隔离驱动器(IC4)、第一功率放大器(QA)、第二功率放大器(QB)、第三功率放大器(QC)、第四功率放大器(QD)、隔离变压器T2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、电感L1和电容C6，所述采集输出单元(6)包括电阻R6、电流传感T3和可调电阻R7，所述第一数字隔离驱动器(IC3)的使能端(EN1)、第二数字隔离驱动器(IC4)的使能端(EN2)分别与信号控制器(4)的输入/输出控制端口(I/O)连接，所述高速脉宽调制控制器(IC2)的第一输出控制端(OUTA1)与第一数字隔离驱动器(IC3)的第一输入端(VIA1)、第二数字隔离驱动器(IC4)的第二输入端端(VIB2)连接，所述高速脉宽调制控制器(IC2)的第二输出控制端(OUTB2)与第一数字隔离驱动器(IC3)的第二输入端(VIB2)、第二数字隔离驱动器(IC4)的第一输入端(VIA2)连接；
所述第一功率放大器(QA)的漏极、第三功率放大器(QC)的漏极与所述储能电路(2)的输出端连接，第一功率放大器(QA)栅极与第一数字隔离驱动器(IC3)的第一驱动输出端(VOA1)连接，第一功率放大器(QA)的源极与地连接，第二功率放大器(QB)的栅极与第一数字隔离驱动器(IC3)的第二驱动输出端(VOB1)连接，第二功率放大器(QB)的源极与地连接，第三功率放大器(QC)的栅极与第二数字隔离驱动器(IC4)的第一驱动输出端(VOA2)连接，所述第四功率放大器(QD)的栅极与第二数字隔离驱动器(IC4)的第二驱动输出端(VOB2)连接，所述第四功率放大器(QD)的源极与地连接，所述第一功率放大器(QA)的源极、第二功率放大器(QB)的漏极与隔离变压器T2原边的一抽头连接，所述第三功率放大器(QC)的源极、第四功率放大器(QD)的漏极与隔离变压器T2原边的另一抽头连接，所述隔离变压器T2副边的一抽头与二极管D3的阳极、二极管D5的阴极连接，所述隔离变压器T2副边的另一抽头与二极管D4的阳极、二极管D6的阴极连接连，所述二极管D3的阴极、二极管D4的阴极分别与电感L1的一端连接，电感L1的一端分别与电阻R6的一端、电容C6的正极、电极(5)的正极连接，所述电极(5)的负极分别与二极管D5的阳极、二极管D6的阳极、电容C6的负极、电流传感T3原边的一抽头连接，所述电流传感T3原边的另一抽头与电阻R6的另一端连接，该电流传感T3副边的一抽头分别与可调电阻R7的一端、可调电阻R7的中心抽头、PWM控制器(IC1)反相误差输入端(INV)连接，电流传感T3副边的另一抽头、可调电阻R7的另一端分别与地连接。
8.根据权利要求7所述的一种隔离式方波不可逆电穿孔仪，其特征在于，所述第一数字隔离驱动器(IC3)、第二数字隔离驱动器(IC4)采用型号为Si82390芯片，所述高速脉宽调制控制器(IC2)采用的型号为UC3825控制芯片，所述第一功率放大器(QA)、第二功率放大器(QB)、第三功率放大器(QC)、第四功率放大器(QD)采用碳化硅功率MOSFET管或IGBT功率管，该碳化硅功率MOSFET管或IGBT功率管的击穿电压为1200V。
9.根据权利要求8所述的一种隔离式方波不可逆电穿孔仪，其特征在于，所述碳化硅功率MOSFET管采用的型号为C2M0025120D功率管。
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