多级可控的复合脉冲发生控制系统的制作方法

1.本技术涉及医疗设备领域，特别涉及多级可控的复合脉冲发生控制系统。


背景技术：

2.脉冲电场消融是治疗胰腺癌的新型“利器”。近些年，肿瘤消融技术凭借创伤小、疗效好、恢复快和可重复等优点，成为本世纪实体瘤治疗最具前景的方法之一。在部分肝、肺、肾和甲状腺等肿瘤中达到与手术相媲美的疗效，被称为不需要动刀的“刀”。但传统的消融技术（射频、微波、激光、冷冻消融等），在利用“冷/热效应”杀伤肿瘤细胞同时，会对周围重要结构造成损伤，易引起胰瘘、胆瘘和出血等严重并发症，使得胰腺成为其应用“禁区”。随着国防高功率脉冲武器技术的发展和细胞电生理学认识的深入，一种新型脉冲电场消融技术应运而生。
3.与传统消融不同，脉冲电场消融，是在短时间内将高电压电脉冲作用于细胞膜的磷脂双分子层，导致跨膜电位形成，从而产生不稳定的电势，使细胞膜形成不可逆的穿透性损伤，产生纳米级的孔隙。然而，目前的脉冲电场消融技术中，微秒脉冲技术普遍采用低压单极脉冲技术，想要达到理想的消融范围，需要增加脉冲宽度来提升能量密度，但是随着脉宽的增加会带来严重的肌肉抖动问题；而且，单极性脉冲还存在脉冲电场分布不均匀，消融范围在正负极之间分布不均匀问题。


技术实现要素：

4.本技术目的在于提供一种多级可控的复合脉冲发生控制系统，按照量效关系，降低单个脉冲宽度，以多级复合窄脉冲群取代单个宽脉冲，提升电压等级，达到与低压宽脉冲同样的消融效果，同时又解决了宽脉冲带来的肌肉抖动问题。
5.本技术公开了一种多级可控的复合脉冲发生控制系统，包括第一脉冲生成单元和第二脉冲生成单元，分别输出双向高压高频微秒脉冲群和双向高频纳秒脉冲群，所述双向高压高频微秒脉冲群通过第一高压开关阵列与电极组连接，所述双向高频纳秒脉冲群通过第二高压开关阵列与电极组连接，所述电极组包括n组电极，第一高压开关阵列或第二高压开关阵列用于控制作用于人体待消融部位的电极的通断。
6.作为优选，所述双向高压高频微秒脉冲群的脉冲频率为1hz~30khz，微秒脉宽为1us~200us。
7.作为优选，所述双向高频纳秒脉冲群脉冲频率为1hz~100khz，纳秒脉宽为10ns~900ns。
8.作为优选，所述第一脉冲生成单元包括主控制单元、高压电源单元以及第一脉冲单元；所述第二脉冲生成单元包括主控制单元、高压电源单元以及第二脉冲单元；所述主控制单元与高压电源单元输入端连接；所述高压电源单元输出端通过第一开关与第一脉冲单元电连接；所述主控制单元向高压电源单元发送控制信号，当第一开关处于第一状态时，第
一脉冲单元工作，输出双向高压高频微秒脉冲群；当第一开关处于第二状态时，第二脉冲单元工作，输出双向高频纳秒脉冲群。
9.作为优选，所述高压电源单元与第一开关之间设有可调电阻vr。
10.作为优选，所述第一脉冲单元与第一高压开关阵列之间设有第一隔离变压器，第一隔离变压器输出端还设有第一电流传感器，第一电流传感器与主控制单元电连接；所述第二脉冲单元与第二高压开关阵列之间设有第二隔离变压器，第二隔离变压器输出端还设有第二电流传感器，第二电流传感器与主控制单元电连接。
11.作为优选，所述第一脉冲单元包括第一高压电容和第一高压开关，第一高压开关为h桥电路；所述第一高压电容与h桥电路并联设置；所述第二脉冲单元包括第二高压电容和第二高压开关第二高压开关为sic高压开关；所述第二高压电容与sic高压开关并联设置。
12.作为优选，还包括开关单元和显示单元，开关单元和显示单元均与主控制单元连接。
13.作为优选，还包括用于采集心电信号的心电单元，心电单元与主控制单元输入端连接，所述主控制单元控制第一脉冲单元或第二脉冲单元在心脏的心电不应期内输出脉冲信号。
