高压陡脉冲治疗仪控制器设计与实验研究
发布时间：2020-07-27 14:11
【摘要】：研究目的:高压陡脉冲作用于生物组织,能够在细胞膜上产生纳米级的不可逆电穿孔(Irreversible electroporation,IRE)效应,导致生物组织凋亡。应用这项技术对肿瘤细胞进行消融,无热沉效应,保留了肿瘤附近血管、神经等结缔组织结构不受损伤。这一特性对不可手术的特殊部位肿瘤治疗具有特殊意义。IRE技术是借助50-100微秒高压电脉冲作用与肿瘤细胞,术中组织流过20-50A大电流,对于放电脉冲的控制要求高,研究该系统的控制器对于治疗仪的开发具有重要意义。研究方法:1.采用DSP+CPLD控制技术,设计高压陡脉冲治疗仪的控制电路。结合治疗仪的临床应用需求,采用C语言设计控制器程序,借助CCS和Quartus等平台,进行仿真、调试和验证。2.将控制器应用于高压陡脉冲治疗仪,通过高压探头、电流互感器和示波器等设备,搭建测试平台,监控输出脉冲的电压、脉宽、周期等参数,以测试系统脉冲输出精度及逻辑功能。3.将小型猪分为实验组和对照组,实验组按照1500V/cm、50-100μs,70个脉冲剂量实施消融手术,对照组仅进行穿刺未实施消融手术,术后对观察动物生活状态、血液指标,术后1天、3天7天、14天和21天,处死取样进行大体观察、组织切片染色和电镜切片,观察细胞凋亡及细胞膜上电穿孔状况,验证控制器控制主机消融的有效性。研究结果:1.本系统实现了高压陡脉冲的生成,脉冲参数灵活可调,可通过上位机界面进行脉冲的电压、脉宽、组数等参数设置。固定负载测试表明,系统输出脉冲电压误差为±20V,脉宽误差为±1μs,通过反馈电路和软件控制,实现过流保护报警提示功能。2.术后受试动物在观察期内无明显行为异常现象,HE染色结果显示,IRE消融区域边界明显,在第3天可见明显的细胞凋亡现象,在第14天和21天可见明显的组织纤维化和肝组织假小叶增生现象,且随着术后时间推移,炎性细胞浸润和组织水肿现象逐步减弱。3.TEM电镜观察显示,消融区域的大血管、胆管等组织结构保留完整,在消融区域可见巨噬细胞和凋亡小体出现,细胞膜不完整,细胞间边界不明显,空泡化严重,细胞核固缩,有少量炎性细胞浸润等现象,在观察后期,第14天和21天时,新生细胞增多,组织空泡化逐渐减少。研究结论:本研究采用DSP+CPLD控制技术,实现了高压陡脉冲控制器设计。脉冲参数控制灵活,工作稳定可靠,达到预期设计要求。动物实验显示,高压陡脉冲控制器实现了对于高压陡脉冲治疗仪的精准控制,术后动物无明显异常状况,HE染色与TEM电镜观察均呈现明显的组织消融,且能完整保留大血管、胆管等管腔结构。结果表明该控制器可以安全、有效的进行不可逆电穿孔消融。满足了进入临床验证的要求。
【学位授予单位】：天津医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH77
【图文】：
图 1.高压陡脉冲治疗仪外观.。1 为显示屏，2 为脚踏，3 为脉冲输出接口，4 为心电同步器，5 为电极针2017 年天津市鹰泰利安康医疗科技有限责任公司推出了高压陡脉冲治疗仪，该仪器由高压输出主机和输出电极针组成。高压输出主机包括上位机控制端、机箱和外接脚踏组成。医生可通过上位机界面设置电压、脉宽、周期、脉冲数等参数，在一组脉冲放电完毕后可显示等比例的脉冲波形。临床治疗时，通常采取经皮穿刺的方式，在超声或 CT 引导下，将电极针平行植入肿瘤组织，根据肿瘤区域大小、深度等参数，上位机控制端自动生成电场分布仿真模型，并给出治疗所需电极针数、电压幅度、暴露深度等参数。高压陡脉冲治疗仪操作简单，是目前最安全的介入消融方法之一，在系统启动时首先系统自动进入自检操作，以确保各个功能单元工作正常，之后医生可将超声或 CT 观察的肿瘤数据输入上位机，进行电场区域仿真。根据系统给出最佳的电极针数量、电极针间距及脉冲参数，医生在超声或 CT 等成像设备的引导下将电极针平行植入肿瘤组织。双脚踏用于控制脉冲释放，减少了临床误操作。手
