本发明专利技术涉及一种高压脉冲电场消融装置和方法，属于医疗器械技术领域，解决现有高压快速开关产生的脉冲沿和脉宽过长的问题。装置包括高压输出模块，其包括第一支路、附加支路和第二支路依次并联在直流高压电源和接地端之间，第一支路包括串联连接的第一和第二功率开关，第二支路包括串联连接的第五和第六功率开关及附加支路包括串联连接的第三和第四功率开关；和电容器连接在第一和第二功率开关之间的第一节点与第三和第四功率开关之间的第二节点之间，第一至第六功率开关断开与闭合以生成具有皮秒级或纳秒级上升沿/下降沿以及纳秒级脉宽的双极性高压脉冲，脉冲的幅值、上升时间、下降时间、频率、脉宽、正负脉冲时间差和脉冲个数可调。实现超快速的脉冲上升和下降沿以及超短的脉宽。及超短的脉宽。及超短的脉宽。
【技术实现步骤摘要】
一种高压脉冲电场消融装置和方法
[0001]本专利技术涉及医疗器械
，尤其涉及一种高压脉冲电场消融装置和方法。
技术介绍
[0002]脉冲电场消融是治疗房颤的一项新兴技术，该技术利用高压脉冲电场作用于心腔内组织，组织细胞膜磷脂双分子在脉冲电场作用下发生移动，并重新排列，形成不可逆电穿孔，进而使细胞凋亡，从而达到消除及阻止异常电位传递的目的。相比于射频消融和冷冻消融，脉冲电场消融具有以下特点：消融具有选择性，不损伤周围组织；非热能的消融方式，基本无热损伤；并发症发生率很低；消融速度快，贴靠要求低等。因此，脉冲电场消融在房颤治疗方面具有很大的应用前景。
[0003]高压脉冲发生器是高压脉冲电场消融系统中的一个重要部分，但由于技术的限制，高压脉冲发生器高压脉冲的脉宽、上升沿及下降沿的时间有待进一步改进。此外，相比于单极性正脉冲或负脉冲，双极性高压脉冲能够对生物组织细胞产生更高强度的不可逆电穿孔，从而能够增强组织的消融效果。
[0004]高压快速开关是产生高压脉冲的核心部件，现有的高压快速开关有基于单桥和H桥的电路拓扑。基于单桥的快速开关电路只能产生单极性正脉冲或负脉冲。基于H桥的快速开关电路能够产生双极性脉冲，但其所产生的脉冲沿(上升沿及下降沿)和脉冲宽度通常比较长。
[0005]现有技术的高压快速开关装置/边沿可控高压脉冲电源电路仅能产生单极性脉冲，在很多应用场景下其作用效果不如双极性高压脉冲。此外，现有技术均未提及高压脉冲信号的脉冲宽度；仅有一项提到了高压脉冲信号的上升沿和下降沿，但其上升沿和下降沿时间均比较长。
技术实现思路
[0006]鉴于上述的分析，本专利技术实施例旨在提供一种高压脉冲电场消融装置和方法，用以解决现有高压快速开关产生的脉冲沿(上升沿及下降沿)不够锐利的问题。
[0007]一方面，本专利技术实施例提供了一种高压脉冲电场消融装置，包括高压输出模块，所述高压输出模块包括：第一支路、附加支路和第二支路依次并联连接在直流高压电源和接地端之间，其中，所述第一支路包括串联连接的第一功率开关和第二功率开关，所述第二支路包括串联连接的第五功率开关和第六功率开关以及所述附加支路包括串联连接的第三功率开关和第四功率开关；以及电容器，连接在介于所述第一功率开关和所述第二功率开关之间的第一节点与介于所述第三功率开关和所述第四功率开关之间的第二节点之间，其中，所述第一功率开关至所述第六功率开关根据所述特定时序的控制信号断开与闭合以生成具有皮秒级或纳秒级上升沿/下降沿和纳秒级脉宽的双极性高压脉冲。
[0008]上述技术方案的有益效果如下：本专利技术基于新型的“田”桥电路结构，利用功率开关分别对电容进行正向充电和反向充电，结合电容两端电压不能突变的原理，在电容对负
