用于治疗肿瘤的电脉冲设备的制作方法

本公开涉及电学领域，更具体而言涉及电子医疗器械。

背景技术：

肿瘤，尤其是恶性肿瘤是危害人类健康的主要疾病。肿瘤的传统疗法以及新近发展起来的疗法是以微创消融为特征的热消融物理疗法。由于受适应症、禁忌症、治疗副作用、热效应等因素的限制，使得其临床应用存在一定的局限性。近年来，随着脉冲生物电学的不断发展，电场脉冲以其非热、微创的生物医学效应引起了研究人员的关注，而其中的不可逆电穿孔治疗肿瘤以其快捷、可控、可视、选择性和非热机理等的优势和特色更是引起国内外生物电学领域研究人员的广泛关注，并逐渐应用于肿瘤的临床治疗。

常规的用于治疗肿瘤的设备输出的脉冲是单极性的脉冲。单极性的脉冲作用于人体组织时容易导致肌肉收缩，加大患者的痛苦以及加大治疗的难度，并且单极性的脉冲的电场也不均匀，存在消融盲区，使得消融效果不甚良好。

此外，常规的用于治疗肿瘤的设备还存在设备寿命较短以及因输出非期望的电脉冲而导致的医疗事故的风险。

技术实现要素：

根据本公开的实施例，提供了改进的用于治疗肿瘤的设备。

在本公开的一个方面中，提供一种用于治疗肿瘤的电脉冲设备。该设备包括直流电源和转换电路。转换电路耦合至直流电源并且可操作为将来自直流电压的直流电压转换为双极性脉冲电压。转换电路包括驱动电路、第一逆变支路和与第一逆变支路并联的第二逆变支路。第一逆变支路包括串联的第一绝缘栅双极晶体管(igbt)和第二igbt。第二逆变支路包括串联的第三igbt和第四igbt。驱动电路可操作为将第一对正驱动信号和负驱动信号交替地施加至第一igbt和第二igbt，并且将第二对正驱动信号和负驱动信号交替地施加至第三igbt和第四igbt，以使得转换电路生成双极性脉冲电压。通过使用根据本公开的电脉冲设备，可以延长设备使用寿命并且防止可能出现的医疗事故。

应当理解，实用新型内容部分中所描述的内容并非旨在限定本公开的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。

附图说明

结合附图并参考以下详细说明，本公开各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。在附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素，其中：

图1示出了本公开的实施例可以在其中实施的示例环境的示意图；

图2示出了根据本公开的一个实施例的局部示意图；

图3示出了常规的脉冲信号示意图；以及

图4示出了根据本公开的一个实施例的脉冲信号示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的某些实施例，然而应当理解的是，本公开可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本公开。应当理解的是，本公开的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本公开的保护范围。

在本公开的实施例的描述中，术语“包括”及其类似用语应当理解为开放性包含，即“包括但不限于”。术语“基于”应当理解为“至少部分地基于”。术语“一个实施例”或“该实施例”应当理解为“至少一个实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。

一般而言，用于治疗肿瘤的电脉冲设备通常使用单极性脉冲来对肿瘤组织进行不可逆破坏。用于施加至肿瘤组织的电压通常为诸如3000v之类的高电压脉冲，并且基于所针对的肿瘤类型、形状、尺寸、恶性程度等因素，所施加的电压值和脉冲频率可以相应地进行选择。

然而常规的用于治疗肿瘤的电脉冲设备存在过度治疗、治疗效果不理想、甚至治疗事故等问题。本发明人通过研究发现，常规的电脉冲设备输出的电脉冲信号存在在脉冲边缘处的尖峰波形，例如参见图3。对于用于治疗肿瘤的设备而言，这些尖峰波形导致电脉冲设备输出超过预定值的电压。对于高达上千伏特的治疗电压而言，这些尖峰可能会使得峰值电压比预定值超过数百伏特，这会导致治疗效果不理想，严重时甚至可能造成诸如使得正常组织被不可逆破坏之类的医疗事故。

