專利名稱：基于fpga控制的全固態(tài)高壓納秒方波脈沖發(fā)生器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于生物電磁技術領域，具體涉及基于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)控制的全固態(tài)高壓納秒方波脈沖發(fā)生器。
背景技術：
目前，納秒脈沖功率技術正在越來越廣泛地被應用到高科技研究、高新技術和民用工業(yè)等研究領域，主要致力于在石油勘探、加速器、準分子激光器、粒子束、電子束和醫(yī)療技術等領域的應用研究。就民用領域的生物醫(yī)學領域而言，納秒脈沖電場對細胞結(jié)構和功能的影響以及其對生物體的治療作用，已經(jīng)成為生物電磁技術領域的研究熱點。研究表明當脈寬降低至納秒(ns)級、電場強度升高到lOkV/cm及以上時，這種納秒脈沖電場帶來的是一系列與電穿孔現(xiàn)象截然不同的細胞響應，盡管細胞膜表面沒有發(fā)生明顯的電穿孔現(xiàn)象，但細胞內(nèi)部卻出現(xiàn)了磷脂酰絲氨酸外翻、半胱氨酸蛋白酶(Caspases)活化、鈣離子釋放、DNA和染色體破碎、大量微核產(chǎn)生等一系列的功能性改變，同時誘導細胞發(fā)生程序性死亡(Programmed death)，也稱之為凋亡(Apoptosis)，這種現(xiàn)象稱之為細胞內(nèi)處理電效應 (Intracellular Electromanipulation, IEM)。納秒脈沖電場以其獨特的細胞內(nèi)電處理效應及其誘導凋亡的重要特征已引起人們極大的關注，成為生物電磁技術研究的重要課題。現(xiàn)有高壓納秒脈沖發(fā)生器，如申請?zhí)枮?00910191957. 8的“便攜式高壓納秒方波脈沖發(fā)生器”，該專利公開了一種基于布魯姆萊恩(Blumlein)單形成線集中參數(shù)原理產(chǎn)生脈沖的納秒脈沖發(fā)生器，該裝置主要包括電源系統(tǒng)、高壓直流模塊、低壓電源、脈沖形成系統(tǒng)和脈沖整形及計數(shù)系統(tǒng)。裝置輸出脈沖幅值最高15kV，脈寬調(diào)節(jié)范圍50niTlUS，上升沿陡度可達10ns，輸出脈沖重復頻率0. 2 15Hz可控，輸出脈沖個數(shù)可設定。該裝置主要缺點是采用火花氣體開關為主開關，維護和更換費用高，限制了該裝置的使用壽命；輸出脈沖重復頻率低，不利于納秒脈沖電場腫瘤細胞內(nèi)電處理效應窗口參數(shù)的選擇；輸出脈沖脈寬調(diào)節(jié)需要通過手動增減或減少網(wǎng)絡模塊，很難實現(xiàn)對脈沖參數(shù)的精確顯示與調(diào)節(jié)，不利于脈沖參數(shù)的實時調(diào)節(jié)；需要高精度的負載電阻與之匹配才能輸出方波脈沖，限制了裝置的使用范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有高壓納秒脈沖發(fā)生器的不足之處，提供一種基于FPGA 控制的全固態(tài)高壓納秒方波脈沖發(fā)生器。本發(fā)明具有體積小、使用壽命長、能精確控制輸出納秒方波脈沖的電壓幅值((TlOkv)、脈沖寬度(20(Tl000nS)、脈沖頻率(廣1000Hz)和脈沖個數(shù)(廣1000個)四項參數(shù)、下降沿陡(30 40ns)的特點。本發(fā)明的原理本發(fā)明基于馬克斯發(fā)生器原理，通過對一組電容器并聯(lián)充電，然后由固態(tài)開關器件對電容器串聯(lián)放電產(chǎn)生的初始脈沖斬波獲得所需高壓納秒方波脈沖。操作人員通過便攜式計算機的脈沖發(fā)生器控制程序用戶界面設置輸出脈沖幅值、脈沖寬度、脈沖頻率和脈沖個數(shù)，被FPGA控制系統(tǒng)的單片機模塊和FPGA模塊運算處理后通過信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)發(fā)送控制信號給脈沖形成系統(tǒng)和高壓直流模塊。高壓直流模塊按照操作人員設定的輸出脈沖幅值通過限流電阻為脈沖形成系統(tǒng)中的馬克斯電路供電，電容器組進行并聯(lián)充電， 充電完成后電容器組通過串聯(lián)放電形成倍壓釋放到負載上。固態(tài)開關器件按照操作人員設定的脈沖寬度、脈沖頻率和脈沖個數(shù)進行開關動作從而控制輸出脈沖的寬度、頻率和脈沖個數(shù)。