载放电的过程中实现了双极性高压脉冲输出，相比于单极性脉冲输出在更多的应用场景下具有更好的组织消融效果，且消融效果更为持久。相比于现有的单桥和H桥，“田”桥中利用电容放电所产生的高压脉冲，能够实现超快速的脉冲上升沿和下降沿；此外，新增的SW3及SW4两组功率开关，配合其相应的时序控制，能够进一步缩短高压脉冲上升沿和下降沿的时间，其产生超快速变化的脉冲电场更容易使细胞膜的磷脂双分子层被打开，这使得在产生相同消融效果的前提下，本专利技术所述的“田桥”电路结构的脉冲电压和脉冲剂量可以更小，从而增加了脉冲电场消融手术过程中的安全性，并降低了脉冲电场消融主机和导管的设计难度。本专利技术基于“田桥”电路结构和功率开关特定的时序控制，能够实现纳秒级的超短脉宽输出，这使得在脉冲电场消融过程中，被消融组织几乎不产生热量，从而增加了消融过程的安全性，降低了术后并发症的产生几率；此外，基于纳秒级的超短脉宽输出，本专利技术所述的高压脉冲电场消融系统能够在消融过程中不依赖于心电同步功能，而实现不影响正常心率活动的效果。本专利技术能有效降低高压脉冲在输出过程中的抖动现象，从而提升负载输出的稳定性。本专利技术基于所述创新的“田桥”电路结构，能够实现超快速的上升沿和下降沿，以及超短的脉冲宽度，该效果的实现均可通过普通的电子元器件和芯片实现，而不依赖于高端昂贵的电子元器件和芯片。此外，本专利技术对控制信号与输出信号之间进行了良好的电隔离，增加了整体电路的安全性能。
[0009]基于上述装置的进一步改进，高压脉冲电场消融装置还包括负载电阻器和限流电阻器，其中，所述负载电阻器连接在所述第二节点与介于所述第五功率开关和所述第六功率开关之间的第三节点之间；以及所述限流电阻器连接在所述电容器和所述第二节点之间，用于避免所述高压开关电路短路。
[0010]基于上述装置的进一步改进，高压脉冲电场消融装置进一步包括所述第一功率开关至所述第六功率开关用于根据控制信号产生双极性高压脉冲，其中，所述控制信号由控制装置生成，所述控制装置包括可编程门阵列FPGA、单片机、数字信号处理单元DSP、中央处理器CPU或信号发生器，所述高压脉冲为幅值、上升时间、下降时间、频率、脉宽、正负脉冲之间的时间差和脉冲个数可调的高压脉冲。
[0011]基于上述装置的进一步改进，所述第一功率开关至所述第六功率开关中的每个包括：第一隔离模块、第二隔离模块、驱动电路和功率管，其中，所述第一隔离模块的输出端连接至所述驱动电路的输入端；所述第二隔离模块的输出端经由直流转直流模块与所述第一隔离模块的电源输出端连接；以及所述驱动电路，其输出端连接至所述功率管的栅极。
[0012]基于上述装置的进一步改进，所述第一隔离模块和所述第二隔离模块均包括光电隔离件、磁隔离件或变压器隔离件；以及所述功率管包括金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET、绝缘栅双极型晶体管IGBT、双极结型晶体管BJT、结型场效应晶体管JEET或高电子迁移率晶体管HEMT。
[0013]基于上述装置的进一步改进，高压脉冲电场消融装置还包括：直流低压电源模块、直流高压电源模块、控制装置和触摸屏，其中所述直流低压电源模块用于向消融主机内的所述直流高压电源模块、所述控制装置、所述高压输出模块以及所述触摸屏提供直流低电压；所述直流高压电源模块用于向所述高压输出模块提供直流高电压；所述控制装置用于实时检测所述消融主机的各项输出参数，其中，根据所述各项输出参数生成控制信号；所述高压输出模块用于根据所述控制信号将所述直流高电压转换为高压脉冲并将所述高压脉
冲提供给不同型号的消融导管；所述触摸屏用于以数据或图形的方式显示实时检测的各项输出参数。
