專利名稱：不可逆電子穿孔儀電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及ー種醫(yī)療器械，特別涉及ー種不可逆電子穿孔儀電路。
背景技術(shù)：
電穿孔是在脈沖電場(chǎng)作用下，細(xì)胞膜產(chǎn)生微孔的物理過(guò)程。細(xì)胞膜的電穿孔是ー種現(xiàn)象。根據(jù)脈沖電場(chǎng)強(qiáng)度、脈沖寬度和作用次數(shù)的不同，電穿孔分為可逆電穿孔和不可逆電穿孔?？赡骐姶┛资窃诩?xì)胞膜應(yīng)用適當(dāng)強(qiáng)度和寬度的電場(chǎng)，脈沖電場(chǎng)使磷脂或磷脂蛋白膜上產(chǎn)生暫時(shí)的、可逆的孔道或通透。當(dāng)細(xì)胞暴露在電場(chǎng)中，在細(xì)胞膜上誘發(fā)跨膜電壓，如果電壓超過(guò)某ー個(gè)值時(shí)，導(dǎo)致細(xì)胞膜的通透性和電導(dǎo)率顯著增加，一般要増加幾個(gè)數(shù)量級(jí)。 在脈沖電場(chǎng)作用過(guò)后，孔道自然封閉，細(xì)胞會(huì)恢復(fù)正常狀態(tài)。由于膜的通透性増加，在其它運(yùn)輸機(jī)制下不能穿越細(xì)胞膜的分子可以穿越細(xì)胞膜?？赡骐姶┛资辜?xì)胞內(nèi)外分子交換能力顯著增加，有利于細(xì)胞吸收各種藥物、基因物質(zhì)、蛋白質(zhì)和其它大分子等。將電脈沖與化療藥物相結(jié)合治療腫瘤，創(chuàng)立了腫瘤的電脈沖化學(xué)療法。此法可比常規(guī)化療效果更好，但由于使用化療藥物對(duì)患者有較強(qiáng)的毒副作用。當(dāng)脈沖電場(chǎng)超過(guò)細(xì)胞可承受的極限吋，電場(chǎng)過(guò)后，細(xì)胞膜不能重新封閉，細(xì)胞出現(xiàn)不可恢復(fù)的破裂導(dǎo)致細(xì)胞死亡，這種現(xiàn)象稱作不可逆性電擊穿。是否發(fā)生不可逆電穿孔，與電脈沖的寬度、脈沖幅度、脈沖次數(shù)以及細(xì)胞的物理化學(xué)特性有關(guān)。在過(guò)去的電穿孔應(yīng)用研究中，如基因轉(zhuǎn)染、腫瘤電脈沖化療等，利用細(xì)胞的可逆性電擊穿現(xiàn)象，控制不可逆性電擊穿現(xiàn)象。將電脈沖引人到腫瘤組織中，使惡性腫瘤細(xì)胞發(fā)生不可逆性電擊穿，這樣就破壞了腫瘤的生存條件，達(dá)到了殺傷腫瘤細(xì)胞的目的。這種不用化療藥物，単獨(dú)使用強(qiáng)脈沖電場(chǎng)可以導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞程序性死亡(凋亡)井能有效抑制腫瘤的生長(zhǎng)。這種腫瘤治療方法稱為不可逆電穿孔腫瘤消融術(shù)。不可逆電穿孔的主要優(yōu)點(diǎn)是可以避免使用藥物，因?yàn)樗灰蕾囃饧与妶?chǎng)的作用殺死癌細(xì)胞。為了取得對(duì)靶組織不可逆電穿孔，電場(chǎng)強(qiáng)度必須超過(guò)閾值。如果使用六個(gè)電極治療靶組織體積50 70cm3，要實(shí)現(xiàn)不可逆電穿孔，需要應(yīng)用3000V電壓。該設(shè)備的指標(biāo)確保在40cm3電場(chǎng)強(qiáng)度至少是800V/cm，該值被認(rèn)為是在大多數(shù)細(xì)胞不可逆電穿孔的閾值。為了將不可逆電穿孔腫瘤消融術(shù)應(yīng)用到臨床中，需要尋找產(chǎn)生不可逆電穿孔的最佳脈沖參數(shù)和實(shí)驗(yàn)條件。為此發(fā)明ー種參數(shù)范圍比較寬、性能穩(wěn)定、安全的不可逆電子穿孔儀。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型是針對(duì)現(xiàn)在不可逆電穿孔腫瘤消融術(shù)還無(wú)法應(yīng)用的問(wèn)題，提出了ー種不可逆電子穿孔儀電路，使活細(xì)胞產(chǎn)生不可逆性電擊穿，可以用于腫瘤治療的實(shí)驗(yàn)研究。本實(shí)用新型的技術(shù)方案為ー種不可逆電子穿孔儀電路，鍵盤(pán)將指令送入微控制器，微控制器輸出信號(hào)到脈沖發(fā)生電路，脈沖發(fā)生電路發(fā)脈沖信號(hào)到脈沖放大電路；微控制器輸出控制信號(hào)到高壓電源模塊，高壓電源模塊轉(zhuǎn)換控制信號(hào)輸出設(shè)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(shí)脈沖放大電路將信號(hào)返回微控制器，微控制器輸出數(shù)據(jù)到顯示上顯示運(yùn)行數(shù)據(jù)。