一种用于组织消融的同步多路多极性陡脉冲发生方法与流程

1.本发明涉及医疗器械中的电磁场肿瘤治疗领域，尤其涉及高压脉冲电场肿瘤组织消融和细胞处理。


背景技术：

2.癌症严重危害人类的生命与健康。以射频为代表的热消融疗法，由于受周围管道结构内溶液热沉降效应的影响，在临床适用范围上受到一定限制。近年来出现的基于不可逆电穿孔的消融疗法是一种新型的非热消融技术，其利用高压脉冲电场使细胞膜发生不可逆电穿孔来实现肿瘤消融。与热消融技术相比，其消融边界清晰，能有效避免损伤重要的血管、胆管和神经等结构，让更多的肿瘤患者获得了救治机会，并取得了显著的临床效果。
3.脉冲电场消融设备采用的电压波形多为单极性脉冲、双极性脉冲或者脉冲组合，脉冲宽度从纳秒到微秒量级。实际操作中，至少需要一对消融电极针，消融电压与脉冲宽度负相关，脉冲越窄消融电压阈值越高，电压越高消融范围越大，但过高电压易导致电极针间的组织或绝缘层击穿，因此单对电极针的消融范围有限，对于体积较大的肿瘤组织或者形状不规则的组织，消融过程中需要多次调整电极针位置。为获得大的消融面积，临床上采用多电极针布局。目前的消融装置通过快速切换装置（如专利2020112024303和201910247941.8）向不同电极对间逐次输出高压脉冲，操作过程复杂，增加了治疗时间，也增加了病人在术中的风险；此外，目前消融装置中高压电极针的对地电位极性相同，导致高压电极间不能形成有效消融电场，不利于有效消融电场网络的形成，从而影响消融范围。


技术实现要素：

4.针对脉冲消融所存在的上述技术缺陷，本发明创造性地提出一种新型的用于组织消融的同步多路多极性脉冲发生方法。
5.一种同步多路多极性脉冲发生装置，包括储能器件、开关、负载和传输线组，其特征在于传输线组由多根并联或串联的传输线构成，传输线组输入端经过开关与储能器件串联，在传输线组输出端的各内导体分别形成极性不同的对地电位，每根传输线可以独立驱动负载，在不同负载上分别输出极性不同的陡脉冲；内导体极性相反的两根传输线可串联协同驱动负载，在不同负载上分别输出同步双极性陡脉冲。
6.所述传输线组的根数为偶数时，传输线组输入端的外导体并联接地；所述传输线组的根数为奇数时，传输线组输出端的外导体并联接地。
7.所述的开关个数可以为单个或两个，当开关个数为两个时，储能器件两端分别通过开关与传输线组的输入端相连。
8.所述的开关，其特征在于：所述的开关包括但不限于火花间隙开关、磁开关、半导体开关等。
9.所述的储能器件包括但不限于电容、脉冲形成线、人工形成线、脉冲发生器等。
10.所述的负载包括但不限于生物组织、肿瘤、细胞、微生物等。
11.本发明创造性地提出一种同步多路多极性脉冲发生方法，其优势在于：可实现多路多极性脉冲同步输出，电极针对地电位极性选择灵活多样，可为正、负或零电位；电极针间易于形成有效的消融电场网络，能够一次性覆盖较大体积肿瘤组织或者不规则病灶组织；电位极性相反电极可协同作用，在保证消融范围的前提下，使电极针对地电压降低一半，大幅度降低了脉冲发生设备对地的绝缘要求，更加安全可靠。此外，基于“法拉第笼”电磁屏蔽效应，采用零电位电极针阵列可以保护消融区附近的重要器官不受外加电场影响。
附图说明
12.图1为本发明基于两级传输线的单路双极性脉冲输出的实施例。
13.图2为本发明基于两级传输线的单路双极性脉冲输出的脉冲电压波形。
14.图3为本发明基于两级传输线的两路独立正负脉冲输出的实施例。
15.图4为本发明基于三级传输线的两路双极性脉冲输出的实施例。
16.图5为本发明基于三级传输线的三路独立正负脉冲输出的实施例。
17.图6为本发明基于四级传输线并联的四路独立正负脉冲输出的实施例。
18.图7为本发明基于四级传输线并联的两路双极性脉冲输出的实施例。
19.图8为本发明基于四级传输线串联的两路双极性脉冲输出的实施例。
20.图9为本发明基于四级传输线串联的四路独立正负脉冲输出的实施例。
21.图10为本发明基于两级传输线的单路双极性脉冲输出消融肝脏肿瘤的实施例。
22.图11为本发明基于两级传输线的单路双极性脉冲输出消融肝脏肿瘤范围的横截面示意图。
23.图12为本发明基于两级传输线的两路独立正负脉冲输出消融肝脏肿瘤的实施例。
24.图13为本发明基于两级传输线的两路独立正负脉冲输出消融肝脏肿瘤范围的横截面示意图。
25.图14为本发明基于两级传输线的两路独立正负脉冲输出消融特定形状肝脏肿瘤的实施例。