以下将参照附图来具体描述本公开的实施例。图1示出了本公开的实施例可以在其中实施的示例环境100的示意图。示例环境100示出为用于治疗肿瘤的电脉冲设备100。

电脉冲设备100包括上位机2、控制电路4、高压直流电源6、转换电路8、切换板10、电极针22和24、辅助电路等。虽然在图1中示意性地示出了多个部件或电路，但是可以理解这仅是示意而非对本公开的范围进行限制。例如，在图1的实施例中，在各个部件之间可以增加一些其他部件，或者从图1的实施例中减少某些部件。

上位机2可以是诸如计算机和平板电脑之类的计算设备。在一些示例中，上位机2可以仅包括显示屏和输入设备。在又一些示例中，上位机可以仅包括输入设备。

控制电路4可以包括cpu或arm处理器。在一些示例中，控制电路4也可称为与上位机2相对的下位电路板或下位板。控制电路4可以根据需要以有线或无线的方式耦合至电脉冲设备100中的各个部件，以对数据信号进行接收、处理和发送，从而实现对电脉冲设备100中的各个部件进行控制。

高压直流电源6可以基于来自控制电路4的信号生成所需的直流电压。例如，高压直流电源6可以基于来自控制电路4的信号将220v的交流市电电压转换生成为800v至3000v的直流电压。在另一些示例中，高压直流电源6可以将交流市电电压转换生成为诸如300v、400v、500v、600v或700v之类的低于800v的直流电压，或将交流市电电压转换生成为诸如3100v、3300v、3500v、3700v或4000v之类的高于3000v的直流电压。

转换电路8可以基于来自控制电路4的信号将来自高压直流电源6的直流电压转换为脉冲电压。在一个示例中，脉冲电压是双极性脉冲电压。通过使用双极性脉冲电压，可以克服单极性脉冲电压所致的电场不均匀、存在消融盲区、消融效果不甚良好等问题，并且也不会导致肌肉萎缩、治疗痛苦等问题。

例如，脉冲电压可以是幅值为800v、频率为100hz的双极性脉冲电压。在另一示例中，脉冲电压可以是幅值为3000v、频率为1000hz的双极性脉冲电压。在一个示例中，转换电路8和高压直流电源6之间可以设置储能电容器c1以便于转换电路8获得稳定的电能。

虽然在上文示意性地示出了两个具体的双极性脉冲电压，但是可以理解这仅是示意而非对本公开的范围进行限制。例如，双极性脉冲电压的幅值和频率可以基于所针对的肿瘤类型、形状、尺寸、恶性程度等因素进行选择。

切换板10经由负载电阻r2耦合至转换电路8和控制电路4，并且根据控制电路4的控制信号将脉冲电压在电极针22和24之间选择性地切换。切换板10包括第一板102和第二板104。第一板102和第二板104之间被施加不同电势，从而在两者之间形成电压。第一板102和第二板104之间的方向可以根据需要随着脉冲波形而反转。

切换板10包括第一开关106和第二开关108。第一开关106和第二开关108耦合至控制电路4并且受控制电路4控制。在一个示例中，第一开关106和第二开关108可以是继电器。通过将第一开关106和第二开关108连接到具有不同电势的板，可以在电极针22和24之间形成高压电场。

虽然在图1的实施例中仅示出了两个电极针，但是可以理解这仅是示例而非对本公开的范围进行限制。基于所针对的肿瘤类型、形状、尺寸、恶性程度等因素，可以选择更多的电极针，例如4个电极针，其包括两个具有高电势的电极针和两个具有低电势的电极针。在另一示例中，可以选择5个、7个或8个电极针，并且每个电极针的电势可以不同。

在图1的实施例中，电脉冲设备100还具有泄放电阻器r1。泄放电阻器r1耦合在高压直流电源6和转换电路8之间，并且可操作为在急停的情形下泄放累积的能量。在电脉冲设备100操作期间，医生或用户可能会因为紧急情况需要对具有高压电的电脉冲设备100进行紧急停止操作，也即急停。

