專利名稱：不可逆電子穿孔儀電路的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及ー種醫療器械，特別涉及ー種不可逆電子穿孔儀電路。
背景技術：
電穿孔是在脈沖電場作用下，細胞膜產生微孔的物理過程。細胞膜的電穿孔是ー種現象。根據脈沖電場強度、脈沖寬度和作用次數的不同，電穿孔分為可逆電穿孔和不可逆電穿孔。可逆電穿孔是在細胞膜應用適當強度和寬度的電場，脈沖電場使磷脂或磷脂蛋白膜上產生暫時的、可逆的孔道或通透。當細胞暴露在電場中，在細胞膜上誘發跨膜電壓，如果電壓超過某ー個值時，導致細胞膜的通透性和電導率顯著增加，一般要増加幾個數量級。 在脈沖電場作用過后，孔道自然封閉，細胞會恢復正常狀態。由于膜的通透性増加，在其它運輸機制下不能穿越細胞膜的分子可以穿越細胞膜。可逆電穿孔使細胞內外分子交換能力顯著增加，有利于細胞吸收各種藥物、基因物質、蛋白質和其它大分子等。將電脈沖與化療藥物相結合治療腫瘤，創立了腫瘤的電脈沖化學療法。此法可比常規化療效果更好，但由于使用化療藥物對患者有較強的毒副作用。當脈沖電場超過細胞可承受的極限吋，電場過后，細胞膜不能重新封閉，細胞出現不可恢復的破裂導致細胞死亡，這種現象稱作不可逆性電擊穿。是否發生不可逆電穿孔，與電脈沖的寬度、脈沖幅度、脈沖次數以及細胞的物理化學特性有關。在過去的電穿孔應用研究中，如基因轉染、腫瘤電脈沖化療等，利用細胞的可逆性電擊穿現象，控制不可逆性電擊穿現象。將電脈沖引人到腫瘤組織中，使惡性腫瘤細胞發生不可逆性電擊穿，這樣就破壞了腫瘤的生存條件，達到了殺傷腫瘤細胞的目的。這種不用化療藥物，単獨使用強脈沖電場可以導致腫瘤細胞程序性死亡(凋亡)井能有效抑制腫瘤的生長。這種腫瘤治療方法稱為不可逆電穿孔腫瘤消融術。不可逆電穿孔的主要優點是可以避免使用藥物，因為它只依賴外加電場的作用殺死癌細胞。為了取得對靶組織不可逆電穿孔，電場強度必須超過閾值。如果使用六個電極治療靶組織體積50 70cm3，要實現不可逆電穿孔，需要應用3000V電壓。該設備的指標確保在40cm3電場強度至少是800V/cm，該值被認為是在大多數細胞不可逆電穿孔的閾值。為了將不可逆電穿孔腫瘤消融術應用到臨床中，需要尋找產生不可逆電穿孔的最佳脈沖參數和實驗條件。為此發明ー種參數范圍比較寬、性能穩定、安全的不可逆電子穿孔儀。
發明內容本實用新型是針對現在不可逆電穿孔腫瘤消融術還無法應用的問題，提出了ー種不可逆電子穿孔儀電路，使活細胞產生不可逆性電擊穿，可以用于腫瘤治療的實驗研究。本實用新型的技術方案為ー種不可逆電子穿孔儀電路，鍵盤將指令送入微控制器，微控制器輸出信號到脈沖發生電路，脈沖發生電路發脈沖信號到脈沖放大電路；微控制器輸出控制信號到高壓電源模塊，高壓電源模塊轉換控制信號輸出設定幅度的電壓值到脈沖放大電路，脈沖放大電路輸出高壓脈沖到電極，同時脈沖放大電路將信號返回微控制器，微控制器輸出數據到顯示上顯示運行數據。所述脈沖放大電路包括驅動器芯片、絕緣柵雙極晶體管，電阻、儲能電容器、ニ極管依次串聯接高壓電源模塊輸出，ニ極管負極接地，儲能電容器、ニ極管)中間點輸出接電極，放電電阻并聯在儲能電容器兩端，電阻并聯在ニ級管兩端；兩采樣電阻并聯在儲能電容器和地之間，兩采樣電阻中間點將充電電壓信號送回微控制器，脈沖發生電路發出設定的脈沖寬度和脈沖次數經驅動器芯片接絕緣柵雙極晶體管的基板，絕緣柵雙極晶體管發射極串聯接地電阻，絕緣柵雙極晶體管集電極接儲能電容器高電壓端，兩輸出采樣電阻串聯后并聯于輸出電極上，兩輸出米樣電阻中間點將輸出信號送回微控制器。本實用新型的有益效果在于本實用新型ー種不可逆電子穿孔儀電路，采用IGBT開關技木，脈沖輸出波形接近方波，減少電沖擊過程中熱量的產生；具有高速保護功能的驅動電路，具有輸出短路保護，提電路的可靠性和安全性；儀器的脈沖參數可調節范圍寬，便于尋找產生不可逆電穿孔的最佳脈沖參數和實驗條件；儀器輸出的高壓脈沖幅度，可滿足離體和在體各種不可逆電穿孔實驗研究要求。

