全時段高壓陡脈沖癌癥治療裝置及方法
【專利摘要】全時段高壓陡脈沖癌癥治療裝置及方法，通過脈沖尾切開關尾切微秒、納秒脈沖發(fā)生器產生的脈沖而形成的更加陡的納秒、皮秒高壓脈沖，殺死腫瘤細胞特別是惡性腫瘤細胞，通過控制脈沖發(fā)生器的電容器和尾切開關，可以對脈沖的幅值、脈寬、脈沖后沿等參數(shù)進行調整，其構成單元主要包括開關電源、脈沖發(fā)生器、尾切開關、帶內窺鏡的電極、示波器、電纜、光纖、電腦及相關配件，所述的負載電極包括含鈦鉑金電極，所述的開關電源由開關及驅動器構成；市電由電纜或導線通過所述的開關電源的開關與脈沖發(fā)生器的輸入連接，脈沖發(fā)生器的輸出端通過導線、光纖或電纜與負載連接，所述的脈沖發(fā)生器的輸出端用電纜、光纖或電纜，與開關器件連接后，與示波器連接后再與負載連接。
【專利說明】全時段高壓陡脈沖癌癥治療裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種醫(yī)療治療儀器，用于治療良性腫瘤與惡性腫瘤即癌癥的醫(yī)療治療儀器，也可以用于其他病癥的治療的輔助治療。
【背景技術】
[0002]惡性腫瘤已經(jīng)成為死亡率很高的疾病?，F(xiàn)有的癌癥治療技術方法主要是化療、基因治療、中醫(yī)治療及中西醫(yī)結合治療、基因治療、超聲波治療及藥物治療，而以化療為主要技術方法，化療因其高昂的治療費用和巨大的副作用，讓多數(shù)的癌癥患者放棄治療。而中科院近代物理研究所發(fā)明的重離子束治療癌癥，技術成熟，效果良好，對于大部份中晚期癌癥患者治療有效，前期實驗表明經(jīng)過治療后的晚期總部患者無復發(fā)癥狀，但該設備及配套設施投資高達10億元以上，設備龐大，制造周期長，不利于推廣。這些治療技術都不能或難以從根本上殺死癌細胞和抑制癌細胞的擴散，而且化療的副作用對于病人的身體損傷較大，治療費用高。根據(jù)利用不可逆電容孔陡脈沖技術治療腫瘤，實驗顯示治療腫瘤效果良好，這但種技術關鍵設備脈沖發(fā)生器的電子電器設備復雜，制作工藝復雜，所產生的脈沖的脈沖邊沿不夠陡峭，頂部不平坦。
[0003][0003]脈沖發(fā) 生器技術已經(jīng)成熟產，應用全面?，F(xiàn)有的基于高壓脈沖治療設備，包括重慶大學的申請?zhí)?0101054616.7專利不可逆電穿孔腫瘤治療的裝置及方法，該技術條件下產生的脈沖為us微秒脈沖，目前的醫(yī)學實驗表明，微秒脈沖對良性及惡性腫瘤治療的效果不顯著；而專利文獻申請?zhí)枮?01110195350.4的基于FPGA控制的固態(tài)高壓納方波脈沖發(fā)生器公開的技術，所產生的納秒脈沖波，仍然還可以進行一步的陡化?，F(xiàn)代高壓脈沖技術研究及實驗表明，通過開關或開關器件對脈沖發(fā)生器產生的高壓脈沖進行截尾或尾切，可以進一步的陡化高壓脈沖波后沿。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明針對上述技術缺陷，通過運用開關器件對高壓微秒、納秒脈沖發(fā)生器產生脈沖方波進行二次或多次截尾陡化，從而產生尾切后的更加陡化的高壓納秒、皮秒脈沖方波，利用這種高壓脈沖波通過醫(yī)用電極負載放電，進行有效的腫瘤治療，特別是惡性腫瘤即癌癥的治療。
[0005]本發(fā)明技術方案:全時段高壓陡脈沖癌癥治療儀，通過脈沖尾切開關尾切微秒、納秒脈沖發(fā)生器產生的脈沖而形成的更加陡的納秒、皮秒高壓脈沖，殺死腫瘤細胞特別是惡性腫瘤細胞，通過控制脈沖發(fā)生器的電容器和尾切開關，可以對脈沖的幅值、脈寬、脈沖后沿等參數(shù)進行調整，其構成單元主要包括開關電源、脈沖發(fā)生器、尾切開關、帶內窺鏡的電極、示波器、電纜、光纖、電腦及相關配件，所述的負載電極包括含鈦鉬金電極，所述的開關電源由開關及驅動器構成；市電由電纜或導線通過所述的開關電源的開關與脈沖發(fā)生器的的輸入連接，脈沖發(fā)生器的輸出端通過導線、光纖或電纜與負載連接，所述的脈沖發(fā)生器的輸出端用電纜、光纖或電纜，與開關器件連接后，與示波器連接后再與負載連接。[0006]所述脈沖發(fā)生器的包括基于FPGA控制的高壓納秒方波脈沖發(fā)生器，基于FPGA控制的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)、信號轉換系統(tǒng)、電腦或帶電腦接口的和單機芯片的單機。