因此，在本公开的一个实施例中，电脉冲设备100还具有急停开关装置。急停开关装置例如可以包括第一开关s1、第二开关s2、第三开关s3和第四开关s4。急停开关装置通过第四开关s4耦合至高压直流电源、通过第一开关s1耦合至泄放电阻，并且通过第二开关s2和第三开关s4耦合至转换电路8。

急停开关装置可操作为响应于急停开关被导通(例如机械按钮被按下)，通过断开第二开关s2和第三开关s3来断开高压直流电源6至转换电路8的电连接，通过闭合第四开关s4来关闭高压直流电源6，以及通过闭合第一开关s1来导通泄放电阻器r1以对能量进行泄放。在一个示例中，可以在关闭高压直流电源6之后的一定时间段之后通过闭合第一开关s1来导通泄放电阻器r1以对能量进行泄放。

在图1的示例中，电脉冲设备100还包括耦合在切换板10和转换电路8之间的脚踏开关s5。在医生或用户使用电脉冲治疗仪时，并不希望电极针总是施加电场，而是仅在治疗时施加电场。在一些示例中，甚至在治疗时，也并不期望电极针总是施加电场，而是仅在电极针就位(例如被插入人体组织内的特定位置处)时施加电场。因此，需要一个开关来控制电场的施加。相比于常规的手按开关，使用脚踏开关s5可以避免医生在治疗时用手接触开关导致沾染细菌，从而避免对伤口的感染风险。此外，通过使用脚踏开关s5，医生也无需借助于外人来控制开关，使得治疗更为方便。

图2示出了根据本公开的一个实施例的局部示意图。为了便于理解和描述，图1中的一些部件在此未示出以避免影响对于重要部件的描述。这并不意味着图1中的一些部件在图2的实施例中并不存在或可以省略。

高压直流电源6向转换电路8提供直流电压va。转换电路8包括驱动电路80和逆变电路。逆变电路包括第一逆变支路和第二逆变支路。第一逆变支路包括在高电压端子va和接地电压端子vb之间串联耦合的第一igbts1和第二igbts2，第二逆变支路包括在高电压端子va和接地电压端子vb之间串联耦合的第三igbts3和第四igbts4。

控制电路4将控制信号发送给驱动电路80，使得驱动电路80控制逆变电路中的igbt的导通和关断。例如，在一个时刻，驱动电路80导通第一igbts1和第四igbts4，并且关断第二igbts2和第三igbts3，从而切换板10的第一板被施加高电压，并且切换板10的第一板被施加低电压。在下一个时刻，驱动电路导通第二igbts2和第三igbts3，并且关断第一igbts1和第四igbts4，从而切换板10的第一板被施加低电压，并且切换板10的第一板被施加高电压。

然而，本发明人通过研究发现，在igbt切换时，存在上部igbt和下部igbt短时间同时导通的情形。例如，第一igbts1和第二igbts2同时导通，这导致第一逆变支路存在短路的情形。这是因为igbt的门极和集电极之间的寄生电容在igbt关断期间会产生一个很高的瞬态电压变化(dv/dt)，这样会引发门极和集电极间的电压升高而导通igbt。

这种短路虽然时间较为短暂，但仍会使得电极针输出的波形存在毛刺或尖峰的现象。例如图3示出了这类的常规的脉冲信号示意图。在图3中可以看出，在脉冲跳变开始处，存在小的脉冲尖峰。该小的脉冲尖峰在诸如电脉冲肿瘤治疗仪之类的高电压应用情形下可以是数百甚至上千伏特。这种非期望的高压可能会导致正常细胞被不可逆地破坏。

此外，对于电脉冲治疗仪而言，由于上部和下部igbt同时导通形成短路，该短路会产生相当大的热量，从而影响逆变电路的使用寿命。严重时，该短路甚至可能导致igbt崩溃而不能继续使用。