14.有益效果：本技术采用多级可控的复合脉冲发生控制系统，包括两路相互独立的脉冲输出回路，分别输出双向高压高频微秒脉冲群和双向高频纳秒脉冲群，通过第一开关进行导通切换。以脉冲群代替单脉冲作用于消融靶点，通过高频化和双向脉冲的脉冲形式，在单个心电不应期内发送，减弱肌肉收缩反应。通过第一/第二高压开关阵列进行多电极切换，实现高压多路独立输出，为不同消融靶点提供消融脉冲能量。本技术可实现纳秒级高压脉冲多等级脉宽连续调节，同时实现微秒级高频高压脉冲的电参数连续可调，电压等级可在1kv-10kv连续宽范围内调节，可用于脉冲消融治疗术或用于探索测试消融效果最佳参数，为不同肿瘤组织的消融提供多种参数支持。
附图说明
15.图1为复合脉冲发生控制系统电气图；图2为第一隔离变压器、第二隔离变压器绕组示意图；图3为sic高压开关图；图4为第一高压开关阵列示意图；图5为单电平双向高频脉冲示例；图6为脉冲群双向复合脉冲示例；图7为阶梯式上升和阶梯式下降多级复合脉冲群示例；图8为三角形包络的缓升和缓降复合脉冲群示例；图9为缓慢上升型的复合脉冲群示例；图10为缓慢下降型的复合脉冲群示例；图中：100、显示单元；110、主控制单元；120、开关单元；130、高压电源单元；140、可调电阻；150、第一开关；151、第一高压电容；160、第一高压开关；164、第一隔离变压器；180、第一电流传感器；190、第一高压开关阵列；200、第二高压电容；210第二高压开关；220、第二
隔离变压器；230、第二电流传感器；240、第二高压开关阵列；250、第二驱动电路；300、心电单元。
具体实施方式
16.在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本技术而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本技术所要求保护的技术方案。
17.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本技术的实施方式作进一步地详细描述。
18.多级可控的复合脉冲发生控制系统，多级可控的复合脉冲发生控制系统，包括第一脉冲生成单元和第二脉冲生成单元，分别输出双向高压高频微秒脉冲群和双向高频纳秒脉冲群，图5-10示出了多种脉冲形式。双向高压高频微秒脉冲群通过第一高压开关阵列与电极组连接，双向高频纳秒脉冲群通过第二高压开关阵列与电极组连接，电极组包括n组电极。换句话说，第一脉冲生成单元和第二脉冲生成单元分时共用一个电极组。如图4所示，第一高压开关阵列用于控制作用于人体待消融部位的电极的通断，图中的1，
……
，p代表p组电极，第二高压开关阵列和第一高压开关阵列结构相同。
19.具体地，如图1所示，多级可控的复合脉冲发生控制系统包括主控制单元110、高压电源单元130、第一脉冲单元以及第二脉冲单元。主控制单元110与高压电源单元130输入端连接，高压电源单元130输出端通过第一开关150与第一脉冲单元、第二脉冲单元连接；主控制单元110向高压电源单元130发送控制信号，当第一开关150处于第一状态时，第一脉冲单元工作，输出双向高压高频微秒脉冲群，脉冲频率为1hz~30khz，微秒包络脉宽为1us~200us；当第一开关150处于第二状态时，第二脉冲单元工作，输出双向高频纳秒脉冲群，脉冲频率为1hz~100khz，纳秒脉宽为10ns~900ns。脉冲电压范围为200v-10000v。具体地，主控制单元110采用mcu fpga控制模式或者采用dsp fpga模式，是整个控制系统的核心控制中枢，负责驱动信号的发送，高压脉冲电压的控制，时序的控制，脉冲电流反馈的处理，以及各种异常信号的处理和响应。高压电源单元130是脉冲电源的能量提供者，其电压幅度等级通过主控制单元110的串口指令准确调节，电压调节可采用低模拟电压调节实现，其中低模拟电压调节范围的上下限分别对应高压电源单元130输出的上下限电压，比例恒定，限行调节。高压电源单元130与第一开关150之间设有可调电阻140，可调电阻140为耐高压功率电阻，起到限流作用，保护第一高压电容151、第二高压电容200免受高冲击电流的损毁。