脈沖測量系統(tǒng)中的分壓器測量得到的輸出脈沖電壓通過處理電路處理后發(fā)送給FPGA 控制系統(tǒng)，實時調(diào)節(jié)充電電壓，這樣可以使裝置輸出恒定的預設幅值的高壓納秒方波脈沖； 電流傳感器測量得到的輸出脈沖電流信號通過處理電路處理后發(fā)送給FPGA控制系統(tǒng)，當超過整定電流信號時，由FPGA控制系統(tǒng)進行延時判斷鎖定控制信號，關斷脈沖形成系統(tǒng)中的固態(tài)開關器件工作，實現(xiàn)整個裝置的保護功能。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術方案一種基于FPGA控制的全固態(tài)高壓納秒方波脈沖發(fā)生器，主要包括電源系統(tǒng)、脈沖形成系統(tǒng)、脈沖測量系統(tǒng)、FPGA控制系統(tǒng)、信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和便攜式計算機。所述的電源系統(tǒng)，包括電源、隔離變壓器(電壓、頻率變比均為1:1)、高壓直流模塊、開關電源Tl、開關電源T2、DC-DC模塊。所述的電源為220V市電，通過導線與隔離變壓器的原邊連接，隔離變壓器的副邊通過導線與高壓直流模塊的輸入端連接，用以為高壓直流模塊提供交流電源。所述的高壓直流模塊為輸出最高電壓幅值2000V、最大電流幅值40mA 直流電的市購模塊，所述的高壓直流模塊的輸出端通過導線與脈沖形成系統(tǒng)的充電隔離電阻串聯(lián)后再與脈沖形成系統(tǒng)的馬克斯電路的輸入端連接，用以為脈沖形成系統(tǒng)的馬克斯電路中的儲能電容器組提供充電電源。所述的隔離變壓器的原邊的接地線與副邊的接地線不直接連接，將所述的電源與所述的高壓直流模塊進行隔離，使它們不同大地連接，大大減少了來自于大地的各種干擾信號，提高了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。所述的開關電源Tl (市購元件) 的輸入端通過導線與所述的電源連接，所述的開關電源Tl將220V交流電轉(zhuǎn)換為15V的直流電后，通過導線與所述的DC-DC模塊的輸入端連接，所述的DC-DC模塊(市購元件)將 15V直流電轉(zhuǎn)換為15V直流電后通過導線與脈沖形成系統(tǒng)的馬克斯電路中的開關驅(qū)動器的輸入端連接，用以為開關驅(qū)動器提供電源，同時起到強、弱電之間的電壓隔離作用。所述的開關電源T2 (市購元件)的輸入端通過導線與所述的電源連接，所述的開關電源T2將220V 交流電轉(zhuǎn)換為5V直流電后，分別通過導線分別與FPGA控制系統(tǒng)中的FPGA模塊、單片機模塊和報警模塊及信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的兩個電/光轉(zhuǎn)換器Jl、J2和兩個光/電轉(zhuǎn)換器ΚΙ、K2的輸入端連接，用以為所述的FPGA控制系統(tǒng)中的FPGA模塊、單片機模塊和報警模塊以及所述信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的所述四個轉(zhuǎn)換器提供電源。所述的電源系統(tǒng)為本發(fā)明的所述的脈沖形成系統(tǒng)、所述的FPGA控制系統(tǒng)和所述的信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)提供安全、穩(wěn)定的電源，保障其正常工作。所述的脈沖形成系統(tǒng)，包括充電隔離電阻、馬克斯電路和負載。所述的充電隔離電阻的一端通過導線與前述電源系統(tǒng)的高壓直流模塊的輸出端連接，用以起到充電的限流和馬克斯電路的高壓與充電直流模塊電源電壓隔離的作用。所述的充電隔離電阻的另一端通過導線與馬克斯電路的第一級電壓單元的旁路二極管的正極連接。所述的馬克斯電路由 rio級串聯(lián)在母板上的帶旁路二極管的電壓單元組成，用以形成高壓納秒方波脈沖。每級電壓單元由全固態(tài)開關、開關驅(qū)動器、儲能電容器、旁路二極管和二極管組成。在每級所述的電壓單元中旁路二極管的負極通過導線與全固態(tài)開關和儲能電容器的并聯(lián)點連接，全固態(tài)開關的柵極通過導線與開關驅(qū)動器的輸出端連接，開關驅(qū)動器的輸入端通過導線與所述的電源系統(tǒng)的DC-DC模塊的輸出端連接，開關驅(qū)動器的控制端通過導線與所述的信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的第二光/電轉(zhuǎn)換器K2連接，在所述的信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的第二光/電轉(zhuǎn)換器K2的作用下，在馬克斯電路中的開關驅(qū)動器輸出驅(qū)動信號使全固態(tài)開關開通/關斷；儲能電容器的另一端與二極管的正極串聯(lián)后，再與全固態(tài)開關并聯(lián)。