针对上述问题，在本公开的一个实施例中，驱动电路80响应于控制电路4的控制信号，将第一对正驱动信号和负驱动信号交替地施加至第一igbts1和第二igbts2，并且将第二对正驱动信号和负驱动信号交替地施加至第三igbts3和第四igbts4，以使得转换电路生成双极性脉冲电压。

例如，在一个时刻，驱动电路80将+15v的电压提供给第一igbts1，将-5v的电压提供给第二igbts2，将-5v的电压提供给第三igbts3，并且将+15v的电压提供给第四igbts4。在脉冲信号跳变的下一时刻，驱动电路80将-5v的电压提供给第一igbts1，将+15v的电压提供给第二igbts2，将+15v的电压提供给第三igbts3，并且将-5v的电压提供给第四igbts4，并且由此交替往复。

虽然在上文中使用+15v和-5v作为示例进行说明，但是这仅是示意而非对本公开的范围进行限制。在一个示例中，第一对正驱动信号和负驱动信号中的正驱动信号选自从0v至+18v的范围中，并且第一对正驱动信号和负驱动信号中的负驱动信号选自从0v至-8v的范围中。

在另一个示例中，第一对正驱动信号和负驱动信号中的正驱动信号选自从0v至+15v的范围中，并且第一对正驱动信号和负驱动信号中的负驱动信号选自从0v至-5v的范围中。

在又一个示例中，第一对正驱动信号和负驱动信号中的正驱动信号选自从0v至+15v的范围中，并且第一对正驱动信号和负驱动信号中的负驱动信号选自从0v至-8v的范围中。

在又一个示例中，第一对正驱动信号和负驱动信号中的正驱动信号选自从0v至+18v的范围中，并且第一对正驱动信号和负驱动信号中的负驱动信号选自从0v至-5v的范围中。

通过使用成对的正负驱动信号施加至逆变支路，可以有效地防止上部igbt和下部igbt瞬时同时导通带来的短路问题，并且相应地使得电极针输出的脉冲波形更为理想。例如，如图4所示，脉冲波形平滑完整，没有任何瞬态毛刺或尖峰出现。

虽然在本公开的实施例中，使用成对的正负驱动信号施加至逆变支路来防止出现上部igbt和下部igbt瞬时同时导通带来的短路问题，但是可以理解这仅是示例，而非对本公开的范围进行限制。在其它一些示例中，可以通过增加igbt的门极电阻、igbt的门极和集电极之间的电容、或在igbt的门极和发射极之间设置额外的三极管来防止出现上部igbt和下部igbt瞬时同时导通带来的短路问题。

此外，控制电路4可操作为接收指示电压的第一输入，并且基于所接收的第一输入调整所述直流电源以生成经调整的直流电压。例如，针对特定种类的肿瘤，可以通过上位机2相应地输入电压值至控制电路4，控制电路4接收该输入，并且基于所接收的输入使得转换电路8调整双极性脉冲电压的值，例如从1000v调整为1500v。

在一个示例中，转换电路80还包括电压检测装置82。电压检测装置82可操作为检测直流电压。虽然在图2中示出转换电路80包括电压检测装置82，但是可以理解这仅是示意而非对本公开的保护范围进行限制。电压检测装置82可以独立于转换电路80而存在。

例如，可以提供单独的电压检测装置82以检测igbt的发射极和集电极的直流电压，并且将所检测的电压传至控制电路4。控制电路4可操作为接收所检测的直流电压、确定所检测的直流电压超过阈值、以及响应于所检测的直流电压超过阈值，使得驱动电路80关断第一igbts1、第二igbts2、第三igbts3和第四igbts4。

例如，当所检测的直流电压为超过7v阈值时，电压检测装置82确定直流电压超过阈值并且在此情形下存在短路。驱动电路80关断第一igbts1、第二igbts2、第三igbts3和第四igbts4以保护逆变电路免于崩溃。

虽然在图2的示例中将保护电路示出驱动电路的一部分，但是可以理解这仅是示例而非对本公开的保护范围的限制。在其它一些示例中，可以单独设置保护电路，当电压检测装置82确定直流电压超过阈值并且在此情形下存在短路时，驱动电路80使得单独的保护电路关断第一igbts1、第二igbts2、第三igbts3和第四igbts4以保护逆变电路免于崩溃。