26.图15为本发明基于两级传输线的两路独立正负脉冲输出消融不规则形状肝脏肿瘤的横截面示意图。
27.图16为本发明基于脉冲形成线储能的实施例。
28.图17为本发明基于人工形成线储能的实施例。
29.图18为本发明基于双开关多路输出的实施例。
30.图19为本发明基于blumlein脉冲形成线的实施例。
31.图中：1、电容储能器件；2、开关；3、传输线；4、传输线输入端内导体；5、传输线；6、传输线输入端内导体；7、传输线输入端外导体；8、传输线输入端外导体；9、接地；10、负载；11、传输线输出端内导体；12、传输线输出端内导体；13、传输线输出端外导体；14、传输线输出端外导体；15、正极性脉冲波形；16、负极性脉冲波形；17、负载两端脉冲电压波形；18、负载；19、负载；20、传输线；21、传输线；22、传输线输入端外导体；23、传输线输入端内导体；24、传输线输入端内导体；25、传输线输入端外导体；26、负载；27、负载；28、传输线输出端内导体；29、传输线输出端外导体；30、传输线输出端内导体；31、传输线输出端外导体；32、接地；33、负载；34、负载；35、负载；36、传输线；37、传输线；38、传输线；39、传输线输入端内导
体；40、传输线输入端外导体；41、传输线输入端内导体；42、传输线输入端外导体；43、传输线输入端内导体；44、传输线输入端外导体；45、接地；46、负载；47、负载；48、负载；49、负载；50、传输线输出端内导体；51、传输线输出端外导体；52、传输线输出端内导体；53、传输线输出端外导体；54、传输线输出端内导体；55、传输线输出端外导体；56、负载；57、负载；58、肝脏；59、肝内肿瘤；60、电极针；61、电极针；62、电极针；63、电极针；64、电场作用范围；65、脉冲形成线储能器件；66、人工形成线储能器件；67、开关；68、blumlein脉冲形成线。
具体实施方式
32.为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
33.实施例1如图1所示，一种用于组织消融的多路多极性陡脉冲发生方法，包括储能器件1、开关2、传输线3、传输线5和负载10，所述储能器件1为电容，其特征在于储能器件1的一端经开关2与传输线3输入端的内导体4相连，储能器件1的另一端与传输线5输入端的内导体6相连，传输线3输入端的外导体7与传输线5输入端的外导体8相连，并与接地9相连，负载10的两端分别与传输线3输出端的内导体11和传输线5输出端的内导体12相连，传输线3输出端的外导体13和传输线5输出端的外导体14相连，在负载10上输出单极性脉冲，但负载两端的电位极性相反，幅值都为储能器件1上电压v的一半，电压波形示意图如图2所示，波形16为传输线5输出端的内导体12对地的输出电压波形，幅值为-v/2，波形15为传输线3输出端的内导体11对地的输出电压波形，幅值为+v/2，波形17为负载10两端的脉冲电压波形，幅值为v。
34.实施例2如图3所示，一种用于组织消融的多路多极性陡脉冲发生方法，包括储能器件1、开关2、传输线3、传输线5、负载18、负载19，所述储能器件1为电容，其特征在于储能器件1的一端经开关2与传输线3输入端的内导体4相连，储能器件1的另一端与传输线5的输入端内导体6相连，传输线3的输入端外导体7与传输线5的输入端外导体8相连，并与接地9相连，负载18的两端分别与传输线3输出端的内导体11和外导体13相连，在负载18上输出正高压脉冲，幅值为储能器件1上电压v的一半，即+v/2，负载19的两端分别与传输线5输出端的内导体12和外导体14相连，在负载19上输出负高压脉冲，幅值为储能器件1上电压v的一半，即-v/2。
35.实施例3如图4所示，一种用于组织消融的多路多极性陡脉冲发生方法，包括储能器件1、开关2、传输线3、传输线20、传输线21、负载26、负载27，所述储能器件1为电容，其特征在于储能器件1的一端经开关2与传输线3输入端的内导体4相连，储能器件1的另一端与传输线21输入端的外导体25相连；传输线3输入端的外导体7与传输线20输入端的外导体22相连；传输线20输入端的内导体23与传输线21输入端的内导体24相连，负载26的两端分别与传输线3输出端的内导体11和传输线20输出端的内导体28相连，在负载26上输出高压脉冲，幅值为储能器件1上电压v的2v/3，负载27的两端分别与传输线20输出端的内导体28和传输线21输出端的内导体30相连，在负载27上输出高压脉冲，幅值为储能器件1上电压v的2v/3，传输线3输出端的外导体13、传输线20输出端的外导体29、传输线21输出端的外导体31连接在一