[0007]所述的基于FPGA控制的高壓納方波脈沖發(fā)生器發(fā)生器的原理是基于馬克斯發(fā)生器，通過對一組或多級多個電容器并聯(lián)充電，然后由多個開關器器件對電容串聯(lián)放電產生的脈沖多次斬波后獲得所需要的高壓納秒、皮秒方波脈沖。負載與馬克斯發(fā)生器脈沖輸出端之間有數(shù)個尾切開關器件，每個尾切開關器件上有驅動器，在驅動器的控制下，尾切開關進行通導與斷開，從而對脈沖波進行尾切。操作人員通過電腦程序用戶界面或單片機面板，對脈沖發(fā)生器設置輸出幅值、脈沖寬度、脈沖頻率和脈沖個數(shù)等參數(shù)，F(xiàn)PGA控制系統(tǒng)的模塊運算牖后通過信號置換系統(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處理或負載處脈沖電壓、通過處理電路處理后發(fā)送給FPGA控制系統(tǒng)，實時調節(jié)充電電壓，這樣可以使設置輸出恒定的預設幅值的高壓納秒、皮秒方波脈沖；電流傳感器測量到輸出處或負載處的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)，當超過設定的電流信號時，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)中的開關器件工作和負載前端的截尾開關器件的工作，斷開脈沖形成電路和負載電極放電電路，實現(xiàn)整個裝置的保護，并保護使用者、患者的安全。所述的開關器件或截尾開關器件包括氣體開關、固態(tài)開關和液體開關，優(yōu)選固態(tài)開關，開關器件或尾切開關器件的數(shù)量包括個或一個以上。
[0008][0007]所述的電源系統(tǒng)，包括電源、開關及開關驅動器，隔離變壓器(電壓、頻率變化為1:1)、高壓直流模塊、開關電源Tl、開關電源T2、DC-DC模塊。所述的電流為220V市電，通過導線可電纜通過帶驅動器的開關與隔離變壓器的原邊連接，而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，用于為高壓直流模塊提供交流電源；帶驅動器的開關一端拉電源，一端連接隔離變壓器，該開關的驅動器的控制通過導線或光纖與所述信號轉換系統(tǒng)中的光/電轉換器K2的輸出連接。所述的高壓直流模塊包括輸出最高電壓幅值2000V、最大電流幅值為40m A的直流市購模塊，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，用于為脈沖形成系統(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，大大減少了來自大地的各種干擾信號，提高系統(tǒng)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撰述的電源連接，所述的電源Tl將220V交流電置換為15V的直流電流后，通過導線與撰述的DC-DC模塊的輸入端連接，該DC-DC模塊通過導線與脈沖形成系統(tǒng)的馬克斯電路中的開關驅動器的開關驅動器的輸入端和尾切開關的驅動器連接，為上述驅動器提供電源，并進行高壓、低壓強弱電壓之間的隔離，以保障整個系統(tǒng)的安全。所述的開關電源T2為市購元件其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交流電源轉換為5V直流電后，分別通過導線與FPGG控制系統(tǒng)中的FPGA模塊、單片機模塊(或單片機)、報警模塊及信號置換系統(tǒng)的兩個電/光轉換器J1、J2和兩個光/電轉換器K1、K2的輸入端，用于為所述的FPGA模塊、單片機模塊(或單片機)、報警模塊及上述數(shù)個轉換器提供電源，電源系統(tǒng)通過上述工作方式為脈沖形成系統(tǒng)、FPGA控制系統(tǒng)和信號轉換系統(tǒng)提供安全穩(wěn)定的電源，保障其正常工作。
[0009][0008]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。
[0010]充電隔離電阻的一端與上述高壓直流模塊的輸出端連接，用于發(fā)揮充電的限流和馬克斯的高壓與充電直流模塊電源低壓之間的隔離作用，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4-10個或(或根據(jù)需要的數(shù)個)串聯(lián)在電板母板上的帶旁路二級管的電壓單元組成，電壓單元的數(shù)量可以根據(jù)需要確定。每個電壓單元包括全固態(tài)開關、開關驅動器、儲能電容器、旁路二極管、二級管；在各電壓單元中，旁路二極管的負極通過導線或電纜與全固態(tài)開關和電容器的并聯(lián)點連接，全固態(tài)開關的柵極通過導線與開關驅動器的輸出端連接；開關驅動器和尾切開關驅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。