在一个示例中，控制电路4可操作为接收指示频率的第二输入，并且基于所接收的第二输入使得转换电路8调整双极性脉冲电压的频率。例如，针对特定种类的肿瘤，可以通过上位机2相应地输入频率值至控制电路4，控制电路4接收该输入，并且基于所接收的输入使得转换电路8调整双极性脉冲电压的频率，例如从100hz调整为150hz。

在上面总体描述了根据本公开的实施例的用于治疗肿瘤的电脉冲设备。下面列举根据本公开的一些示例性实施例。

条目1：提供一种用于治疗肿瘤的电脉冲设备。该电脉冲设备包括直流电源；转换电路，耦合至直流电源并且可操作为将来自直流电压的直流电压转换为双极性脉冲电压，转换电路包括驱动电路、第一逆变支路和与第一逆变支路并联的第二逆变支路，第一逆变支路包括串联的第一igbt和第二igbt，第二逆变支路包括第三igbt和第四igbt；以及控制电路，耦合至转换电路并且可操作为使得驱动电路将第一对正驱动信号和负驱动信号交替地施加至第一igbt和第二igbt，并且将与第一对正驱动信号和负驱动信号相反的第二对正驱动信号和负驱动信号交替地施加至第三igbt和第四igbt4，以使得转换电路生成双极性脉冲电压。

条目2：根据条目1的电脉冲设备，其中第一对正驱动信号和负驱动信号中的正驱动信号选自从0v至+18v的范围中，并且第一对正驱动信号和负驱动信号中的负驱动信号选自从0v至-8v的范围中。

条目3：根据条目1的电脉冲设备，其中第一对正驱动信号和负驱动信号中的正驱动信号选自从0v至+15v的范围中；并且第一对正驱动信号和负驱动信号中的负驱动信号选自从0v至-5v的范围中。

条目4：根据条目1的电脉冲设备，其中第一对正驱动信号和负驱动信号中的正驱动信号选自从0v至+15v的范围中；并且第一对正驱动信号和负驱动信号中的负驱动信号选自从0v至-8v的范围中。

条目5：根据条目1的电脉冲设备，其中第一对正驱动信号和负驱动信号中的正驱动信号选自从0v至+18v的范围中；并且第一对正驱动信号和负驱动信号中的负驱动信号选自从0v至-5v的范围中。

条目6：根据条目1的电脉冲设备，其中控制电路可操作为接收指示电压的第一输入，并且基于所接收的第一输入调整直流电源以生成经调整的直流电压。

条目7：根据条目1的电脉冲设备，其中转换电路还包括电压检测装置，电压检测装置可操作为检测直流电压。

条目8：根据权条目7的电脉冲设备，其中控制电路可操作为：接收所检测的直流电压；确定所检测的直流电压超过阈值；以及响应于所检测的直流电压超过阈值，使得驱动电路关断第一绝缘栅双极晶体管、第二绝缘栅双极晶体管、第三绝缘栅双极晶体管和第四绝缘栅双极晶体管。

条目9.根据条目6的电脉冲设备，其中控制电路可操作为接收指示频率的第二输入，并且基于所接收的第二输入使得转换电路调整双极性脉冲电压的频率。

条目10.根据条目1的电脉冲设备，电脉冲设备还包括：泄放电阻，耦合在直流电源和转换电路之间并且可操作为在急停的情形下泄放能量；以及急停开关装置，耦合至直流电源、泄放电阻和转换电路，并且急停开关装置可操作为响应于急停开关被导通，断开直流电源至转换的电路的电连接；关闭直流电源；以及通过泄放电阻对能量进行泄放。

尽管已经采用特定于结构特征和/或方法逻辑动作的语言描述了本主题，但是应当理解所附权利要求书中所限定的主题未必局限于上面描述的特定特征或动作。相反，上面所描述的特定特征和动作仅仅是实现权利要求书的示例形式。