[0014]基于上述装置的进一步改进，高压脉冲电场消融装置包括自检模块、实时检测模块和放电模块，其中，所述自检模块用于在所述高压脉冲电场消融主机工作之前，所述高压脉冲电场消融主机进行自检，其中，当所述高压脉冲电场消融装置功能异常或连接异常时，所述高压脉冲电场消融主机通过所述触摸屏进行视觉和听觉报警提示；所述实时检测模块用于在所述高压脉冲电场消融主机工作过程中，所述高压脉冲电场消融主机对各电路板的工作状态和所述消融导管的导通性进行实时检测，其中，当所述各电路板工作异常或所述消融导管短路或断路时，所述高压脉冲电场消融主本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种高压脉冲电场消融装置，其特征在于，包括高压输出模块，所述高压输出模块包括：第一支路、附加支路和第二支路，依次并联连接在直流高压电源和接地端之间，其中，所述第一支路包括串联连接的第一功率开关和第二功率开关，所述第二支路包括串联连接的第五功率开关和第六功率开关以及所述附加支路包括串联连接的第三功率开关和第四功率开关；以及电容器，连接在介于所述第一功率开关和所述第二功率开关之间的第一节点与介于所述第三功率开关和所述第四功率开关之间的第二节点之间，其中，所述第一功率开关至所述第六功率开关根据特定时序的控制信号断开与闭合以生成具有皮秒级或纳秒级上升沿/下降沿和纳秒级脉宽的双极性高压脉冲。2.根据权利要求1所述的高压脉冲电场消融装置，其特征在于，还包括负载电阻器和限流电阻器，其中所述负载电阻器，连接在所述第二节点与介于所述第五功率开关和所述第六功率开关之间的第三节点之间；以及所述限流电阻器，连接在所述电容器和所述第二节点之间。3.根据权利要求2所述的高压脉冲电场消融装置，其特征在于，进一步包括所述第一功率开关至所述第六功率开关用于根据控制信号产生双极性高压脉冲，其中，所述控制信号由控制装置生成，所述控制装置包括可编程门阵列FPGA、单片机、数字信号处理单元DSP、中央处理器CPU或信号发生器，所述高压脉冲为幅值、上升时间、下降时间、频率、脉宽、正负脉冲之间的时间差和脉冲个数可调的高压脉冲。4.根据权利要求2所述的高压脉冲电场消融装置，其特征在于，所述第一功率开关至所述第六功率开关中的每个包括：第一隔离模块、第二隔离模块、驱动电路和功率管，其中所述第一隔离模块的输出端连接至所述驱动电路的输入端；所述第二隔离模块的输出端经由直流转直流模块与所述第一隔离模块的电源输出端连接；以及所述驱动电路，其输出端连接至所述功率管的栅极。5.根据权利要求4所述的高压脉冲电场消融装置，其特征在于，所述第一隔离模块和所述第二隔离模块均包括光电隔离件、磁隔离件或变压器隔离件；以及所述功率管包括金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET、绝缘栅双极型晶体管IGBT、双极结型晶体管BJT、结型场效应晶体管JEET或高电子迁移率晶体管HEMT。6.根据权利要求1所述的高压脉冲电场消融装置，其特征在于，还包括：直流低压电源模块、直流高压电源模块、控制装置和触摸屏，其中所述直流低压电源模块，用于向消融主机内的所述直流高压电源模块、所述控制装置、所述高压输出模块以及所述触摸屏提供直流低电压；所述直流高压电源模块，用于向所述高压输出模块提供直流高电压；所述控制装置，用于实时检测所述消融主机的各项输出参数，其中，根据所述各项输出参数生成控制信号；所述高压输出模块，用于根据所述控制信号将所述直流高电压转换为高压脉冲并将所述高压脉冲提供给不同型号的消融导管；
所述触摸屏，用于以数据或图形的方式显示实时检测的各项...
【专利技术属性】
技术研发人员：刁月鹏，
申请(专利权)人：宁波辉沣生物科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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