圖I是本實用新型不可逆電子穿孔儀電路原理框圖；圖2是本實用新型不可逆電子穿孔儀電路圖。
具體實施方式
如圖I所示不可逆電子穿孔儀電路原理框圖，鍵盤I將指令送入微控制器2，微控制器2輸出信號到脈沖發生電路6，脈沖發生電路6發脈沖信號到脈沖放大電路5，高壓電源模塊3在微控制器2的控制下輸出設定幅度的電壓值到脈沖放大電路5,脈沖放大電路5輸出高壓脈沖到電極4，同時脈沖放大電路5將信號返回微控制器2，微控制器2輸出數據到顯示7上顯示運行數據。如圖2所示不可逆電子穿孔儀電路圖，脈沖放大電路包括驅動器芯片U4、絕緣柵雙極晶體管Q1、ニ極管、電容、電阻，高壓電源模塊3輸出的電壓通過串聯電阻R1、ニ極管Dl給儲能電容器C2充電，電容器充電電壓決定輸出脈沖的幅度，最大電壓值為3000V，放電電阻R4并聯在儲能電容器C2兩端保證在電壓調低時和儀器關閉后對儲能電容器C2進行放電。電阻R8并聯在ニ級管Dl兩端是用來克服ニ級管Dl的正向壓降，保證充電電壓幅度的精確度。電容充電電壓經電阻R2和R3分壓后，送入微控制器2中的A/D轉換器中。微處理器2確認電容的電壓是否達到設定值。如果沒有達到設定值，高壓電源模塊3將已達最大電流繼續充電；如果達到設定值，高壓電源模塊3會自動減小充電電流到R4的放電電流值，因此，保持電容電壓不變，做好放電準備。脈沖輸出過程如下首先微控制器2確認電容充電是否正常，如果充電正常，微控制器2啟動脈沖發生電路6，同時，通過其內部的D/A轉換器給出ー個峰值電流電壓信號到IGBT驅動器U4的ILIM引腳，設定最大脈沖輸出電流，電流設置范圍為O 50A。最大脈沖輸出電流的確定是根據具體實驗要求而定，體外實驗時，電流可達50A，在電沖擊的過程中，組織的阻抗不斷變化。因此，最大電流的限制，能有效地保證電穿孔效果。脈沖發生電路6發出設定的脈沖寬度和脈沖次數。該脈沖經驅動器U4后，控制IGBT (絕緣柵雙極晶體管)開關Q1。開關Ql導通后，將電容器C2的正極通過取樣電阻R7接地。由于R7非常小，其電壓降可以忽略不計。這時ニ極管Dl反向偏置，Dl截止。在輸出端輸出ー個與設置電壓幅度相同的幅脈沖。串聯的兩電阻R9、R10并聯于輸出電極上，兩電阻R9、R10中間點將輸出信號送回微控制器2，用于監測輸出脈沖的幅度。脈沖輸出電流在取樣電阻R7上產生的電壓，經R6和C 3濾波后送到U4的電流感應端CS，該電壓與Ul給出的峰值電流電壓進行比較。如果大于峰值電流電壓，表明過流或輸出短路，則立即關閉IGBT開關Q1，同時，在U4的CLF引腳發出過流信號指示給為微控制器U1，U1禁止脈沖發生電路U2和高壓電源模塊U3，并發出報警指示給操作者。因此，在保證操作者安全的同時，也保證實驗的有效性。控制部分采用單片機系統控制，具有以下幾點功能(I)設定參數用戶可根據具體實驗要求設定沖擊脈沖電壓幅度、最大脈沖電流、脈沖寬度、脈沖周期和脈沖次數。(2)控制脈沖發生電路的啟動和輸出驅動脈沖參數。 (3)控制高壓發生模塊的啟動和輸出電壓。(4)報警檢測輸出脈沖的電流和電壓。發生異常時，系統會自動給出報警。(5)顯示部分對儀器的狀態參數進行顯示。不可逆電穿孔需要解決的關鍵問題是高電壓和大電流(50A)方波脈沖的發生問題。脈沖功率達到150kW。由于需施加高能量進行電沖擊實驗，操作者安全也是ー個重要問題。因此，快速高電壓脈沖發生器要求其結構堅固，可靠性高。在故障情況下，能提供多種保護措施，同時為操作者提供ー個良好的用戶界面，盡量減少錯誤的機會。