起，再与接地32连接，传输线3输出端的内导体11、传输线20输出端的内导体28、传输线21输出端的内导体30的电位分别为+v/3、-v/3、+v/3。
36.实施例4如图5所示，一种用于组织消融的多路多极性陡脉冲发生方法，包括储能器件1、开关2、传输线3、传输线20、传输线21、负载33、负载34、负载35，所述储能器件1为电容，其特征在于储能器件1的一端经开关2与传输线3输入端的内导体4相连，储能器件1的另一端与传输线21输入端的外导体25相连；传输线3输入端的外导体7与传输线20输入端的外导体22相连；传输线20输入端的内导体23与传输线21输入端的内导体24相连，传输线3输出端的外导体13、传输线20输出端的外导体29、传输线21输出端的外导体31连接在一起，再与接地32连接，负载33的两端分别与传输线3输出端的内导体11和外导体13相连，在负载33上输出高压脉冲，幅值为储能器件1上电压v的1/3，即v/3，负载34的两端分别与传输线20输出端的内导体28和外导体29相连，在负载34上输出高压脉冲，幅值为储能器件1上电压v的-1/3，即-v/3，负载35的两端分别与传输线21输出端的内导体30和外导体31相连，在负载35上输出高压脉冲，幅值为储能器件1上电压v的1/3，即v/3。
37.实施例5如图6所示，一种用于组织消融的多路多极性陡脉冲发生方法，包括储能器件1、开关2、传输线3、传输线36、传输线37、传输线38、负载46、负载47、负载48、负载49，所述储能器件1为电容，其特征在于储能器件1的一端经开关2与传输线3输入端的内导体4相连，储能器件1的另一端与传输线38输入端的内导体43相连；传输线3输入端的外导体7、传输线36输入端的外导体40、传输线37输入端的外导体42、传输线38输入端的外导体44连接在一起，再与接地45连接；传输线3输入端的内导体4与传输线36输入端的内导体39相连；传输线37输入端的内导体41与传输线38输入端的内导体43相连，传输线3输出端的外导体13、传输线36输出端的外导体51、传输线37输出端的外导体53连接在一起、传输线38输出端的外导体55连接在一起，负载46的两端分别与传输线3输出端的内导体11和外导体13相连，在负载46上输出高压脉冲，幅值为储能器件1上电压v的1/2，即v/2，负载47的两端分别与传输线36输出端的内导体50和外导体51相连，在负载47上输出高压脉冲，幅值为储能器件1上电压v的1/2，即v/2，负载48的两端分别与传输线37输出端的内导体52和外导体53相连，在负载48上输出高压脉冲，幅值为储能器件1上电压v的-1/2，即-v/2，负载49的两端分别与传输线38输出端的内导体54和外导体55相连，在负载49上输出高压脉冲，幅值为储能器件1上电压v的-1/2，即v/2。
38.实施例6如图7所示，一种用于组织消融的多路多极性陡脉冲发生方法，包括储能器件1、开关2、传输线3、传输线36、传输线37、传输线38、负载56、负载57，所述储能器件1为电容，其特征在于储能器件1的一端经开关2与传输线3输入端的内导体4相连，储能器件1的另一端与传输线38输入端的内导体43相连；传输线3输入端的外导体7、传输线36输入端的外导体40、传输线37输入端的外导体42、传输线38输入端的外导体44连接在一起，再与接地45连接；传输线3输入端的内导体4与传输线36输入端的内导体39相连；传输线37输入端的内导体41与传输线38输入端的内导体43相连，传输线3输出端的外导体13、传输线36输出端的外导体51、传输线37输出端的外导体53连接在一起、传输线38输出端的外导体55连接在一起，负载
56的两端分别与传输线3输出端的内导体11和传输线38输出端的内导体54相连，在负载56上输出高压脉冲，幅值与储能器件1上电压v相等；传输线3输出端的内导体11、传输线38输出端的内导体54的电位分别为+v/2、-v/2，负载57的两端分别与传输线36输出端的内导体50和传输线37输出端的内导体52相连，在负载57上输出高压脉冲，幅值与储能器件1上电压v相等；传输线36输出端的内导体50、传输线37输出端的内导体52的电位分别为+v/2、-v/2。
