CN116509534A - 陡脉冲治疗的igbt电流检测和控制装置、***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种陡脉冲治疗的IGBT电流检测和控制装置、***及方法，该装置包括：IGBT模块，采样模块，控制模块，充电模块，驱动模块。IGBT模块用于输出陡脉冲治疗电流；采样模块连接IGBT模块，用于对陡脉冲治疗电流进行持续检测，获取实时检测电流值；控制模块分别连接采样模块和储能电容，用于在实时检测电流值大于预设的基准电流值时控制储能电容放电；充电模块连接储能电容，用于对储能电容充电；驱动模块与储能电容及IGBT模块连接，在储能电容处于满电状态时驱动模块驱动IGBT模块输出陡脉冲治疗电流。本发明能够在陡脉冲治疗的过程中，提升对关断IGBT模块的控制反应速度，避免电弧放电对人体组织造成的损伤。
Description
技术领域
本发明属于医疗器械领域，具体来说涉及一种陡脉冲治疗的IGBT电流检测和控制模块，具备IGBT电流检测和控制功能的陡脉冲治疗***，以及陡脉冲治疗***的IGBT模块控制方法。
背景技术
陡脉冲消融治疗是一种常见的肿瘤治疗方法，其通过电极针将高压窄脉冲传递到靶区，在目标区域建立电场以此破坏肿瘤细胞结构，诱导肿瘤细胞坏死与凋亡，实现肿瘤组织的消融。这种治疗方法存在的问题是，实践中，手术治疗时，随着输出脉冲数量的增加，人体组织的电流导通性会增加，电流会逐渐增大，此时治疗已经产生了一定的效果；但随着人体组织电流导通性的增加，电流会出现瞬间击穿的现象，也就是产生电弧放电，由此，此时人体组织的电阻值尚不构成短路条件，导致常规的IGBT驱动不会触发断电保护，而若采用主控制板的反馈***进行电流采集和计算来触发断电保护，由于需要较长的反馈时间，来不及避免电弧对组织的伤害。因此，如何开发处一种IGBT控制装置，提升对关断IGBT模块的控制反应速度，避免电弧放电对人体组织造成的损伤，是本领域技术人员的一个重要研究方向。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种陡脉冲治疗的IGBT电流检测和控制装置，能够在陡脉冲治疗的过程中，提升对关断IGBT模块的控制反应速度，以避免电弧放电对人体组织造成的损伤。
本发明的第二目的在于基于上述IGBT电流检测和控制装置，提供一种具备IGBT电流检测和控制功能的陡脉冲治疗***。
本发明的第三目的在于基于上述IGBT电流检测和控制装置，提供一种陡脉冲治疗***的IGBT模块控制方法。
本发明公开的第一种技术方案是一种陡脉冲治疗的IGBT电流检测和控制装置，
其包括：
IGBT模块，所述IGBT模块用于输出陡脉冲治疗电流；
采样模块，所述采样模块连接所述IGBT模块，用于对所述IGBT模块输出的陡脉冲治疗电流进行持续检测，获取实时检测电流值；
控制模块，所述控制模块分别连接所述采样模块和储能电容，用于在实时检测电流值大于预设的基准电流值时控制所述储能电容放电；
充电模块，所述充电模块连接所述储能电容，用于对储能电容充电；
驱动模块，所述驱动模块的一个输入端与所述储能电容连接，其输出端与IGBT模块连接，在所述储能电容处于满电状态时对驱动模块输出高电平的第一控制信号，驱动模块驱动IGBT模块输出陡脉冲治疗电流；
在所述储能电容未处于满电状态的情况下，所述储能电容对驱动模块输出的信号电压不满足预设条件，所述IGBT模块停止输出陡脉冲治疗电流。
优选的是：所述充电模块为恒流电源，用于对储能电容持续充电，使储能电容在放电结束后自动充电至满电状态。
优选的是：所述充电模块与储能电容进一步被配置为使所述储能电容的充电时间不大于陡脉冲治疗电流的输出时间间隔。