所述脈沖放大電路包括驅(qū)動(dòng)器芯片、絕緣柵雙極晶體管，電阻、儲(chǔ)能電容器、ニ極管依次串聯(lián)接高壓電源模塊輸出，ニ極管負(fù)極接地，儲(chǔ)能電容器、ニ極管)中間點(diǎn)輸出接電極，放電電阻并聯(lián)在儲(chǔ)能電容器兩端，電阻并聯(lián)在ニ級(jí)管兩端；兩采樣電阻并聯(lián)在儲(chǔ)能電容器和地之間，兩采樣電阻中間點(diǎn)將充電電壓信號(hào)送回微控制器，脈沖發(fā)生電路發(fā)出設(shè)定的脈沖寬度和脈沖次數(shù)經(jīng)驅(qū)動(dòng)器芯片接絕緣柵雙極晶體管的基板，絕緣柵雙極晶體管發(fā)射極串聯(lián)接地電阻，絕緣柵雙極晶體管集電極接儲(chǔ)能電容器高電壓端，兩輸出采樣電阻串聯(lián)后并聯(lián)于輸出電極上，兩輸出米樣電阻中間點(diǎn)將輸出信號(hào)送回微控制器。本實(shí)用新型的有益效果在于本實(shí)用新型ー種不可逆電子穿孔儀電路，采用IGBT開(kāi)關(guān)技木，脈沖輸出波形接近方波，減少電沖擊過(guò)程中熱量的產(chǎn)生；具有高速保護(hù)功能的驅(qū)動(dòng)電路，具有輸出短路保護(hù)，提電路的可靠性和安全性；儀器的脈沖參數(shù)可調(diào)節(jié)范圍寬，便于尋找產(chǎn)生不可逆電穿孔的最佳脈沖參數(shù)和實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)研究要求。

圖I是本實(shí)用新型不可逆電子穿孔儀電路原理框圖；圖2是本實(shí)用新型不可逆電子穿孔儀電路圖。
具體實(shí)施方式
如圖I所示不可逆電子穿孔儀電路原理框圖，鍵盤(pán)I將指令送入微控制器2，微控制器2輸出信號(hào)到脈沖發(fā)生電路6，脈沖發(fā)生電路6發(fā)脈沖信號(hào)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(shè)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(shí)脈沖放大電路5將信號(hào)返回微控制器2，微控制器2輸出數(shù)據(jù)到顯示7上顯示運(yùn)行數(shù)據(jù)。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(qū)動(dòng)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(guò)串聯(lián)電阻R1、ニ極管Dl給儲(chǔ)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(lián)在儲(chǔ)能電容器C2兩端保證在電壓調(diào)低時(shí)和儀器關(guān)閉后對(duì)儲(chǔ)能電容器C2進(jìn)行放電。電阻R8并聯(lián)在ニ級(jí)管Dl兩端是用來(lái)克服ニ級(jí)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(jīng)電阻R2和R3分壓后，送入微控制器2中的A/D轉(zhuǎn)換器中。微處理器2確認(rèn)電容的電壓是否達(dá)到設(shè)定值。如果沒(méi)有達(dá)到設(shè)定值，高壓電源模塊3將已達(dá)最大電流繼續(xù)充電；如果達(dá)到設(shè)定值，高壓電源模塊3會(huì)自動(dòng)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(zhǔn)備。脈沖輸出過(guò)程如下首先微控制器2確認(rèn)電容充電是否正常，如果充電正常，微控制器2啟動(dòng)脈沖發(fā)生電路6，同時(shí)，通過(guò)其內(nèi)部的D/A轉(zhuǎn)換器給出ー個(gè)峰值電流電壓信號(hào)到IGBT驅(qū)動(dòng)器U4的ILIM引腳，設(shè)定最大脈沖輸出電流，電流設(shè)置范圍為O 50A。