電源與隔離變壓器之間的開關的驅動器、馬克斯電路中的開關驅動器和尾切開關驅動器等驅動器的的控制端、通過導線與所述的信號轉換系統(tǒng)中的第二光/電轉換器K2連接，在該第二光/電轉換器K2的作用下，上述開關和尾切開關開通-關斷；儲能電容器的另一端與二極管的正極串聯(lián)后，與全固態(tài)開關并聯(lián)。當全固態(tài)開關斷開時，旁路二級管和二級管通導，儲能電容器組進行并聯(lián)充電；當全固態(tài)開關通導開通時，二極管和旁路二極管反向截止，已經(jīng)充滿到預設電壓的儲能電容器以串聯(lián)方式通過尾切開關對負載進行放電，尾切開關對放電脈沖進行切尾；控制電容器對負載放電的脈寬和調節(jié)尾切開關，可以得到需要的高壓納秒或皮秒方波；當全固態(tài)開關斷開時，再充對電容器進行充電，如此反復。當一個或多個全固態(tài)開關失效，則旁路二級管和二極管通導而自動旁路該一個或多個電壓單元，其余電壓單元仍然能正常工作，從而全系統(tǒng)仍然能釋放出需要的納秒、皮秒方波。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，該輸出端與負載的連接處通過導線與脈沖測量系統(tǒng)連接。
[0009]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)的出端連接，所述的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)測撰述的`脈沖形成系統(tǒng)的馬克斯電路產生的脈沖電壓信號。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，所述的電源傳感器的輸出端與處理電路的輸入端連接，用于監(jiān)測脈沖形成系統(tǒng)中的馬克斯電路產生的脈沖電流信號。所述的處理電路的輸出端通過導線與撰述的FPGA控制系統(tǒng)的FPGA模塊的輸入端連接。通過FPGA控制系統(tǒng)運算后處理檢測出所述馬克斯電路對撰述負載的放電狀態(tài)信息，包括脈沖電壓在被尾切開關進行尾切前后的信息。
[0011][0010]所述的FPGA控制系統(tǒng)，包括高見FPGA模塊和同步觸發(fā)模塊及單片機模塊和報警模塊。所述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脈沖的電壓和電流信號，包括經(jīng)過尾切開關尾切后的脈沖電壓電流信號，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，上述FPGA模塊通過導線與所述的同步觸發(fā)模塊的輸入端連接，所述的同步觸發(fā)模塊的輸出端通過光纖，經(jīng)過信號轉換系統(tǒng)的第二電/光轉換器J2和第二光/電轉換器K2，與所據(jù)隔離變壓器的開關的驅動器、所述的脈沖形成系統(tǒng)的馬克斯電路的開關驅動器的控制端和各尾切開關的驅動器的的控制端連接，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)脈沖信號穩(wěn)定與同步性。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，超過設定的電流時，上述FPGA模塊進行延時判斷后通過同步觸發(fā)模塊、電光轉換J2及光電轉換器K2發(fā)出信號啟動驅動器切斷隔離變壓器與電源之間的開關，同時發(fā)出報警信號，提示工作人員或操作人員切斷電源，從而確保本脈沖發(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)過信號轉換系統(tǒng)的第一電/光轉換器Jl和第一光/電轉換Kl與撰述電源系統(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換成光信號進行傳輸，光纖傳輸可以避免受到脈沖形成系統(tǒng)的高壓干擾，控制所述高壓直流模塊向所述的儲能電容器組進行正常充電，確保方波脈沖電壓幅值到達設定值。所述的FPGA控制器系統(tǒng)的主要功能是通過電腦或單機實現(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，控制整個脈沖發(fā)生器及治療儀的工作，并處理突發(fā)事故。
[0012][0011]所述的電腦為普通市購電腦，硬盤在320G以上，內存2G以上，英特爾酷睿處理器i5-460M，WIIND0WS XP以上操作系統(tǒng)，該電腦通過串行電纜與所述的FPGA控制系統(tǒng)的單片機或單片機模塊連接，操作人員通過電腦控制程序的用戶界面或單片機顯示面板設置參數(shù)、程序發(fā)送給所述的FPGA控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)人機互信。