优选的是：
所述采样模块包括采样电阻R18和运算放大器IC1；
所述采样电阻R18一端连接IGBT模块的输出极，另一端与所述IGBT电流检测和控制装置的陡脉冲治疗电流输出端相连；
所述运算运算放大器IC1的同相输入端连接IGBT模块的输出极，用于对采样信号进行放大，获取实时检测电流值。
优选的是：
所述控制模块包括比较器U1，隔离光耦U2和滤波电路；
所述隔离光耦U2连接储能电容；
所述滤波电路的输入端连接运算放大器IC1的输出端，用于对运算放大器IC1输出的实时检测电流值进行滤波；
所述比较器U1的正相输入端接入基准电流值，反相输入端连接滤波电路的输出端，输出端连接隔离光耦U2；所述比较器U1用于将基准电流值与实时检测电流值做减法运算，在实施检测电流值大于基准电流值时打开隔离光耦使储能电容放电。
优选的是：所述驱动模块的另一输入端用于接入主控制板的第二控制信号，所述第二控制信号的优先级高于第一控制信号。
本发明公开的第二种技术方案是一种具备IGBT电流检测和控制功能的陡脉冲治疗***，其包括以上任一项所述的IGBT电流检测和控制装置；
还包括：
主控制板，所述主控制板与驱动模块连接，用于对驱动模块输出控制信号；
功率输出模块，所述功率输出模块与IGBT模块连接，用于为IGBT模块输出的陡脉冲治疗电流提供多路通道的陡脉冲输出口；
电极针，所述电极针与功率输出模块连接，用于穿刺至病灶部位并对病灶部位传递陡脉冲治疗电流。
本发明公开的第三种技术方案是一种基于以上任一项所述IGBT电流检测和控制装置实现的陡脉冲治疗***的IGBT模块控制方法，其包括如下步骤：
步骤001：IGBT模块输出陡脉冲治疗电流；
步骤002：对IGBT模块输出的陡脉冲治疗电流进行持续检测，获取实时检测电流值；
步骤003：在实时检测电流值大于预设的基准电流值时控制所述储能电容放电；
步骤004：对所述储能电容充电；
步骤005：在所述储能电容未处于满电状态的情况下，所述储能电容对驱动模块输出的信号电压不满足预设条件，驱动模块驱动所述IGBT模块停止输出陡脉冲治疗电流；在所述储能电容处于满电状态时对驱动模块输出高电平的第一控制信号，驱动模块驱动IGBT模块输出陡脉冲治疗电流。
优选的是：步骤004包括采用恒流电源对储能电容进行持续充电，以实现陡脉冲治疗电流自恢复。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
首先，本发明通过将比较器电路与储能电容的充放电特性相结合，实现基于电流值对IGBT的关断控制，无需将检测电流反馈至主控制板进行计算，因此关断过程更迅速，有效减少了电弧放电对人体组织造成的损伤；
其次，本发明通过恒流电源对储能电容充电的结构，实现了关断后对陡脉冲治疗电流的自输出；
再者，本发明能够实现对陡脉冲治疗电流的自适应脉宽调节，对电流进行最大限制的输出，保障了治疗效果；
最后，本发明的电路设计结构简单，易于制备和实现，适于大批量生产。
附图说明
图1为实施例1的模块示意图；
图2为实施例1的电路结构图；
图3为实施例1的陡脉冲电流输出仿真图；
图4为实施例2的模块示意图；
图5为实施例3的工作流程图。
图中，各附图标记对应的部件名称如下：
1、IGBT模块；2、采样模块；3、控制模块；4、充电模块；5、驱动模块；6、储能电容；7、主控制板；8、功率输出模块；9、电极针。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。 需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1，请参考图1-3：
一种陡脉冲治疗的IGBT电流检测和控制装置，其包括：IGBT模块1、采样模块2、控制模块3、充电模块4和驱动模块5。其中：