最大脈沖輸出電流的確定是根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)要求而定，體外實(shí)驗(yàn)時(shí)，電流可達(dá)50A，在電沖擊的過(guò)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(fā)生電路6發(fā)出設(shè)定的脈沖寬度和脈沖次數(shù)。該脈沖經(jīng)驅(qū)動(dòng)器U4后，控制IGBT (絕緣柵雙極晶體管)開(kāi)關(guān)Q1。開(kāi)關(guān)Ql導(dǎo)通后，將電容器C2的正極通過(guò)取樣電阻R7接地。由于R7非常小，其電壓降可以忽略不計(jì)。這時(shí)ニ極管Dl反向偏置，Dl截止。在輸出端輸出ー個(gè)與設(shè)置電壓幅度相同的幅脈沖。串聯(lián)的兩電阻R9、R10并聯(lián)于輸出電極上，兩電阻R9、R10中間點(diǎn)將輸出信號(hào)送回微控制器2，用于監(jiān)測(cè)輸出脈沖的幅度。脈沖輸出電流在取樣電阻R7上產(chǎn)生的電壓，經(jīng)R6和C 3濾波后送到U4的電流感應(yīng)端CS，該電壓與Ul給出的峰值電流電壓進(jìn)行比較。如果大于峰值電流電壓，表明過(guò)流或輸出短路，則立即關(guān)閉IGBT開(kāi)關(guān)Q1，同時(shí)，在U4的CLF引腳發(fā)出過(guò)流信號(hào)指示給為微控制器U1，U1禁止脈沖發(fā)生電路U2和高壓電源模塊U3，并發(fā)出報(bào)警指示給操作者。因此，在保證操作者安全的同時(shí)，也保證實(shí)驗(yàn)的有效性?？刂撇糠植捎脝纹瑱C(jī)系統(tǒng)控制，具有以下幾點(diǎn)功能(I)設(shè)定參數(shù)用戶可根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)要求設(shè)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(shù)。(2)控制脈沖發(fā)生電路的啟動(dòng)和輸出驅(qū)動(dòng)脈沖參數(shù)。 (3)控制高壓發(fā)生模塊的啟動(dòng)和輸出電壓。(4)報(bào)警檢測(cè)輸出脈沖的電流和電壓。發(fā)生異常時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)給出報(bào)警。(5)顯示部分對(duì)儀器的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行顯示。不可逆電穿孔需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是高電壓和大電流(50A)方波脈沖的發(fā)生問(wèn)題。脈沖功率達(dá)到150kW。由于需施加高能量進(jìn)行電沖擊實(shí)驗(yàn)，操作者安全也是ー個(gè)重要問(wèn)題。因此，快速高電壓脈沖發(fā)生器要求其結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，可靠性高。在故障情況下，能提供多種保護(hù)措施，同時(shí)為操作者提供ー個(gè)良好的用戶界面，盡量減少錯(cuò)誤的機(jī)會(huì)。不可逆電穿孔儀的主要危險(xiǎn)是從儲(chǔ)能電容器中輸出高能，這可能給操作者帶來(lái)觸電的風(fēng)險(xiǎn)。除了滿足醫(yī)療設(shè)備一般安全要求標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定外，必須可靠地控制電極的能量釋放，避免誤操作以及無(wú)意或不正確能量釋放。設(shè)備的堅(jiān)固性必須保證，需采取足夠的保護(hù)措施，確保ー些關(guān)鍵部件發(fā)生故障吋，不能使儲(chǔ)存的能量對(duì)外的釋放。正常工作時(shí)，能量輸出必須精確可靠的控制，可以通過(guò)特定的軟件/硬件安全保障措施給與保證。治療過(guò)程中生物組織電阻不可預(yù)測(cè)性，可能發(fā)生電極之間發(fā)生短路和火花，因此儀器必須牢固，應(yīng)采取短路保護(hù)措施。具體保護(hù)措施I.采用高壓IGBT開(kāi)關(guān)技術(shù)。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(jiǎn)單、耐高壓、承受電流大等特性。本發(fā)明中采用單只高壓IGBT開(kāi)關(guān)，避免多只功率開(kāi)關(guān)器件串聯(lián)使用時(shí)，由于電壓不均勻分配導(dǎo)致?lián)舸┑娘L(fēng)險(xiǎn)。