图 2.高压陡脉冲治疗仪基本原理压陡脉冲治疗仪基本原理图，由电源模块 E、充电电阻 C 组成充电电路。由储能电容 C、开关 S2、作为开关的负载电阻 R2组成放电电路。基本工作过程是，首先使能源模块 E 输出预定电压，在控制电路控制下闭合开关 S1 R1为储能电容 C 充电，在充电达到设定电压后，使能放，断开开关 S1，闭合开关 S2，根据设定参数驱动 IGBT 上生成特定的陡脉冲。实现原理，高压陡脉冲治疗仪的电路组成分为控制器、直电电路、IGBT 驱动电路及上位机控制端五部分。
图 2.高压陡脉冲治疗仪基本原理图 2 是高压陡脉冲治疗仪基本原理图，由电源模块 E、充电电阻 R1、开及储能电容 C 组成充电电路。由储能电容 C、开关 S2、作为开关的分立元压 IGBT 及负载电阻 R2组成放电电路。基本工作过程是，首先使能充电回高压电路电源模块 E 输出预定电压，在控制电路控制下闭合开关 S1，断开过固定电阻 R1为储能电容 C 充电，在充电达到设定电压后，使能放电回路闭充电回路，断开开关 S1，闭合开关 S2，根据设定参数驱动 IGBT 导通与，即在负载上生成特定的陡脉冲。根据基本实现原理，高压陡脉冲治疗仪的电路组成分为控制器、直流高压、电容充放电电路、IGBT 驱动电路及上位机控制端五部分。
【学位授予单位】：天津医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH77
【图文】：
图 1.高压陡脉冲治疗仪外观.。1 为显示屏，2 为脚踏，3 为脉冲输出接口，4 为心电同步器，5 为电极针2017 年天津市鹰泰利安康医疗科技有限责任公司推出了高压陡脉冲治疗仪，该仪器由高压输出主机和输出电极针组成。高压输出主机包括上位机控制端、机箱和外接脚踏组成。医生可通过上位机界面设置电压、脉宽、周期、脉冲数等参数，在一组脉冲放电完毕后可显示等比例的脉冲波形。临床治疗时，通常采取经皮穿刺的方式，在超声或 CT 引导下，将电极针平行植入肿瘤组织，根据肿瘤区域大小、深度等参数，上位机控制端自动生成电场分布仿真模型，并给出治疗所需电极针数、电压幅度、暴露深度等参数。高压陡脉冲治疗仪操作简单，是目前最安全的介入消融方法之一，在系统启动时首先系统自动进入自检操作，以确保各个功能单元工作正常，之后医生可将超声或 CT 观察的肿瘤数据输入上位机，进行电场区域仿真。根据系统给出最佳的电极针数量、电极针间距及脉冲参数，医生在超声或 CT 等成像设备的引导下将电极针平行植入肿瘤组织。双脚踏用于控制脉冲释放，减少了临床误操作。手
图 2.高压陡脉冲治疗仪基本原理压陡脉冲治疗仪基本原理图，由电源模块 E、充电电阻 C 组成充电电路。由储能电容 C、开关 S2、作为开关的负载电阻 R2组成放电电路。基本工作过程是，首先使能源模块 E 输出预定电压，在控制电路控制下闭合开关 S1 R1为储能电容 C 充电，在充电达到设定电压后，使能放，断开开关 S1，闭合开关 S2，根据设定参数驱动 IGBT 上生成特定的陡脉冲。实现原理，高压陡脉冲治疗仪的电路组成分为控制器、直电电路、IGBT 驱动电路及上位机控制端五部分。
图 2.高压陡脉冲治疗仪基本原理图 2 是高压陡脉冲治疗仪基本原理图，由电源模块 E、充电电阻 R1、开及储能电容 C 组成充电电路。由储能电容 C、开关 S2、作为开关的分立元压 IGBT 及负载电阻 R2组成放电电路。基本工作过程是，首先使能充电回高压电路电源模块 E 输出预定电压，在控制电路控制下闭合开关 S1，断开过固定电阻 R1为储能电容 C 充电，在充电达到设定电压后，使能放电回路闭充电回路，断开开关 S1，闭合开关 S2，根据设定参数驱动 IGBT 导通与，即在负载上生成特定的陡脉冲。根据基本实现原理，高压陡脉冲治疗仪的电路组成分为控制器、直流高压、电容充放电电路、IGBT 驱动电路及上位机控制端五部分。
【参考文献】
相关期刊论文 前10条
1 范卫君;韩s
本文编号：2771947
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