20.此外，为了使得控制系统的功能更加完备，本技术的控制系统还包括显示单元100、开关单元120以及心电单元300，显示单元100、开关单元120以及心电单元300均与主控制单元110连接。显示单元100可采用液晶显示屏、可触摸显示屏、电阻模式屏、电容模式屏等。显示单元100在脉冲发送前用于显示电脉冲参数的设置、患者信息、脉冲发送模式、电压幅度、脉冲宽度、脉冲个数和设备状态栏；进入脉冲发送模式后，显示单元100用于显示脉冲发送的进度、脉冲电流、系统状态等参数；当脉冲发送结束后，显示单元100用于显示脉冲发送结束信息，治疗参数保存等信息。开关单元120采用按键开阵列或键盘模式或是在触摸屏形式，包括急停开关和启动开关。开关单元120用来控制治疗参数、患者信息的输入，其中的紧急开关用于紧急情况下关闭高压电源单元130，停止发送脉冲，比如患者生命指标出现异
常时，就需要及时关停高压脉冲。心电单元300负责采集患者的心电信号并产生r波信号，主控制器单元根据接收到的心电信号确定发送脉冲的时间区间，具体时间是指检测到r波上升沿到r波结束约300ms的时间段内，该段时间为心室的收缩期，也为安全不应期，为发送脉冲的安全期。
21.第一脉冲单元和第二脉冲单元为两路相对独立的脉冲单元，通过第一开关150进行导通切换。当第一开关150处于常闭模式时，系统选择第一脉冲单元，进入微秒脉冲模式，电压等级范围1-10kv，采用四路开关模块（sw1-sw4）实现双向脉冲电路。当第一开关150转换到常开模式时，系统选择第二脉冲单元，处于纳秒脉冲模式，电压等级范围1-5kv，采用高压sic开关阵列实现脉冲电路，在单个心电不应期内发送多个窄脉冲，实现高频化，减少肌肉收缩反应。本技术采用的多级可控的复合脉冲发生控制系统，实现了电压等级、脉宽、频率的连续调节，为不同肿瘤组织的消融提供了多种参数支持。
22.具体地，第一脉冲单元包括第一高压电容151、第一高压开关160、第一隔离变压器164以及第一高压开关阵列190，第一高压开关160输入端与第一开关150连接，输出两路脉冲信号至第一隔离变压器164输入端，第一隔离变压器164输出端与第一高压开关阵列190连接；第一高压电容151与第一高压开关160并联设置。第一隔离变压器164的输出端还设有第一电流传感器180，第一电流传感器180与主控制单元110电连接。第一高压开关阵列190包括多路相互独立的输出电极，作用于患处。此外，高压电源单元130通过第一驱动电路与为第一高压开关160提供驱动信号。
23.其中，第一高压电容151为高压储能电容，为高压输出脉冲提供瞬间高能量，耐压等级高，放电速度快，为高压薄膜电容。第一隔离变压器164为大功率脉冲变压器，如图2所示，实现大功率超短脉冲的隔离和变压，磁芯采用高饱和磁感应强度、高导磁率、低矫顽力、低损耗的材料，可采用铁基超微晶铁芯，也可采用铁基超微晶带材。第一隔离变压器164的绕组采用耐高压不小于30kv的高压线，初次级绕组采用多个绕组交叉重叠互绕的工艺，减少漏磁，增加磁感量的耦合率，提高了能量传递的效率。第一高压开关160采用h桥电路， h桥电路包括4个开关管sw1-sw4，其中sw1-sw4可以采用高压igbt实现。h桥电路实现电压逆变，将输入的直流高压转化成双向高频脉冲电压，即高频正负脉冲，高频正负脉冲可以使消融区域的电场强度更加均匀，电荷积累也能及时释放。多级可控高频化脉冲群双极交替刺激，有效减少了直流电荷积累和单个脉冲能量，解决了肌肉抖动现象。