2.采用冗余設(shè)計(jì)，不可逆電穿孔儀最大輸出電流50A，而IGBT的脈沖電流達(dá)到350A。3.采用帶過(guò)流保護(hù)功能的高速大電流IGBT驅(qū)動(dòng)器，過(guò)電流響應(yīng)時(shí)間非常短(小于 20ns)ο 4.最大保護(hù)電流可以設(shè)置，在滿足實(shí)驗(yàn)要求的同時(shí)，提高可靠性。[0032] 5.發(fā)生異常吋，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉輸出和高 壓模塊。
權(quán)利要求1.ー種不可逆電子穿孔儀電路，其特征在干，鍵盤(pán)(I)將指令送入微控制器(2)，微控制器(2)輸出信號(hào)到脈沖發(fā)生電路(6)，脈沖發(fā)生電路(6)發(fā)脈沖信號(hào)到脈沖放大電路(5);微控制器(2)輸出控制信號(hào)到高壓電源模塊(3)，高壓電源模塊(3)轉(zhuǎn)換控制信號(hào)輸出設(shè)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(shí)脈沖放大電路(5)將信號(hào)返回微控制器(2)，微控制器(2)輸出數(shù)據(jù)到顯示(7)上顯示運(yùn)行數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)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(qū)動(dòng)器芯片(U4)、絕緣柵雙極晶體管(Q1)，電阻(R1)、儲(chǔ)能電容器(C2)、ニ極管(Dl)依次串聯(lián)接高壓電源模塊(3)輸出，ニ極管(Dl)負(fù)極接地，儲(chǔ)能電容器(C2)、ニ極管(Dl)中間點(diǎn)輸出接電極(4)，放電電阻(R4)并聯(lián)在儲(chǔ)能電容器(C2)兩端，電阻(R8)并聯(lián)在ニ級(jí)管(Dl)兩端；兩采樣電阻(R2、R3)并聯(lián)在儲(chǔ)能電容器(C2)和地之間，兩電阻(R2、R3)中間點(diǎn)將充電電壓信號(hào)送回微控制器(2)，脈沖發(fā)生電路(6)發(fā)出設(shè)定的脈沖寬度和脈沖次數(shù)經(jīng)驅(qū)動(dòng)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(fā)射極串聯(lián)接地電阻(R7)，絕緣柵雙極晶體管(Ql)集電極接儲(chǔ)能電容器(C2)高電壓端，兩輸出采樣電阻(R9、R10)串聯(lián)后并聯(lián)于輸出電極(4)上，兩輸出采樣電阻(R9、R10)中間點(diǎn)將輸出信號(hào)送回微控制器⑵。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種不可逆電子穿孔儀電路，鍵盤(pán)將指令送入微控制器，微控制器輸出信號(hào)到脈沖發(fā)生電路，脈沖發(fā)生電路發(fā)脈沖信號(hào)到脈沖放大電路；微控制器輸出控制信號(hào)到高壓電源模塊，高壓電源模塊轉(zhuǎn)換控制信號(hào)輸出設(shè)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(shí)脈沖放大電路將信號(hào)返回微控制器，微控制器輸出數(shù)據(jù)到顯示上顯示運(yùn)行數(shù)據(jù)。采用IGBT開(kāi)關(guān)技術(shù)，脈沖輸出波形接近方波，減少電沖擊過(guò)程中熱量的產(chǎn)生；提高電路的可靠性和安全性；儀器的脈沖參數(shù)可調(diào)節(jié)范圍寬，便于尋找產(chǎn)生不可逆電穿孔的最佳脈沖參數(shù)和實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)研究要求。
文檔編號(hào)A61B18/00GK202458657SQ20112033149
公開(kāi)日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2011年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月6日
發(fā)明者孫大軍 申請(qǐng)人:上海醫(yī)療器械高等?？茖W(xué)校, 上海理工大學(xué)