所述IGBT模块1用于输出陡脉冲治疗电流。
所述采样模块2连接所述IGBT模块1，用于对所述IGBT模块1输出的陡脉冲治疗电流进行持续检测，获取实时检测电流值。本例中：所述采样模块2包括采样电阻R18和运算放大器IC1。其中，所述采样电阻R18一端连接IGBT模块1的输出极，另一端与所述IGBT电流检测和控制装置的陡脉冲治疗电流输出端相连；所述运算运算放大器IC1的同相输入端连接IGBT模块1的输出极，所述运算运算放大器IC1的反相输入端与运算放大器IC1的输出端相连，用于对采样信号进行放大，获取实时检测电流值。
所述控制模块3分别连接所述采样模块2和储能电容6，用于在实时检测电流值大于预设的基准电流值时控制所述储能电容6放电。本例中：所述储能电容6即为图2所示的电容C2。所述控制模块3包括比较器U1，隔离光耦U2，电阻R1，电阻R3，电阻R4，电阻R6，电阻R7和电容C1。其中，所述电阻R6的一端连接比较器U1的输出端，另一端连接比较器U1的反相输入端；所述电容C1的一端分别连接比较器U1的反相输入端及电阻R6的一端，另一端与所述IGBT电流检测和控制装置的陡脉冲治疗电流输出端相连；所述电容C1和电阻R6构成滤波电路，用于滤除运算放大器IC1输出的实时检测电流值中的IGBT自身尖峰干扰。所述电阻R3的一端连接比较器U1的正相输入端，另一端与所述IGBT电流检测和控制装置的陡脉冲治疗电流输出端相连；所述电阻R1的一端分别连接比较器U1的正相输入端及电阻R3的一端，另一端与15V电源连接；所述的电阻R4的一端分别连接比较器U1的输出端及电阻R7的一端，另一端连接隔离光耦U2的引脚2；所述电阻R7的另一端分别连接15V电源和隔离光耦U2的引脚1；所述隔离光耦U2的引脚3接地，所述隔离光耦U2的引脚4连接储能电容6的一端。
所述充电模块4连接所述储能电容6，用于对储能电容6充电；在本例中：所述充电模块44采用恒流电源，用于对储能电容6持续充电，使储能电容6在放电结束后自动充电至满电状态。其包括PNP管Q1，电阻R2，电阻R5和电阻R8。其中，所述电阻R2一端连接5v电源，另一端连接PNP管Q1的发射极；所述电阻R5一端连接5V电源，另一端连接PNP管Q1的基极；所述电阻R8一端连接PNP管Q1的基极，另一端接地；所述储能电容6的一端分别与PNP管Q1的集电极和隔离光耦U2的引脚4连接，另一端与电阻R8的接地一端相连接。
所述驱动模块5具体采用驱动光耦HCPL-316J，其引脚2用于接入主控制板7输出的第二控制信号，其引脚1与储能电容6连接，其输出端与IGBT模块1连接，在所述储能电容6处于满电状态时对驱动模块5输出高电平的第一控制信号，驱动模块5驱动IGBT模块1输出陡脉冲治疗电流；在所述储能电容6未处于满电状态的情况下，所述储能电容6对驱动模块5输出的信号电压不满足预设条件，此时所述IGBT模块1停止输出陡脉冲治疗电流。
实践中，其工作过程如下：
电路进行初始化：驱动光耦HCPL-316J上的“输入信号-”默认为高电平，“信号输入+”为低电平状态，此时驱动光耦HCPL-316J处于关闭状态。在电路准备阶段，恒流电源为储能电容6充电，当电压大于2V时电路准备阶段完成，外部的主控制板7输出低电平作为驱动光耦HCPL-316J上“输出信号-”的有效输入信号，此时，驱动光耦HCPL-316J控制IGBT模块11导通。电阻R18作为电流采样电阻对IGBT输出的陡脉冲治疗电流进行采样，通过运算放大器IC1放大，构成实时检测电流值。该检测电流值经过电阻R6、电容C1构成的滤波电路实现对IGBT自身尖峰干扰的滤波，并输入比较器U1的反相输入端，与输入比较器U1的正相输入端的基准电流值做减法运算，若检测电流值超过该预设的基准电流值，比较器U1的输出状态反转，使隔离光耦U2打开，储能电容6接地进入放电状态。