[0013][0012]所述的基于FPGA控制的高壓納秒脈沖發(fā)生器，輸出的脈沖幅值為0-10KV,脈沖寬度為200-1000ns、脈沖頻率為I-1000Hz,下降沿為0.2ns-40ns,脈沖個數(shù)為I-1000個，具體參數(shù)可以根據(jù)相關腫瘤治療等需要確定， [0013]本發(fā)明的有益效果:1是使用安全便捷，自動化的智能設計，保有效保障了使用者的人身安全及設備本身的安全。
[0014][0014]與傳統(tǒng)的ICA器件相比，結構單位，易于維修維護。
[0015][0015]光纖信號傳輸,可以強弱電的有效隔離，保障信號傳輸不受電流高壓干擾，信號傳輸穩(wěn)定保真。
[0016][0016]設備結構緊湊，無電感電阻負載，有效提高沖陡度。
[0017][0017]所需要的相關脈沖的參數(shù)可以在一定范圍內設定，提供了設備的使用范圍，可以提高電脈沖對腫瘤特別是惡性腫瘤的治療效果。
[0018][0018]本發(fā)明可以廣泛用于腫瘤特別是惡性腫瘤的治療，以及其他的物理、生物、醫(yī)學醫(yī)療等方面的應用。
【專利附圖】

【附圖說明】[0019][0019]
圖1實施之一原理圖；
圖2實施之一馬克斯電路拓撲圖；
圖3實施之一脈沖未切尾波形圖；
圖4脈沖切尾電路拓撲圖；
圖5發(fā)明示意圖；
圖6實施之一有尾切開關與無尾切開關脈沖波形對比圖。
[0020][0021]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信號轉換系統(tǒng)，6電腦或便攜式計算機，7馬克電路，8電路單元，Re充電隔離電阻，Cf C8電容器，Dl-D16 二極管，Sl-S8和Sa-Sb開關或全固態(tài)開關，G1-G8和Ga、Gb開關驅動器。在圖5中，SI帶驅動器的開關，Il為脈沖發(fā)生器輸入電流，12為脈沖發(fā)生器輸出脈沖電流?！揪唧w實施方式】
[0021][0021]本發(fā)明其構成單元主要包括電源、開關電源、脈沖發(fā)生器、截尾開關、帶內窺鏡的電極、示波器、電纜、光纖、電腦及相關配件。所述的負載電極包括含鈦鉬金電極。本發(fā)明技術方案:通過脈沖發(fā)生器產生的納秒、皮秒高壓脈沖，殺死腫瘤細胞特別是惡性腫瘤細胞。其構成單元主要包括電源、開關電源、脈沖發(fā)生器、尾切開關、帶內窺鏡的電極、示波器、電纜、光纖、電腦及相關配件，所述的負載電極包括含鈦鉬金電極。所述的開關電源由開關及驅動器構成。電源由電纜或導線通過所述的開關電源的開關與脈沖發(fā)生器的的輸入連接，脈沖發(fā)生器的輸出端通過導線、光纖或電纜與負載連接，所述的脈沖發(fā)生器的輸出端用電纜、光纖或電纜，與開關器件連接后，與示波器連接后再與負載連接。用于腫瘤治療時，腫瘤部位經(jīng)過常規(guī)消毒或手術后，在B超、內容成像設備的引導下，根據(jù)腫瘤的程度，設置好相關脈沖幅值、脈寬等參數(shù)，將負載電極放放腫瘤表面或刺入腫瘤部位，通過本發(fā)明產生的納秒、皮秒高壓脈沖，誘導腫瘤細胞調亡及殺死腫瘤細胞，死亡的腫瘤細胞經(jīng)過人體新陳代謝通過尿液而排出身外，而凋亡的良性或惡性細腫瘤胞則被其就近的健康細胞吞食，從而達到有效治療腫瘤的目的。
[0022]實施實例之一:所述脈沖發(fā)生器的包括基于FPGA控制的高壓納秒方波脈沖發(fā)生器，基于FPGA控制的高壓納秒方波脈沖發(fā)生器主要包括I電源系統(tǒng)、2脈沖形成系統(tǒng)、脈沖測量系統(tǒng)、FPGA控制系統(tǒng)、信號轉換系統(tǒng)和電腦或帶電腦接口的和單機芯片的單機；
所述的基于FPGA控制的高壓納秒方波脈沖發(fā)生器發(fā)生器的原理是基于馬克斯發(fā)生器，通過對一組或多級多個電容器并聯(lián)充電，然后由多個開關器器件對電容串聯(lián)放電產生的脈沖多次斬波后獲得所需要的高壓納秒、皮秒方波脈沖。負載與馬克斯發(fā)生器脈沖輸出端之間有數(shù)個尾切開關器件，每個尾切開關器件上有驅動器，在驅動器的控制下，尾切開關進行通導與斷開，從而對脈沖波進行尾切。