24.其中，第一驱动电路为h桥电路四个开关模块sw1-sw4提供隔离驱动信号，半桥上下对管的驱动设计了足够的死区以确保安全导通和关断，防止上下管同时导通。双向高压高频微秒脉冲群的实现过程：当sw1和sw4同时导通时，向第一隔离变压器164输入端发送正向脉冲；当sw2和sw3导通时，向第一隔离变压器164输入端发送负向脉冲。由于第一高压开关160的寄生参数较大，加上第一隔离变压器164输入绕组电感的影响，会导致脉冲换向时第一高压开关160的关断延时较大。为了防止换向时，上下对管sw1和sw2同时导通或者sw3和sw4同时导通短路而损毁开关，需要设计换向时足够的延迟时间。第一电流传感器180采用无接触互感模式，满足微秒窄脉冲电流检测的高精度和高速度要求，对陡上升沿和下降沿的检测精度达到亚纳秒级。第一高压开关阵列190包括多个输出电极，每个电极通过一个继电器控制。第一高压开关阵列190用来实现多电极切换，实现高压多路独立输出，为不同消融靶点提供消融脉冲能量。
25.具体地，第二脉冲单元包括第二高压电容200、第二高压开关210、第二隔离变压器220以及第二高压开关阵列240。第二高压开关210输入端与第二开关连接，输出一路脉冲信号至第二隔离变压器220输入端，第二隔离变压器220输出端与第二高压开关阵列240连接。第二高压开关210为sic高压开关，第二高压电容200与sic高压开关并联设置。第二隔离变压器220的输出端还设有第二电流传感器230，第二电流传感器230与主控制单元110电连接。第二高压开关阵列240包括多路相互独立的输出电极。第二高压电容200、第二隔离变压器220以及第二高压开关阵列240的作用与第一高压电容151、第一隔离变压器164以及第一高压开关阵列190的作用相类似。高压电源单元130通过第二驱动电路250为sic高压开关提供隔离驱动信号其中，如图3所示，第二高压开关210采用高速、低上升沿和低下降沿的sic管，由于现有sic管的耐压等级一般为1700v，所以采用多个sic管串联连接的方式，以达到设定的耐压要求。在sic管多级串联电路中，工作时理想状态是串联的几个管子同时开通和关断，这样单管的耐压是均匀的，但是由于管子参数的差异，即使是同时给同样的驱动信号，串联的几只管子也存在着导通不同步的情况，后果是导致延迟导通的管子承受了超过自身耐压等级的电压，会损毁管子。本技术为了避免多个sic管分压不均容易造成单管耐压超标损坏问题，采用drc均压技术，瞬态保护二极管d、电阻r和电容c就会在过压的瞬间将电压钳位在安全的范围，保护对应的sic管，而当sic管导通时，drc电路处于不工作状态，不影响sic管的性能。同时，采用高速光耦，同步隔离驱动，解决浮地驱动和驱动信号不同步问题。
26.控制系统工作流程：控制系统开机后，主控制单元110首先通过自检程序检测系统的供电系统、显示单元、急停开关状态等是否正常，自检合格，脉冲输出口连接负载后，准备治疗。使用者通过开关单元120或者显示单元100的触摸功能输入治疗参数、患者信息等。当选择微秒脉冲时，第一开关150不动作处于常闭状态。开始发送脉冲时，主控制单元110向高压电源单元130发送电压指令（输出多少电压）并控制脉冲宽度和频率，同时向第一驱动电路发送驱动信号，使得h桥电路的sw1和sw4导通，延时死区后sw2和sw3导通，h桥电路交替发出正向脉冲和负向脉冲；同时主控制单元110采集第一电流传感器180的电流信号并处理显示在显示单元100，如果电流值超过最大限值或小于最小值，随即关闭高压电源单元130和第一驱动电路，并在显示单元100显示系统状态警示信息：过流或欠流。当直流高压电源单元130输出电压低于设置高压的20%时，停止输出，状态栏显示高压电源单元130欠压。如果系统显示一切正常，则脉冲发送正常进行，并在显示单元100显示治疗参数，脉冲发送的进度、脉冲电流、系统状态正常等信息。同理，当系统参数设置时选择纳秒脉冲模式，开始治疗后第一开关150动作，接通到第二高压电容200，通过第二驱动电路250和第二高压开关210实现脉冲换向。
27.需要说明的是，在申请中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
28.此外应理解，在阅读了本技术的内容之后，本领域技术人员可以对本技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所要求保护的范围。