當全固態(tài)開關處于關斷狀態(tài)時， 旁路二極管和二極管導通形成儲能電容器的充電電流通路，儲能電容器以并聯(lián)方式進行充電；當全固態(tài)開關處于開通狀態(tài)時，旁路二極管和二極管反向截止，已經(jīng)充滿至預設電壓的儲能電容器以串聯(lián)方式對負載進行放電，控制儲能電容器對負載放電的脈沖寬度而形成所需的高壓納秒方波脈沖；當全固態(tài)開關重新斷開時，對儲能電容器再次充電。同時，當某一個或者多個全固態(tài)開關失效的情況下，該一個或者多個電壓單元的旁路二極管和二極管導通而自動旁路該一個或者多個電壓單元，其余電壓單元仍能正常工作，從而使系統(tǒng)仍然能夠輸出高壓納秒方波脈沖。所述的負載為無感電阻負載，通過導線并聯(lián)在馬克斯電路的輸出端，從而構成馬克斯電路的放電回路，作為治療腫瘤的輸出高壓納秒方波脈沖端。在馬克斯電路的輸出端與所述負載的連接處通過導線與脈沖測量系統(tǒng)連接。所述的脈沖測量系統(tǒng)，包括分壓器、電流傳感器和處理電路。所述的分壓器的輸入端通過導線與所述的脈沖形成系統(tǒng)的輸出端連接，所述分壓器的輸出端通過導線與處理電路的輸入端連接，用于監(jiān)測所述的脈沖形成系統(tǒng)的馬克斯電路產(chǎn)生的脈沖電壓信號。所述的電流傳感器的輸入端通過導線與所述的脈沖形成系統(tǒng)的輸出端連接，所述電流傳感器的輸出端通過導線與處理電路的輸入端連接，用于監(jiān)測所述的脈沖形成系統(tǒng)的馬克斯電路產(chǎn)生的脈沖電流信號。所述處理電路的輸出端通過導線與所述的FPGA控制系統(tǒng)的FPGA模塊的輸入端連接。通過FPGA控制系統(tǒng)運算處理后檢測出所述馬克斯電路對所述負載的放電狀態(tài)信息。所述的FPGA控制系統(tǒng)，包括市購的FPGA模塊和同步觸發(fā)模塊及單片機模塊以及報警模塊。所述的FPGA模塊接收從所述測量系統(tǒng)的處理電路傳輸來的監(jiān)測的所述脈沖形成系統(tǒng)的馬克斯電路輸出的高壓納秒方波脈沖的電壓和電流信號，經(jīng)過運算處理后，一方面所述的FPGA模塊通過導線與所述的單片機模塊進行數(shù)據(jù)交換。另一方面所述FPGA模塊通過導線與所述的同步觸發(fā)模塊的輸入端連接，所述同步觸發(fā)模塊的輸出端通過光纖，經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的第二電/光轉(zhuǎn)換器J2和第二光/電轉(zhuǎn)換器K2，與所述的脈沖形成系統(tǒng)的馬克斯電路的開關驅(qū)動器的控制端連接，將所述的同步觸發(fā)模塊發(fā)送給開關驅(qū)動器的同步觸發(fā)脈沖信號轉(zhuǎn)換成光信號進行傳輸，避免受到所述的脈沖形成系統(tǒng)的高壓的干擾，確保同步觸發(fā)脈沖信號的穩(wěn)定性與同步性。所述的報警模塊通過導線與所述的FPGA模塊連接，當負載輸出的脈沖電流超過整定電流時，由所述的FPGA模塊進行延時判斷后鎖定同步觸發(fā)脈沖信號，關斷脈沖形成系統(tǒng)中的全固態(tài)開關工作并通過所述的報警模塊發(fā)出報警信號，提示操作人員切斷電源，從而確保本發(fā)明脈沖發(fā)生器和操作人員的安全。所述的單片機模塊通過光纖，經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的第一電/光轉(zhuǎn)換器Jl和第一光/電轉(zhuǎn)換器Kl與所述電源系統(tǒng)的高壓直流模塊的控制端連接，將所述的FPGA控制系統(tǒng)發(fā)出的對所述的高壓直流模塊的控制信號轉(zhuǎn)換成光信號進行傳輸，避免受到所述的脈沖形成系統(tǒng)的高壓的干擾， 控制所述的高壓直流模塊向所述的儲能電容器組進行充電，確保方波脈沖的電壓幅值達到設定值。所述的FPGA控制系統(tǒng)的主要功能是通過便攜式計算機實現(xiàn)人機通信，發(fā)送高壓直流模塊、馬克斯電路控制信號，接收所述的脈沖測量系統(tǒng)得到的測量信號，控制整個發(fā)生器的工作并進行突發(fā)事故處理，對本發(fā)明起到總體控制作用。所述的便攜式計算機為市購計算機，計算機內(nèi)存為2GB DDR3，處理器為英特爾酷睿處理器i5-460M，采用Windows 7操作系統(tǒng)，硬盤為320GB，大容量的硬盤和高端的處理器，滿足本發(fā)明對便攜式計算機的要求。所述的便攜式計算機通過串行電纜與所述的FPGA 控制系統(tǒng)的單片機模塊連接，操作人員通過控制程序的用戶界面設置參數(shù)命令發(fā)送給所述的FPGA控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)人機交互通信。本發(fā)明的脈沖發(fā)生器輸出的脈沖幅值為(TlOkV、脈沖寬度為20(Tl000nS、脈沖頻率為廣1000Hz，下降沿為3(T40nS，脈沖個數(shù)為廣1000個，具體參數(shù)根據(jù)治療腫瘤的需要確定。本發(fā)明采用上述的技術方案后，主要具有如下的效果