操作人員通過電腦程序用戶界面或單片機面板，對脈沖發(fā)生器設置輸出幅值、脈沖寬度、脈沖頻率和脈沖個數(shù)等參數(shù)，F(xiàn)PGA控制系統(tǒng)的模塊運算牖后通過信號置換系統(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處理或負載處脈沖電壓、通過處理電路處理后發(fā)送給FPGA控制系統(tǒng)，實時調節(jié)充電電壓，這樣可以使設置輸出恒定的預設幅值的高壓納秒、皮秒方波脈沖；電流傳感器測量到輸出處或負載處的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)，當超過設定的電流信號時，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)中的開關器件工作和負載前端的截尾開關器件的工作，斷開脈沖形成電路和負載電極放電電路，實現(xiàn)整個裝置的保護，并保護使用者、患者的安全。所述的開關器件或截尾開關器件包括氣體開關、固態(tài)開關和液體開關，優(yōu)選固態(tài)開關，開關器件或尾切開關器件的數(shù)量包括個或一個以上；
所述的電源系統(tǒng)，包括電源、開關及開關驅動器，隔離變壓器(電壓、頻率變化為1:1)、高壓直流模塊、開關電源Tl、開關電源T2、DC-DC模塊。所述的電流為220V市電，通過導線可電纜通過帶驅動器的開關與隔離變壓器的原邊連接，而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，用于為高壓直流模塊提供交流電源；帶驅動器的開關一端拉電源，一端連接隔離變壓器，該開關的驅動器的控制通過導線或光纖與所述信號轉換系統(tǒng)中的光/電轉換器K2的輸出連接。所述的高壓直流模塊包括輸出最高電壓幅值2000V、最大電流幅值為40mA的直流市購模塊，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，用于為脈沖形成系統(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，大大減少了來自大地的各種干擾信號，提高系統(tǒng)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撰述的電源連接，所述的電源Tl將220V交流電置換為15V的直流電流后，通過導線與撰述的DC-DC模塊的輸入端連接，該DC-DC模塊通過導線與脈沖形成系統(tǒng)的馬克斯電路中的開關驅動器的開關驅動器的輸入端和尾切開關的驅動器連接，為上述驅動器提供電源，并進行高壓、低壓強弱電壓之間的隔離，以保障整個系統(tǒng)的安全。所述的開關電源T2為市購元件其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交流電源轉換為5V直流電后，分別通過導線與FPGG控制系統(tǒng)中的FPGA模塊、單片機模塊(或單片機)、報警模塊及信號置換系統(tǒng)的兩個電/光轉換器Jl、J2和兩個光/電轉換器K1、K2的輸入端，用于為所述的FPGA模塊、單片機模塊(或單片機)、報警模塊及上述數(shù)個轉換器提供電源，電源系統(tǒng)通過上述工作方式為脈沖形成系統(tǒng)、FPGA控制系統(tǒng)和信號轉換系統(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，充電隔離電阻的一端與上述高壓直流模塊的輸出 端連接，用于發(fā)揮充電的限流和馬克斯的高壓與充電直流模塊電源低壓之間的隔離作用，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4-10個或(或根據(jù)需要的數(shù)個)串聯(lián)在電板母板上的帶旁路二級管的電壓單元組成，電壓單元的數(shù)量可以根據(jù)需要確定。每個電壓單元包括全固態(tài)開關、開關驅動器、儲能電容器、旁路二極管、二級管；在各電壓單元中，旁路二極管的負極通過導線或電纜與全固態(tài)開關和電容器的并聯(lián)點連接，全固態(tài)開關的柵極通過導線與開關驅動器的輸出端連接；開關驅動器和尾切開關驅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。電源與隔離變壓器之間的開關的驅動器、馬克斯電路中的開關驅動器和尾切開關驅動器等驅動器的的控制端、通過導線與所述的信號轉換系統(tǒng)中的第二光/電轉換器K2連接，在該第二光/電轉換器K2的作用下，上述開關和尾切開關開通-關斷；儲能電容器的另一端與二極管的正極串聯(lián)后，與全固態(tài)開關并聯(lián)。當全固態(tài)開關斷開時，旁路二級管和二級管通導，儲能電容器組進行并聯(lián)充電；當全固態(tài)開關通導開通時，二極管和旁路二極管反向截止，已經(jīng)充滿到預設電壓的儲能電容器以串聯(lián)方式通過尾切開關對負載進行放電，尾切開關對放電脈沖進行切尾；控制電容器對負載放電的脈寬和調節(jié)尾切開關，可以得到需要的高壓納秒或皮秒方波；當全固態(tài)開關斷開時，再充對電容器進行充電，如此反復。