39.实施例7如图8所示，一种用于组织消融的多路多极性陡脉冲发生方法，包括储能器件1、开关2、传输线3、传输线36、传输线37、传输线38、负载56、负载57，所述储能器件1为电容，其特征在于储能器件1的一端经开关2与传输线3输入端的内导体4相连，储能器件1的另一端与传输线38输入端的内导体43相连；传输线3输入端的外导体7与传输线36输入端的外导体40相连；传输线37输入端的外导体42与传输线38输入端的外导体44相连；传输线36输入端的内导体39与传输线37输入端的内导体41相连，传输线3输出端的外导体13、传输线36输出端的外导体51、传输线37输出端的外导体53连接在一起、传输线38输出端的外导体55连接在一起，在与接地45相连，负载56的两端分别与传输线3输出端的内导体11和传输线38输出端的内导体54相连，在负载56上输出高压脉冲，幅值是储能器件1上电压v的1/2；传输线3输出端的内导体11、传输线38输出端的内导体54的电位分别为+v/4、-v/4，负载57的两端分别与传输线36输出端的内导体50和传输线37输出端的内导体52相连，在负载57上输出高压脉冲，幅值是储能器件1上电压v的1/2；传输线36输出端的内导体50、传输线37输出端的内导体52的电位分别为-v/4、+v/4。
40.实施例8如图9所示，一种用于组织消融的多路多极性陡脉冲发生方法，包括储能器件1、开关2、传输线3、传输线36、传输线37、传输线38、负载46、负载47、负载48、负载49，所述储能器件1为电容，其特征在于储能器件1的一端经开关2与传输线3输入端的内导体4相连，储能器件1的另一端与传输线38输入端的内导体43相连；传输线3输入端的外导体7与传输线36输入端的外导体40相连；传输线37输入端的外导体42与传输线38输入端的外导体44相连；传输线36输入端的内导体39与传输线37输入端的内导体41相连，传输线3输出端的外导体13、传输线36输出端的外导体51、传输线37输出端的外导体53连接在一起、传输线38输出端的外导体55连接在一起，在与接地45相连，负载46的两端分别与传输线3输出端的内导体11和外导体13相连，在负载46上输出高压脉冲，幅值为储能器件1上电压v的+1/4，负载47的两端分别与传输线36输出端的内导体50和外导体51相连，在负载47上输出高压脉冲，幅值为储能器件1上电压v的-1/4，负载48的两端分别与传输线37输出端的内导体52和外导体53相连，在负载48上输出高压脉冲，幅值为储能器件1上电压v的+1/4，负载49的两端分别与传输线38输出端的内导体54和外导体55相连，在负载49上输出高压脉冲，幅值为储能器件1上电压v的-1/4。
41.实施例9如图10所示，一种用于组织消融的多路多极性陡脉冲发生方法，包括储能器件1、开关2、传输线3、传输线5、肝脏58、肝内肿瘤59、电极针60、电极针61，所述电极针60和61带绝缘层和放电前端，电极针60和电极针61相互平行，其特征在于储能器件1的一端经开关2与传输线3输入端的内导体4相连，储能器件1的另一端与传输线5输入端的内导体6相连，传
输线3输入端的外导体7与传输线5输入端的外导体8相连，并与接地9相连，传输线3输出端的内导体11和传输线5输出端的内导体12分别与电极针60和电极针61相连，电极针60和电极针61插入肝脏58，如图11所示，电场作用范围64覆盖肝内肿瘤59。
42.实施例9如图12所示，一种用于组织消融的多路多极性陡脉冲发生方法，包括储能器件1、开关2、传输线3、传输线5、肝脏58、肝内肿瘤59、电极针60、电极针61、电极针62、电极针63，所述电极针60、61、62、63带绝缘层和放电前端，电极针60、61、62、63相互平行，其特征在于储能器件1的一端经开关2与传输线3输入端的内导体4相连，储能器件1的另一端与传输线5输入端的内导体6相连，传输线3输入端的外导体7与传输线5输入端的外导体8相连，并与接地9相连，传输线3输出端的内导体11和传输线5输出端的内导体12分别与电极针60和电极针61相连，传输线3输出端的外导体13和传输线5输出端的外导体14分别与电极针62和电极针63相连，电极针60、61、62、63插入肝脏58，如图13所示，电场作用范围64覆盖肝内肿瘤59。