1、本發(fā)明采用全固態(tài)開關器件，從而使使用壽命更長、工作頻率更高。馬克斯電路中的電壓單元采用模塊化設計，當電路內(nèi)某個或者某幾個全固態(tài)開關失效不會影響脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖，保證對負載產(chǎn)生高壓納秒方波脈沖。采用二極管代替電阻器，大大縮小了電路體積，并且降低了整個電路的損耗。2、本發(fā)明采用FPGA為控制芯片控制觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生，精確控制脈沖參數(shù)和高壓直流電源，并對本發(fā)明的工作狀態(tài)實時監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)故障能及時提示報警并進行處理，實現(xiàn)所述的全固態(tài)高壓納秒方波脈沖發(fā)生器的智能控制，與傳統(tǒng)的采用IC器件的控制方式相比， 具有大大降低電路復雜程度、處理速度快、編程靈活、集成度高、成本低、使用安全等優(yōu)點。3、本發(fā)明采用光纖作為信號傳輸通道，實現(xiàn)強、弱電信號之間的電氣隔離。與常用的采用光耦器件的方式相比，光纖的隔離電壓更高，并且響應速度快。光纖的高抗干擾性能大大避免了光信號在傳輸過程中受周圍環(huán)境的電磁干擾，確保所述的FPGA控制系統(tǒng)與主電路系統(tǒng)之間的絕緣。同時，光纖的響應速度能夠達到幾十納秒，滿足精度要求。4、本發(fā)明結(jié)構緊湊，布局合理，減小了放電回路的雜散電感，采用無感電阻負載， 提升了輸出脈沖度陡度，從而能夠提高腫瘤細胞凋亡率，達到更好的腫瘤治療效果，便于推廣應用。5、本發(fā)明工作可靠，操作安全，故障率低，實現(xiàn)了輸出脈沖幅值、脈寬、頻率和個數(shù)的任意調(diào)節(jié)，能夠輸出脈沖幅值((TlOkV)連續(xù)可調(diào)、脈沖寬度(20(Tl000ns)靈活可變、脈沖頻率(廣1000Hz)獨立可控和脈沖個數(shù)(廣1000個)可設定的高壓納秒方波脈沖，本發(fā)明輸出的高壓納秒方波脈沖，將更有利于誘導腫瘤細胞的凋亡。本發(fā)明可廣泛應用于腫瘤細胞的電脈沖治療，誘導腫瘤細胞的凋亡，從而提高腫瘤的治療效果。


圖1為本發(fā)明的原理框圖2為實施例1的脈沖形成系統(tǒng)的馬克斯電路拓撲圖； 圖3為實施例1中的輸出脈沖波形。圖中1電源系統(tǒng)，2脈沖形成系統(tǒng)，3脈沖測量系統(tǒng)，4 FPGA控制系統(tǒng)，5信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，6便攜式計算機，7馬克斯電路，8電壓單元，Re充電隔離電阻，CfCS儲能電容器， D1 D16 二極管，S1 S8全固態(tài)開關。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施方案，進一步說明本發(fā)明。實施例1
如圖廣2所示，一種基于FPGA控制的全固態(tài)高壓納秒方波脈沖發(fā)生器，主要包括電源系統(tǒng)1、脈沖形成系統(tǒng)2、脈沖測量系統(tǒng)3、FPGA控制系統(tǒng)4、信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)5和便攜式計算機6。所述的電源系統(tǒng)1，包括電源、隔離變壓器(電壓、頻率變比均為1:1)、高壓直流模塊、開關電源Tl、開關電源T2、DC-DC模塊。所述的電源為220V市電，通過導線與隔離變壓器的原邊連接，隔離變壓器的副邊通過導線與高壓直流模塊的輸入端連接，用以為高壓直流模塊提供交流電源。所述的高壓直流模塊為輸出最高電壓幅值2000V、最大電流幅值 40mA直流電的市購模塊，所述的高壓直流模塊的輸出端通過導線與脈沖形成系統(tǒng)2的充電隔離電阻Rc串聯(lián)后再與脈沖形成系統(tǒng)2的馬克斯電路7的輸入端連接，用以為脈沖形成系統(tǒng)2的馬克斯電路7中的儲能電容器組CfCS提供充電電源。