當一個或多個全固態(tài)開關失效，則旁路二級管和二極管通導而自動旁路該一個或多個電壓單元，其余電壓單元仍然能正常工作，從而全系統(tǒng)仍然能釋放出需要的納秒、皮秒方波。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，該輸出端與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)的出端連接，所述的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)測撰述的脈沖形成系統(tǒng)的馬克斯電路產生的脈沖電壓信號。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，所述的電源傳感器的輸出端與處理電路的輸入端連接，用于監(jiān)測脈沖形成系統(tǒng)中的馬克斯電路產生的脈沖電流信號。所述的處理電路的輸出端通過導線與撰述的FPGA控制系統(tǒng)的FPGA模塊的輸入端連接。通過FPGA控制系統(tǒng)運算后處理檢測出所述馬克斯電路對撰述負載的放電狀態(tài)信息，包括脈沖電壓在被尾切開關進行尾切前后的信息。
[0023]所述的FPGA控制系統(tǒng)，包括高見FPGA模塊和同步觸發(fā)模塊及單片機模塊和報警模塊。所述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脈沖的電壓和電流信號，包括經(jīng)過尾切開關尾切后的脈沖電壓電流信號，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，上述FPGA模塊通過導線與所述的同步觸發(fā)模塊的輸入端連接，所述的同步觸發(fā)模塊的輸出端通過光纖，經(jīng)過信號轉換系統(tǒng)的第二電/光轉換器J2和第二光/電轉換器K2，與所據(jù)隔離變壓器的開關的驅動器、所述的脈沖形成系統(tǒng)的馬克斯電路的開關驅動器的控制端和各尾切開關的驅動器的的控制端連接，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)脈沖信號穩(wěn)定與同步性。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，超過設定的電流時，上述FPGA模塊進行延時判斷后通過同步觸發(fā)模塊、電光轉換J2及光電轉換器K2發(fā)出信號啟動驅動器切斷隔離變壓器與電源之間的開關，同時發(fā)出報警信號，提示工作人員或操作人員切斷電源，從而確保本脈沖發(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)過信號轉換系統(tǒng)的第一電/光轉換器Jl和第一光/電轉換Kl與撰述電源系統(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換成光信號進行傳輸，光纖傳輸可以避免受到脈沖形成系統(tǒng)的高壓干擾，控制所述高壓直流模塊向所述的儲能電容器組進行正常充電，確保方波脈沖電壓幅值到達設定值。所述的FPGA控制器系統(tǒng)的主要功能是通過電腦或單機實現(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，控制整個脈沖發(fā)生器及治療儀的工作，并處理突發(fā)事故。
[0024]所述的電腦為普通市 購電腦，硬盤在320G以上，內存2G以上，英特爾酷睿處理器15-460M, WIINDOffS XP以上操作系統(tǒng)，該電腦通過串行電纜與所述的FPGA控制系統(tǒng)的單片機或單片機模塊連接，操作人員通過電腦控制程序的用戶界面或單片機顯示面板設置參數(shù)倒序發(fā)送給所述的FPGA控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)人機互信。
[0025]所述的基于FPGA控制的高壓納秒脈沖發(fā)生器，輸出的脈沖幅值為0-10KV，脈沖寬度為200-1000ns、脈沖頻率為I-1000Hz,下降沿為0.2ns-40ns,脈沖個數(shù)為I-1000個，具體參數(shù)可以根據(jù)相關腫瘤治療等需要確定。
【權利要求】