不可逆電穿孔儀的主要危險是從儲能電容器中輸出高能，這可能給操作者帶來觸電的風險。除了滿足醫療設備一般安全要求標準規定外，必須可靠地控制電極的能量釋放，避免誤操作以及無意或不正確能量釋放。設備的堅固性必須保證，需采取足夠的保護措施，確保ー些關鍵部件發生故障吋，不能使儲存的能量對外的釋放。正常工作時，能量輸出必須精確可靠的控制，可以通過特定的軟件/硬件安全保障措施給與保證。治療過程中生物組織電阻不可預測性，可能發生電極之間發生短路和火花，因此儀器必須牢固，應采取短路保護措施。具體保護措施I.采用高壓IGBT開關技術。IGBT集功率MOSFET的高速性能與雙極性器件的低電阻于一體，具有輸入阻抗高、電壓控制功耗低、控制電路簡單、耐高壓、承受電流大等特性。本發明中采用單只高壓IGBT開關，避免多只功率開關器件串聯使用時，由于電壓不均勻分配導致擊穿的風險。2.采用冗余設計，不可逆電穿孔儀最大輸出電流50A，而IGBT的脈沖電流達到350A。3.采用帶過流保護功能的高速大電流IGBT驅動器，過電流響應時間非常短(小于 20ns)ο 4.最大保護電流可以設置，在滿足實驗要求的同時，提高可靠性。[0032] 5.發生異常吋，系統會自動關閉輸出和高 壓模塊。
權利要求1.ー種不可逆電子穿孔儀電路，其特征在干，鍵盤(I)將指令送入微控制器(2)，微控制器(2)輸出信號到脈沖發生電路(6)，脈沖發生電路(6)發脈沖信號到脈沖放大電路(5);微控制器(2)輸出控制信號到高壓電源模塊(3)，高壓電源模塊(3)轉換控制信號輸出設定幅度的電壓值到脈沖放大電路(5)，脈沖放大電路(5)輸出高壓脈沖到電極(4)，同時脈沖放大電路(5)將信號返回微控制器(2)，微控制器(2)輸出數據到顯示(7)上顯示運行數據。
2.根據權利要求I所述不可逆電子穿孔儀電路，其特征在于，所述脈沖放大電路(5)包括驅動器芯片(U4)、絕緣柵雙極晶體管(Q1)，電阻(R1)、儲能電容器(C2)、ニ極管(Dl)依次串聯接高壓電源模塊(3)輸出，ニ極管(Dl)負極接地，儲能電容器(C2)、ニ極管(Dl)中間點輸出接電極(4)，放電電阻(R4)并聯在儲能電容器(C2)兩端，電阻(R8)并聯在ニ級管(Dl)兩端；兩采樣電阻(R2、R3)并聯在儲能電容器(C2)和地之間，兩電阻(R2、R3)中間點將充電電壓信號送回微控制器(2)，脈沖發生電路(6)發出設定的脈沖寬度和脈沖次數經驅動器芯片(U4)接絕緣柵雙極晶體管(Ql)的基板，絕緣柵雙極晶體管(Ql)發射極串聯接地電阻(R7)，絕緣柵雙極晶體管(Ql)集電極接儲能電容器(C2)高電壓端，兩輸出采樣電阻(R9、R10)串聯后并聯于輸出電極(4)上，兩輸出采樣電阻(R9、R10)中間點將輸出信號送回微控制器⑵。
專利摘要本實用新型涉及一種不可逆電子穿孔儀電路，鍵盤將指令送入微控制器，微控制器輸出信號到脈沖發生電路，脈沖發生電路發脈沖信號到脈沖放大電路；微控制器輸出控制信號到高壓電源模塊，高壓電源模塊轉換控制信號輸出設定幅度的電壓值到脈沖放大電路，脈沖放大電路輸出高壓脈沖到電極，同時脈沖放大電路將信號返回微控制器，微控制器輸出數據到顯示上顯示運行數據。采用IGBT開關技術，脈沖輸出波形接近方波，減少電沖擊過程中熱量的產生；提高電路的可靠性和安全性；儀器的脈沖參數可調節范圍寬，便于尋找產生不可逆電穿孔的最佳脈沖參數和實驗條件；儀器輸出的高壓脈沖幅度，可滿足離體和在體各種不可逆電穿孔實驗研究要求。
文檔編號A61B18/00GK202458657SQ20112033149
公開日2012年10月3日 申請日期2011年9月6日 優先權日2011年9月6日
發明者孫大軍 申請人:上海醫療器械高等專科學校, 上海理工大學