43.实施例11如图14所示，一种用于组织消融的多路多极性陡脉冲发生方法，包括储能器件1、开关2、传输线3、传输线5、肝脏58、肝内肿瘤59、电极针60、电极针61、电极针62、电极针63，所述电极针60、61、62、63带绝缘层和放电前端，电极针60、61、62、63相互平行，其特征在于储能器件1的一端经开关2与传输线3输入端的内导体4相连，储能器件1的另一端与传输线5输入端的内导体6相连，传输线3输入端的外导体7与传输线5输入端的外导体8相连，并与接地9相连，传输线3输出端的内导体11和传输线5输出端的内导体12分别与电极针60和电极针61相连，传输线3输出端的外导体13和传输线5输出端的外导体14分别与电极针62和电极针63相连，电极针60、61、62、63插入肝脏58，如图15所示，电场作用范围64覆盖肝内肿瘤59，根据电极针位置的布局，可以实现不规则形状的组织消融，并通过接地电极的布置实现对重要组织结构电场屏蔽及保护。
44.实施例12如图16所示，一种用于组织消融的多路多极性陡脉冲发生方法，包括储能器件65、开关2、传输线3、传输线5和负载10，所述储能器件65为脉冲形成线，其特征在于储能器件65的一端经开关2与传输线3输入端的内导体4相连，储能器件65的另一端与传输线5输入端的内导体6相连，传输线3输入端的外导体7与传输线5输入端的外导体8相连，并与接地9相连，负载10的两端分别与传输线3输出端的内导体11和传输线5输出端的内导体12相连，传输线3输出端的外导体13和传输线5输出端的外导体14相连，在负载10上输出单极性脉冲，但负载两端的电位极性相反，幅值都为储能器件65上电压v的一半。
45.实施例13如图17所示，一种用于组织消融的多路多极性陡脉冲发生方法，包括储能器件66、开关2、传输线3、传输线5和负载10，所述储能器件66为人工形成线，其特征在于储能器件66的一端经开关2与传输线3输入端的内导体4相连，储能器件66的另一端与传输线5输入端的内导体6相连，传输线3输入端的外导体7与传输线5输入端的外导体8相连，并与接地9相连，负载10的两端分别与传输线3输出端的内导体11和传输线5输出端的内导体12相连，传输线3输出端的外导体13和传输线5输出端的外导体14相连，在负载10上输出单极性脉冲，但负载两端的电位极性相反，幅值都为储能器件66上电压v的一半。
46.实施例14如图18所示，一种用于组织消融的多路多极性陡脉冲发生方法，包括储能器件1、开关2、开关67、传输线3、传输线36、传输线37、传输线38、负载56、负载57，所述储能器件1为电容，其特征在于储能器件1的一端经开关2与传输线3输入端的内导体4相连，储能器件1的另一端经开关67与传输线38输入端的内导体43相连；传输线3输入端的外导体7、传输线36输入端的外导体40、传输线37输入端的外导体42、传输线38输入端的外导体44连接在一起，再与接地45连接；传输线3输入端的内导体4与传输线36输入端的内导体39相连；传输线37输入端的内导体41与传输线38输入端的内导体43相连，传输线3输出端的外导体13、传输线36输出端的外导体51、传输线37输出端的外导体53连接在一起、传输线38输出端的外导体55连接在一起，负载56的两端分别与传输线3输出端的内导体11和传输线38输出端的内导体54相连，在负载56上输出高压脉冲，幅值与储能器件1上电压v相等；传输线3输出端的内导体11、传输线38输出端的内导体54的电位分别为+v/2、-v/2，负载57的两端分别与传输线36输出端的内导体50和传输线37输出端的内导体52相连，在负载57上输出高压脉冲，幅值与储能器件1上电压v相等；传输线36输出端的内导体50、传输线37输出端的内导体52的电位分别为+v/2、-v/2，与实施例6相比，其特点在于开关2和开关67的工作电压减半，储能器件1两端对地的绝缘强度要求减半。
47.实施例15如图19所示，一种用于组织消融的多路多极性陡脉冲发生方法，包括储能器件68、传输线3、传输线5和负载10，所述储能器件68为blumlein脉冲形成线，其特征在于储能器件68的一端与传输线3输入端的内导体4相连，储能器件68的另一端与传输线5输入端的内导体6相连，传输线3输入端的外导体7与传输线5输入端的外导体8相连，并与接地9相连，负载10的两端分别与传输线3输出端的内导体11和传输线5输出端的内导体12相连，传输线3输出端的外导体13和传输线5输出端的外导体14相连，在负载10上输出单极性脉冲，但负载两端的电位极性相反，幅值都为储能器件68上电压v的一半。
48.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。