1.全時段高壓陡脈沖癌癥治療裝置及方法，其特征是:主要包括開關電源、脈沖發(fā)生器、尾切開關、帶內窺鏡的電極、示波器、電纜、光纖、電腦及相關配件，所述的負載電極包括含鈦鉬金電極，所述的開關電源由開關及驅動器構成；市電由電纜或導線通過所述的開關電源的開關與脈沖發(fā)生器的的輸入連接，脈沖發(fā)生器的輸出端通過導線、光纖或電纜與負載連接，所述的脈沖發(fā)生器的輸出端用電纜、光纖或電纜，與開關器件連接后，與示波器連接后再與負載連接； (1)所述的脈沖發(fā)生器的包括基于FPGA控制的高壓納秒方波脈沖發(fā)生器，基于FPGA控制的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)、信號轉換系統(tǒng)、電腦或帶電腦接口的和單機芯片的單機； (2)所述的電源系統(tǒng)，包括電源、開關及開關驅動器，隔離變壓器(電壓、頻率變化為1:1)、高壓直流模塊、開關電源Tl、開關電源T2、DC-DC模塊；所述的電流為220V市電，通過導線可電纜通過帶驅動器的開關與隔離變壓器的原邊連接，而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，用于為高壓直流模塊提供交流電源；帶驅動器的開關一端拉電源，一端連接隔離變壓器，該開關的驅動器的控制通過導線或光纖與所述信號轉換系統(tǒng)中的光/電轉換器K2的輸出連接；所述的高壓直流模塊包括輸出最高電壓幅值2000V、最大電流幅值為40mA的直流市購模塊，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，用于為脈沖形成系統(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，大大減少了來自大地的各種干擾信號，提高系統(tǒng)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撰述的電源連接，所述的電源Tl將220V交流電置換為15V的直流電流后，通過導線與撰述的DC-DC模塊的輸入端連接，該DC-DC模塊通過導線與脈沖形成系統(tǒng)的馬克斯電路中的開關驅動器的開關驅動器的輸入端和尾切開關的驅動器連接，為上述驅動器提供電源，并進行高壓、低壓強弱電壓之間的隔離，以保障整個系統(tǒng)的安全；所述的開關電源T2為市購元件其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交流電源轉換為5V直流電后，分別通過導線與FPGG控制系統(tǒng)中的FPGA模塊、單片機模塊(或單片機)、報警模塊及信號置換系統(tǒng)的兩個電/光轉換器Jl、J2和兩個光/電轉換器K1、K2的輸入端，用于為所述的FP GA模塊、單片機模塊(或單片機)、報警模塊及上述數(shù)個轉換器提供電源，電源系統(tǒng)通過上述工作方式為脈沖形成系統(tǒng)、FPGA控制系統(tǒng)和信號轉換系統(tǒng)提供安全穩(wěn)定的電源，保障其正常工作； (3)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；充電隔離電阻的一端與上述高壓直流模塊的輸出端連接，用于發(fā)揮充電的限流和馬克斯的高壓與充電直流模塊電源低壓之間的隔離作用，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4-10個或(或根據(jù)需要的數(shù)個)串聯(lián)在電板母板上的帶旁路二級管的電壓單元組成，電壓單元的數(shù)量可以根據(jù)需要確定；每個電壓單元包括全固態(tài)開關、開關驅動器、儲能電容器、旁路二極管、二級管；在各電壓單元中，旁路二極管的負極通過導線或電纜與全固態(tài)開關和電容器的并聯(lián)點連接，全固態(tài)開關的柵極通過導線與開關驅動器的輸出端連接；開關驅動器和尾切開關驅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；電源與隔離變壓器之間的開關的驅動器、馬克斯電路中的開關驅動器和尾切開關驅動器等驅動器的的控制端、通過導線與所述的信號轉換系統(tǒng)中的第二光/電轉換器K2連接，在該第二光/電轉換器K2的作用下，上述開關和尾切開關開通-關斷；儲能電容器的另一端與二極管的正極串聯(lián)后，與全固態(tài)開關并聯(lián)；當全固態(tài)開關斷開時，旁路二級管和二級管通導，儲能電容器組進行并聯(lián)充電；當全固態(tài)開關通導開通時，二極管和旁路二極管反向截止，已經(jīng)充滿到預設電壓的儲能電容器以串聯(lián)方式通過尾切開關對負載進行放電，尾切開關對放電脈沖進行切尾；控制電容器對負載放電的脈寬和調節(jié)尾切開關，可以得到需要的高壓納秒或皮秒方波，當全固態(tài)開關斷開時，再充對電容器進行充電，如此反復；當一個或多個全固態(tài)開關失效，則旁路二級管和二極管通導而自動旁路該一