所述的隔離變壓器的原邊的接地線與副邊的接地線不直接連接，將所述的電源與所述的高壓直流模塊進行隔離，使它們不同大地連接，大大減少了來自于大地的各種干擾信號，提高了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。所述的開關電源Tl (市購元件)的輸入端通過導線與所述的電源連接，所述的開關電源Tl將 220V交流電轉(zhuǎn)換為15V的直流電后，通過導線與所述的DC-DC模塊的輸入端連接，所述的 DC-DC模塊(市購元件)將15V直流電轉(zhuǎn)換為15V直流電后通過導線與脈沖形成系統(tǒng)2的馬克斯電路7中的開關驅(qū)動器的輸入端連接，用以為開關驅(qū)動器提供電源，同時起到強、弱電之間的電壓隔離作用。所述的開關電源T2(市購元件)的輸入端通過導線與所述的電源連接，所述的開關電源Τ2將220V交流電轉(zhuǎn)換為5V直流電后，分別通過導線分別與FPGA 控制系統(tǒng)4中的FPGA模塊、單片機模塊和報警模塊及信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)5的兩個電/光轉(zhuǎn)換器 Jl、J2和兩個光/電轉(zhuǎn)換器Κ1、Κ2的輸入端連接，用以為所述的FPGA控制系統(tǒng)4中的FPGA 模塊、單片機模塊和報警模塊以及所述信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)5的所述四個轉(zhuǎn)換器提供電源。所述的電源系統(tǒng)1為本發(fā)明的所述的脈沖形成系統(tǒng)2、所述的FPGA控制系統(tǒng)4和所述的信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)5提供安全、穩(wěn)定的電源，保障其正常工作。所述的脈沖形成系統(tǒng)2，包括充電隔離電阻R。、馬克斯電路7和負載。所述的充電隔離電阻Rc的一端通過導線與前述電源系統(tǒng)1的高壓直流模塊的輸出端連接，用以起到充電的限流和馬克斯電路7的高壓與充電直流模塊電源電壓隔離的作用。所述的充電隔離電阻&的另一端通過導線與馬克斯電路7的第一級電壓單元8的旁路二極管Dl的正極連接。 所述的馬克斯電路7由8級串聯(lián)在母板上的帶旁路二極管的電壓單元8組成，用以形成高壓納秒方波脈沖。每級電壓單元8由全固態(tài)開關、開關驅(qū)動器、儲能電容器、旁路二極管和二極管組成。在每級所述的電壓單元8中旁路二極管的負極通過導線與全固態(tài)開關和儲能電容器的并聯(lián)點連接，全固態(tài)開關的柵極通過導線與開關驅(qū)動器的輸出端連接，開關驅(qū)動器的輸入端通過導線與所述的電源系統(tǒng)1的DC-DC模塊的輸出端連接，開關驅(qū)動器的控制端通過導線與所述的信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)5的第二光/電轉(zhuǎn)換器Κ2連接，在所述的信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)5的第二光/電轉(zhuǎn)換器Κ2的作用下，在馬克斯電路7中的開關驅(qū)動器輸出驅(qū)動信號使全固態(tài)開關開通/關斷；儲能電容器的另一端與二極管的正極串聯(lián)后，再與全固態(tài)開關并聯(lián)。當全固態(tài)開關SfSS處于關斷狀態(tài)時，旁路二極管DfDS和二極管D9 D16導通形成儲能電容器CfCS的充電電流通路，儲能電容器CfCS以并聯(lián)方式進行充電；當全固態(tài)開關SfSS 處于開通狀態(tài)時，旁路二極管DfDS和二極管D9 D16反向截止，已經(jīng)充滿至預設電壓的儲能電容器CfCS以串聯(lián)方式對負載進行放電，控制儲能電容器CfCS對負載放電的脈沖寬度而形成所需的高壓納秒方波脈沖；當全固態(tài)開關SfSS重新斷開時，對儲能電容器CfCS 再次充電。同時，當某一個或者多個全固態(tài)開關失效的情況下，該一個或者多個電壓單元8 的旁路二極管和二極管導通而自動旁路該一個或者多個電壓單元8，其余電壓單元8仍能正常工作，從而使系統(tǒng)仍然能夠輸出高壓納秒方波脈沖。所述的負載為無感電阻負載，通過導線并聯(lián)在馬克斯電路7的輸出端，從而構成馬克斯電路7的放電回路，作為治療腫瘤的輸出高壓納秒方波脈沖端。在馬克斯電路7的輸出端與所述負載的連接處通過導線與脈沖測量系統(tǒng)3連接。所述的脈沖測量系統(tǒng)3，包括分壓器、電流傳感器和處理電路。