储能电容6输出至驱动光耦HCPL-316J上“输入信号+”的信号进入低电平状态，此时驱动光耦HCPL-316J控制IGBT模块1关闭输出，以防止出现电弧放电的现象对人体组织造成损伤。IGBT模块11关闭输出后，采样模块2输出的实时检测电流值低于基准电流值，此时比较器U1的输出状态再次反转，使隔离光耦U2关闭，中止储能电容6的与所述IGBT电流检测和控制装置的陡脉冲治疗电流输出端相连放电。同时恒流电源继续对储能电容6充电，使储能电容6充电至满电状态，并对驱动光耦HCPL-316J上的“输入信号+”的信号进入高电平状态，使IGBT模块1恢复导通再次输出陡脉冲治疗电流，由此，完成了一轮对陡脉冲治疗电流的自动输出控制。在上述过程中：陡脉冲总输出时间最大为100us，且脉冲间输出间隔大于200ms，因此可通过设定储能电容6的具体电容量，使恒流模块为电容充电时间为200us时间，即在IGBT模块1关闭输出200us后，驱动恢复正常状态，并等待下一个脉冲信号，由此，实现了对陡脉冲治疗电流的脉宽自适应调节。
实施例2，请参考图4：
一种具备IGBT电流检测和控制功能的陡脉冲治疗***，其包括：实施例1所述的IGBT电流检测和控制装置；还包括：主控制板7，功率输出模块8，电极针9。
所述主控制板7与驱动模块5连接，对驱动模块5输出第二控制信号；所述功率输出模块8与IGBT模块1连接，用于对IGBT模块1输出的陡脉冲治疗电流提供多路通道的陡脉冲输出口；所述电极针9与功率输出模块8连接，用于穿刺至病灶部位并对病灶部位传递陡脉冲治疗电流。
其工作过程如下：
将各个电极针9***人体肿瘤区域，主控制板7输出控制指令至驱动模块5，使IGBT模块1开始输出陡脉冲治疗电流，功率输出模块8根据具体得治疗方案，将该陡脉冲治疗电流通过指定的陡脉冲输出口，输出至对应的电极针9上，从而依序在各个电极针对之间形成治疗电场以完成对肿瘤区域的陡脉冲治疗。上述过程中，所述IGBT电流检测和控制装置的具体工作过程请参考实施例1，在此不再赘述。
实施例3，请参考图5：
一种基于实施例1所述IGBT电流检测和控制装置实现的陡脉冲治疗***的IGBT模块1控制方法，其包括如下步骤：
步骤001：IGBT模块输出陡脉冲治疗电流；
步骤002：对IGBT模块输出的陡脉冲治疗电流进行持续检测，获取实时检测电流值；
步骤003：在实时检测电流值大于预设的基准电流值时控制所述储能电容6放电；
步骤004：对所述储能电容6充电；
步骤005：在所述储能电容6未处于满电状态的情况下，所述储能电容6对驱动模块5输出的信号电压不满足预设条件，驱动模块5驱动所述IGBT模块1停止输出陡脉冲治疗电流；在所述储能电容6处于满电状态时对驱动模块5输出高电平的第一控制信号，驱动模块5驱动IGBT模块1输出陡脉冲治疗电流。
本例中：步骤004中具体包括采用恒流电源对储能电容6进行持续充电，以实现陡脉冲治疗电流自恢复。并可通过对储能电容6的电容量设计，使储能电容6自放电结束至充电至满电状态的充电周期不大于陡脉冲治疗电流输出的间隔时间，以实现陡脉冲治疗电流的自适应脉宽调节。
以上结合各附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。
Claims (9)
1.一种陡脉冲治疗的IGBT电流检测和控制装置，其特征在于，包括：
IGBT模块，所述IGBT模块用于输出陡脉冲治疗电流；
采样模块，所述采样模块连接所述IGBT模块，用于对所述IGBT模块输出的陡脉冲治疗电流进行持续检测，获取实时检测电流值；