個或多個電壓單元，其余電壓單元仍然能正常工作，從而全系統(tǒng)仍然能釋放出需要的納秒、皮秒方波；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，該輸出端與負載的連接處通過導線與脈沖測量系統(tǒng)連接； (4)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)的出端連接，所述的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)測撰述的脈沖形成系統(tǒng)的馬克斯電路產生的脈沖電壓信號；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，所述的電源傳感器的輸出端與處理電路的輸入端連接，用于監(jiān)測脈沖形成系統(tǒng)中的馬克斯電路產生的脈沖電流信號；所述的處理電路的輸出端通過導線與撰述的FPGA控制系統(tǒng)的FPGA模塊的輸入端連接；通過FPGA控制系統(tǒng)運算后處理檢測出所述馬克斯電路對撰述負載的放電狀態(tài)信息，包括脈沖電壓在被尾切開關進行尾切前后的信息；(5)所述的FPGA控制系統(tǒng)，包括高見FPGA模塊和同步觸發(fā)模塊及單片機模塊和報警模塊；所述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脈沖的電壓和電流信號，包括經(jīng)過尾切開關尾切后的脈沖電壓電流信號，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，上述FPGA模塊通過導線與所述的同步觸發(fā)模塊的輸入端連接，所述的同步觸發(fā)模塊的輸出端通過光纖，經(jīng)過信號轉換系統(tǒng)的第二電/光轉換器J2和第二光/電轉換器K2，與所據(jù)隔離變壓器的開關的驅動器、所述的脈沖形成系`統(tǒng)的馬克斯電路的開關驅動器的控制端和各尾切開關的驅動器的的控制端連接，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)脈沖信號穩(wěn)定與同步性；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，超過設定的電流時，上述FPGA模塊進行延時判斷后通過同步觸發(fā)模塊、電光轉換J2及光電轉換器K2發(fā)出信號啟動驅動器切斷隔離變壓器與電源之間的開關，同時發(fā)出報警信號，提示工作人員或操作人員切斷電源，從而確保本脈沖發(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)過信號轉換系統(tǒng)的第一電/光轉換器Jl和第一光/電轉換Kl與撰述電源系統(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換成光信號進行傳輸，光纖傳輸可以避免受到脈沖形成系統(tǒng)的高壓干擾，控制所述高壓直流模塊向所述的儲能電容器組進行正常充電，確保方波脈沖電壓幅值到達設定值；所述的FPGA控制器系統(tǒng)的主要功能是通過電腦或單機實現(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，控制整個脈沖發(fā)生器及治療儀的工作，并處理突發(fā)事故；(6)所述的電腦為普通市購電腦，硬盤在320G以上，內存2G以上，英特爾酷睿處理器i5-460M，WIIND0WS XP以上操作系統(tǒng)，該電腦通過串行電纜與所述的FPGA控制系統(tǒng)的單片機或單片機模塊連接，操作人員通過電腦控制程序的用戶界面或單片機顯示面板設置參數(shù)、程序發(fā)送給所述的FPGA控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)人機互信；
(7)所述的基于FPGA控制的高壓納秒脈沖發(fā)生器，輸出的脈沖幅值為O-IOKV可調，脈沖寬度為200-IOOOns可調、脈沖頻率為I-IOOOHz可調，下降沿為0.2ns-40ns可調，脈沖個數(shù)為I-1000個可調，具體 參數(shù)可以根據(jù)相關腫瘤治療等需要確定； (8)所述的開關、尾切開關包括固態(tài)開關、氣體開關和液體開關，所述的液體開關包括水開關。
【文檔編號】A61N1/32GK103446667SQ201210171151
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2012年5月30日 優(yōu)先權日:2012年5月30日
【發(fā)明者】張濤 申請人:張濤