所述的分壓器的輸入端通過導線與所述的脈沖形成系統(tǒng)2的輸出端連接，所述分壓器的輸出端通過導線與處理電路的輸入端連接，用于監(jiān)測所述的脈沖形成系統(tǒng)2的馬克斯電路7產(chǎn)生的脈沖電壓信號。所述的電流傳感器的輸入端通過導線與所述的脈沖形成系統(tǒng)2的輸出端連接，所述電流傳感器的輸出端通過導線與處理電路的輸入端連接，用于監(jiān)測所述的脈沖形成系統(tǒng)2的馬克斯電路7產(chǎn)生的脈沖電流信號。所述處理電路的輸出端通過導線與所述的FPGA控制系統(tǒng)4的FPGA模塊的輸入端連接。通過FPGA控制系統(tǒng)4運算處理后檢測出所述馬克斯電路7對所述負載的放電狀態(tài)信息。所述的FPGA控制系統(tǒng)4，包括市購的FPGA模塊和同步觸發(fā)模塊及單片機模塊以及報警模塊。所述的FPGA模塊接收從所述測量系統(tǒng)3的處理電路傳輸來的監(jiān)測的所述脈沖形成系統(tǒng)2的馬克斯電路7輸出的高壓納秒方波脈沖的電壓和電流信號，經(jīng)過運算處理后，一方面所述的FPGA模塊通過導線與所述的單片機模塊進行數(shù)據(jù)交換。另一方面所述 FPGA模塊通過導線與所述的同步觸發(fā)模塊的輸入端連接，所述同步觸發(fā)模塊的輸出端通過光纖，經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)5的第二電/光轉(zhuǎn)換器J2和第二光/電轉(zhuǎn)換器K2，與所述的脈沖形成系統(tǒng)2的馬克斯電路7的開關驅(qū)動器的控制端連接，將所述的同步觸發(fā)模塊發(fā)送給開關驅(qū)動器的同步觸發(fā)脈沖信號轉(zhuǎn)換成光信號進行傳輸，避免受到所述的脈沖形成系統(tǒng)2的高壓的干擾，確保同步觸發(fā)脈沖信號的穩(wěn)定性與同步性。所述的報警模塊通過導線與所述的FPGA模塊連接，當負載輸出的脈沖電流超過整定電流時，由所述的FPGA模塊進行延時判斷后鎖定同步觸發(fā)脈沖信號，關斷脈沖形成系統(tǒng)2中的全固態(tài)開關SfSS工作并通過所述的報警模塊發(fā)出報警信號，提示操作人員切斷電源，從而確保本發(fā)明脈沖發(fā)生器和操作人員的安全。所述的單片機模塊通過光纖，經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)5的第一電/光轉(zhuǎn)換器Jl和第一光/電轉(zhuǎn)換器Kl與所述電源系統(tǒng)1的高壓直流模塊的控制端連接，將所述的FPGA控制系統(tǒng)4發(fā)出的對所述的高壓直流模塊的控制信號轉(zhuǎn)換成光信號進行傳輸，避免受到所述的脈沖形成系統(tǒng)2的高壓的干擾，控制所述的高壓直流模塊向所述的儲能電容器組進行充電，確保方波脈沖的電壓幅值達到設定值。所述的FPGA控制系統(tǒng)4的主要功能是通過便攜式計算機6實現(xiàn)人機通信，發(fā)送高壓直流模塊、馬克斯電路7控制信號，接收所述的脈沖測量系統(tǒng)3得到的測量信號，控制整個發(fā)生器的工作并進行突發(fā)事故處理，對本發(fā)明起到總體控制作用。
所述的便攜式計算機6為市購計算機，計算機內(nèi)存為2GB DDR3，處理器為英特爾酷睿處理器i5-460M，采用Windows 7操作系統(tǒng)，硬盤為320GB，大容量的硬盤和高端的處理器，滿足本發(fā)明對便攜式計算機6的要求。所述的便攜式計算機6通過串行電纜與所述的 FPGA控制系統(tǒng)4的單片機模塊連接，操作人員通過控制程序的用戶界面設置參數(shù)命令發(fā)送給所述的FPGA控制系統(tǒng)4，從而實現(xiàn)人機交互通信。本實施例1所產(chǎn)生的方波脈沖為單向負電壓納秒方波脈沖。調(diào)節(jié)方波脈沖通過控制高壓直流模塊輸出電壓、全固態(tài)開關Sfss每次導通時間、開斷頻率和開斷次數(shù)來完成， 納秒脈沖的電壓幅值在0 8kV可調(diào)、脈沖寬度在20(Tl000nS可調(diào)、脈沖頻率在廣1000Hz可調(diào)、脈沖個數(shù)在廣1000個可調(diào)、下降沿3(T40nS。本發(fā)明裝置通過上述參數(shù)的調(diào)節(jié)實現(xiàn)對輸出方波脈沖能量的精確控制，這些參數(shù)調(diào)節(jié)各自獨立，互補干擾，并且具有體積小，使用壽命長的特點。測試時，選擇馬克斯電路7電壓單元數(shù)為8級，高壓直流模塊輸出電壓為 lkV，負載采用200 Ω無感電阻負載，采用美國Tektronix公司DP04054數(shù)字熒光式示波器和P6015A型高壓探頭，對裝置輸出波形進行測試。本裝置輸出的脈沖波形如圖3所示，脈沖幅值8kV、下降沿35ns、脈沖寬度300ns。實施例2