控制模块，所述控制模块分别连接所述采样模块和储能电容，用于在实时检测电流值大于预设的基准电流值时控制所述储能电容放电；
充电模块，所述充电模块连接所述储能电容，用于对储能电容充电；
驱动模块，所述驱动模块的一个输入端与所述储能电容连接，其输出端与IGBT模块连接，在所述储能电容处于满电状态时对驱动模块输出高电平的第一控制信号，驱动模块驱动IGBT模块输出陡脉冲治疗电流；
在所述储能电容未处于满电状态的情况下，所述储能电容对驱动模块输出的信号电压不满足预设条件，所述IGBT模块停止输出陡脉冲治疗电流。
2.如权利要求1所述IGBT电流检测和控制装置，其特征在于：所述充电模块为恒流电源，用于对储能电容持续充电，使储能电容在放电结束后自动充电至满电状态。
3.如权利要求2所述IGBT电流检测和控制装置，其特征在于：所述充电模块与储能电容进一步被配置为使所述储能电容的充电时间不大于陡脉冲治疗电流的输出时间间隔。
4.如权利要求1所述IGBT电流检测和控制装置，其特征在于：
所述采样模块包括采样电阻R18和运算放大器IC1；
所述采样电阻R18一端连接IGBT模块的输出极，另一端与所述IGBT电流检测和控制装置的陡脉冲治疗电流输出端相连；
所述运算放大器IC1的同相输入端连接IGBT模块的输出极，用于对采样信号进行放大，获取实时检测电流值。
5.如权利要求4所述IGBT电流检测和控制装置，其特征在于：
所述控制模块包括比较器U1，隔离光耦U2和滤波电路；
所述隔离光耦U2连接储能电容；
所述滤波电路的输入端连接运算放大器IC1的输出端，用于对运算放大器IC1输出的实时检测电流值进行滤波；
所述比较器U1的正相输入端接入基准电流值，反相输入端连接滤波电路的输出端，输出端连接隔离光耦U2；所述比较器U1用于将基准电流值与实时检测电流值做减法运算，在实施检测电流值大于基准电流值时打开隔离光耦使储能电容放电。
6.如权利要求1所述IGBT电流检测和控制装置，其特征在于：所述驱动模块的另一输入端用于接入主控制板的第二控制信号，所述第二控制信号的优先级高于第一控制信号。
7.一种具备IGBT电流检测和控制功能的陡脉冲治疗***，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的IGBT电流检测和控制装置；
还包括：
主控制板，所述主控制板与驱动模块连接，用于对驱动模块输出控制信号；
功率输出模块，所述功率输出模块与IGBT模块连接，用于为IGBT模块输出的陡脉冲治疗电流提供多路通道的陡脉冲输出口；
电极针，所述电极针与功率输出模块连接，用于穿刺至病灶部位并对病灶部位传递陡脉冲治疗电流。
8.一种基于如权利要求1-6任一项所述IGBT电流检测和控制装置实现的陡脉冲治疗***的IGBT模块控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤001：IGBT模块输出陡脉冲治疗电流；
步骤002：对IGBT模块输出的陡脉冲治疗电流进行持续检测，获取实时检测电流值；
步骤003：在实时检测电流值大于预设的基准电流值时控制所述储能电容放电；
步骤004：对所述储能电容充电；
步骤005：在所述储能电容未处于满电状态的情况下，所述储能电容对驱动模块输出的信号电压不满足预设条件，驱动模块驱动所述IGBT模块停止输出陡脉冲治疗电流；在所述储能电容处于满电状态时对驱动模块输出高电平的第一控制信号，驱动模块驱动IGBT模块输出陡脉冲治疗电流。
9.如权利要求8所述控制方法，其特征在于：步骤004包括采用恒流电源对储能电容进行持续充电，以实现陡脉冲治疗电流自恢复。
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