一種基于FPGA控制的全固態(tài)高壓納秒方波脈沖發(fā)生器，同實施例1，其中脈沖形成系統(tǒng)2的馬克斯電路7由4級串聯(lián)在母板上的帶旁路二極管的電壓單元8組成。實施例3
一種基于FPGA控制的全固態(tài)高壓納秒方波脈沖發(fā)生器，同實施例1，其中脈沖形成系統(tǒng)2的馬克斯電路7由10級串聯(lián)在母板上的帶旁路二極管的電壓單元8組成。實驗結(jié)果
用本實施例1的基于FPGA控制的全固態(tài)高壓納秒方波脈沖發(fā)生器，對人宮頸癌細胞 HeLa進行凋亡誘導實驗，實驗時，將處于對數(shù)生長期貼壁生長的HeLa細胞用0. 25%胰酶 (GIBC0公司)消化后離心，用RPMI-1640培養(yǎng)液制成單腫瘤細胞懸液，并校正腫瘤細胞濃度至lX106/ml。取2ml腫瘤細胞懸液盛于鉬金電極細胞槽，兩鉬金電極之間距離為2mm。發(fā)生器產(chǎn)生納秒脈沖對腫瘤細胞液進行處理，裝置輸出所有脈沖參數(shù)均為10Hz。脈沖電場處理完后，采用流式細胞術檢測腫瘤細胞凋亡。按照FITC標記Armexin V細胞凋亡試劑盒(晶美生物公司)的說明書操作，收集各組脈沖電場處理后培養(yǎng)4h細胞各1 X IO6個，冷卻，PBS洗滌2次后，用250 μ 1的Armexin結(jié)合緩沖液重懸細胞，取100 μ 1 細胞懸液于5ml流式管中，加5μ 1的Armexin V FITC和10 μ 1的PI，混勻后室溫避光孵育15min，在反應管中加入400μ 1的PBS，立即用流式細胞儀(FACSCalibur)檢測。以 Annexin+/PI-判定為早期凋亡，Annexin+/PI+判定為晚期凋亡或壞死，Annexin_/PI+為機械性損傷的細胞，Annexin-/PI"為正常細胞。每組參數(shù)重復3次。根據(jù)上述方法得到的各組參數(shù)細胞凋亡實驗結(jié)果如表1所示，表中凋亡實驗數(shù)據(jù)為每組參數(shù)重復3次實驗后得到的平均值士均值誤差(M士SE)。表 1
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權利要求
1. 一種基于FPGA控制的全固態(tài)高壓納秒方波脈沖發(fā)生器，主要包括電源系統(tǒng)(1)、脈沖形成系統(tǒng)(2)，其特征在于還包括脈沖測量系統(tǒng)(3)、FPGA控制系統(tǒng)(4)、信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng) (5)和便攜式計算機(6)；所述的電源系統(tǒng)(1)，包括電源、隔離變壓器、高壓直流模塊、開關電源Tl、開關電源 T2、DC-DC模塊，所述的電源為220V市電，通過導線與隔離變壓器的原邊連接，隔離變壓器的副邊通過導線與高壓直流模塊的輸入端連接，所述的高壓直流模塊的輸出端通過導線與脈沖形成系統(tǒng)(2)的充電隔離電阻Re串聯(lián)后再與脈沖形成系統(tǒng)(2)的馬克斯電路(7)的輸入端連接，所述的隔離變壓器的原邊的接地線與副邊的接地線不直接連接，所述的開關電源Tl的輸入端通過導線與所述的電源連接，所述的開關電源Tl將220V交流電轉(zhuǎn)換為15V 的直流電后通過導線與所述的DC-DC模塊的輸入端連接，所述的DC-DC模塊將15V直流電轉(zhuǎn)換為15V直流電后通過導線與脈沖形成系統(tǒng)(2)的馬克斯電路(7)中的開關驅(qū)動器的輸入端連接，所述的開關電源T2的輸入端通過導線與所述的電源連接，所述的開關電源T2將 220V交流電轉(zhuǎn)換為5V直流電后，分別通過導線分別與FPGA控制系統(tǒng)(4)中的FPGA模塊、 單片機模塊和報警模塊及信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(5)的兩個電/光轉(zhuǎn)換器J1、J2和兩個光/電轉(zhuǎn)換器Kl、K2的輸入端連接；所述的脈沖形成系統(tǒng)(2)，包括充電隔離電阻R。、馬克斯電路(7)和負載，所述的充電隔離電阻Rc的一端通過導線與前述電源系統(tǒng)(1)的高壓直流模塊的輸出端連接，所述的充電隔離電阻Re的另一端通過導線與馬克斯電路(7)的第一級電壓單元(8)的旁路二極管 Dl的正極連接，所述的馬克斯電路(7)由Γ10級串聯(lián)在母板上的帶旁路二極管的電壓單元 (8)組成，每級電壓單元(8)由全固態(tài)開關、開關驅(qū)動器、儲能電容器、旁路二極管和二極管組成，在每級所述的電壓單元(8)中旁路二極管的負極通過導線與全固態(tài)開關和儲能電容器的并聯(lián)點連接，全固態(tài)開關的柵極通過導線與開關驅(qū)動器的輸出端連接，開關驅(qū)動器的輸入端通過導線與所述的電源系統(tǒng)(1)的DC-DC模塊的輸出端連接，開關驅(qū)動器的控制端通過導線與所述的信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(5)的第二光/電轉(zhuǎn)換器Κ2連接，儲能電容器的另一端與二極管的正極串聯(lián)后，再與全固態(tài)開關并聯(lián)，所述的負載為無感電阻負載，通過導線并聯(lián)在馬克斯電路(7)的輸出端，在馬克斯電路(7)的輸出端與所述負載的連接處通過導線與脈沖測量系統(tǒng)(3)連接；所述的脈沖測量系統(tǒng)(3)，包括分壓器、電流傳感器和處理電路，所述的分壓器的輸入端通過導線與所述的脈沖形成系統(tǒng)(2)的輸出端連接，所述分壓器的輸出端通過導線與處理電路的輸入端連接，所述的電流傳感器的輸入端通過導線與所述的脈沖形成系統(tǒng)(2)的輸出端連接，所述電流傳感器的輸出端通過導線與處理電路的輸入端連接，所述處理電路的輸出端通過導線與所述的FPGA控制系統(tǒng)(4)的FPGA模塊的輸入端連接；所述的FPGA控制系統(tǒng)(4)，包括FPGA模塊和同步觸發(fā)模塊及單片機模塊以及報警模塊，所述的FPGA模塊接收從所述測量系統(tǒng)(3)的處理電路傳輸來的監(jiān)測的所述脈沖形成系統(tǒng)(2)的馬克斯電路(7)輸出的高壓納秒方波脈沖的電壓和電流信號，經(jīng)過運算處理后，一方面所述的FPGA模塊通過導線與所述的單片機模塊進行數(shù)據(jù)交換，另一方面所述FPGA模塊通過導線與所述的同步觸發(fā)模塊的輸入端連接，所述同步觸發(fā)模塊的輸出端通過光纖， 經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(5)的第二電/光轉(zhuǎn)換器J2和第二光/電轉(zhuǎn)換器Κ2，與所述的脈沖形成系統(tǒng)(2)的馬克斯電路(7)的開關驅(qū)動器的控制端連接，所述的報警模塊通過導線與所述的FPGA模塊連接，所述的單片機模塊通過光纖，經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(5)的第一電/光轉(zhuǎn)換器Jl和第一光/電轉(zhuǎn)換器Kl與所述電源系統(tǒng)(1)的高壓直流模塊的控制端連接，將所述的FPGA控制系統(tǒng)(4)發(fā)出的對所述的高壓直流模塊的控制信號轉(zhuǎn)換成光信號進行傳輸；所述的便攜式計算機(6)通過串行電纜與所述的FPGA控制系統(tǒng)(4)的單片機模塊連接，操作人員通過控制程序的用戶界面設置參數(shù)命令發(fā)送給所述的FPGA控制系統(tǒng)(4)而實現(xiàn)人機交互通信。
2.按照權利要求1所述的一種基于FPGA控制的全固態(tài)高壓納秒脈沖發(fā)生器，其特征在于權利要求1所述的脈沖發(fā)生器輸出的脈沖幅值為(TlOkV、脈沖寬度為20(Tl000ns、脈沖頻率為廣1000Hz，下降沿為3(T40nS，脈沖個數(shù)為廣1000個，具體參數(shù)根據(jù)治療腫瘤的需要確定。
全文摘要
一種基于FPGA控制的全固態(tài)高壓納秒方波脈沖發(fā)生器，屬于生物電磁技術領域。本發(fā)明主要包括電源系統(tǒng)、脈沖形成系統(tǒng)、脈沖測量系統(tǒng)、FPGA控制系統(tǒng)、信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和便攜式計算機。本發(fā)明輸出的脈沖幅值為0~10kV、脈沖寬度為200~1000ns、脈沖頻率為1~1000Hz，下降沿為30~40ns，脈沖個數(shù)為1~1000個，具體參數(shù)根據(jù)治療腫瘤的需要確定。本發(fā)明具有脈沖參數(shù)(脈沖幅值、寬度、頻率和個數(shù))智能調(diào)節(jié)，光纖傳輸，參數(shù)精確度高，使用壽命長，體積小，故障率低，安全性好等特點；本發(fā)明輸出的脈沖頻率高，通過智能調(diào)節(jié)更有利于快速尋求誘導腫瘤細胞凋亡的最佳窗口參數(shù)，從而提高腫瘤治療效果。本發(fā)明可廣泛應用于腫瘤的治療中。
文檔編號A61N1/32GK102441231SQ201110195350
公開日2012年5月9日 申請日期2011年7月13日 優(yōu)先權日2011年7月13日
發(fā)明者姚陳果, 孫才新, 李成祥, 章錫明, 米彥, 董守龍, 郭飛 申請人:重慶大學