一种高压脉冲治疗设备的实时电学信号监测装置

1.本发明涉及高压脉冲电场消融设备技术领域，特别涉及一种高压脉冲治疗设备的实时电学信号监测装置。


背景技术：

2.随着脉冲功率技术在生物医学领域的不断发展，高压脉冲电场的非热生物电学效应受到越来越多的关注。高压脉冲电场通过向生物细胞或组织施加极高场强的微纳秒电脉冲，造成细胞膜电穿孔，从而导致大分子通透性增加、细胞钙离子释放、细胞坏死或凋亡等非热效应。当细胞膜电穿孔不可恢复时会导致细胞死亡，这种不可逆电穿孔组织消融技术已经被广泛应用于肿瘤消融、心脏消融等临床治疗当中。相比于射频和冷冻消融，不可逆电穿孔组织消融技术具有非热、炎症反应弱、组织选择性等特点。
3.高压脉冲消融设备是不可逆电穿孔组织消融技术的核心部分，现有的高压脉冲消融设备多采用微秒脉冲或纳秒脉冲。随着高压脉冲消融设备在实际的临床应用中推广，也暴露出很多问题。高压脉冲消融设备在进行肿瘤消融的过程中，设备自身缺乏电压电流监测装置，无法实现电压电流的实时监测显示，需要配合示波器、高压探头和电流探头，对施加在生物细胞或组织上的电压和电流进行实时监测。测量设备与高压脉冲消融设备通信困难，对于非专业的操作人员有一定的使用门槛，增加使用成本，降低系统的集成度。因此，实现高压脉冲消融设备的电压电流监测集成化、可视化和操作智能化尤为重要。
4.公开号为cn109581032a的中国发明专利提供了一种高压脉冲测量电路，用于测量脉冲电晕放电等离子体电源，主要电路包括分压臂电路、脉冲电压测量电路和脉冲电流测量电路，所述分压臂电路的输入端连接脉冲电晕放电等离子体电源输出端，所述分压臂电路的输出端接脉冲电压测量电路的输入端，所述脉冲电压测量电路的输出端连接脉冲电流测量电路的输入端；所述高压脉冲测量电路采用电流反馈模式测量脉冲电压，实现了测量较大带宽的冲电压信号，使得被测信号的最大允许测量带宽得到保证；在测量脉冲电流时采用了直流分量负反馈调节电路，实现了实时检测积分器的输出直流分量，并且及时反馈给运算放大器的输入端，从而补偿直流分量的脉动影响。
5.该测量电路具体的工作方式是分压电路接入等离子体电源，然后利用示波器连接脉冲电压测量电路和脉冲电流测量电路即可实现对高压脉冲电压和电流的测量。该发明专利通过自制的电路配合示波器实现对高压脉冲信号的测量，其电压电流的测量相较于实际应用情况是发明了类似于高压探头和电流探头的装置。在主体方案上，该发明专利只有对高压脉冲信号转换成低压脉冲信号的硬件电路。


技术实现要素：

6.为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，本发明的第一目的是提供一种高压脉冲治疗设备的实时电学信号监测装置，包括：控制单元、电极、脉冲检测单元、数据采集与处理单元、人机交互单元；高压脉冲治疗设备与所述控制单元、所述电极、所述脉冲检测单
元连接，所述电极与所述脉冲检测单元连接，所述脉冲检测单元与所述数据采集与处理单元、所述控制单元连接，所述数据采集与处理单元与所述控制单元、所述人机交互单元连接，所述人机交互单元与所述控制单元连接；
7.所述控制单元，用于接收用户指令，将所述用户指令转化为控制信号发送给所述高压脉冲治疗设备；
8.所述高压脉冲治疗设备，用于接收所述控制单元发送的控制信号，通过所述电极向负载施加指定的高压脉冲信号；
9.所述脉冲检测单元，用于将所述高压脉冲治疗设备施加在负载上产生的脉冲电压和脉冲电流转换为低压脉冲信号；
10.所述数据采集与处理单元，用于将所述脉冲检测单元产生的低压脉冲信号转化为数字信号，对所述数字信号进行处理，获得高压脉冲电压和电流值、负载的阻抗值并发送至所述人机交互单元进行实时显示；
11.所述人机交互单元，用于实时显示所述数据采集与处理单元上传的高压脉冲电压和电流值、负载的阻抗值，同时也用于进行高压脉冲参数的设置，将设置参数以用户指令的形式发送给所述控制单元。
12.进一步地，所述脉冲检测单元包括脉冲电流测量电路、分压电路和脉冲电压测量电路；所述分压电路与所述电极、所述控制单元连接，所述脉冲电流测量电路、所述脉冲电压测量电路与所述数据采集与处理单元；所述分压电路的输入端分别与所述高压脉冲治疗设备的高压输出端连接，所述分压电路的输出端分别与所述脉冲电压测量电路的输入端连接。
13.进一步地，所述分压电路包括同轴线等效的阻容分压网络、第一分压电路和第二分压电路，所述阻容分压网络与所述第一分压电路、所述第二分压电路连接，所述第一分压电路的输出端与所述第二分压电路的输入端连接，所述第二分压电路的输出端与所述脉冲电压测量电路的输入端连接。
14.进一步地，所述第一分压电路包括第一电阻和第一电容，所述第一电阻与所述第一电容并联；
15.所述第二分压电路包括第二电阻、第二电容、第一双向瞬态抑制二极管和分压挡位切换电路，所述第二电阻、第二电容、第一双向瞬态抑制二极管、分压挡位切换电路并联；
16.所述分压挡位切换电路包括单刀单掷继电器、单刀双掷继电器、第一挡位调节电阻和第二挡位调节电阻，所述单刀单掷继电器的触点开关的输入端连接第二分压电路的输出端，单刀单掷继电器的触点开关的输出端连接单刀双掷继电器的触点开关的输入端，单刀单掷继电器的信号控制端连接控制单元，用于接收控制信号，触发单刀单掷继电器的触点开关的通断，所述单刀双掷继电器的输出端连接所述第一挡位调节电阻和第二挡位调节电阻的输入端,所述单刀双掷继电器的信号控制端连接控制单元，用于接收控制信号，触发单刀双掷继电器的触点开关的通断；所述第一挡位调节电阻和第二挡位调节电阻的输出端连接脉冲电压测量电路的输入端。
17.进一步地，所述脉冲电压测量电路包括平衡对称差分输入电路、差分输入转单端输出电路；所述平衡对称差分输入电路包含第一带宽放大器、反馈电阻、增益调节电阻、第二带宽放大器和反馈电阻，所述第一带宽放大器的正输入端连接所述分压电路的正输出
端，所述反馈电阻一端连接所述第一带宽放大器的负输入端，所述反馈电阻另一端连接所述第一带款放大器的输出端，所述增益调节电阻的输入端连接反馈电阻的输入端，所述增益调节电阻的输出端连接反馈电阻的输入端，反馈电阻输出端连接所述第二带宽放大器的输出端，所述第二带宽放大器输入端连接分压电路的负输出端；
18.所述差分输入转单端输出电路包括输入电阻、输入电阻、反馈电阻、反馈电阻和电流反馈放大器，所述输入电阻一端与所述第一带宽放大器输出端连接，所述输入电阻另一端与电流反馈放大器的正输入端连接，所述输入电阻的一端与所述第二带宽放大器的输出端连接，所述输入电阻的另一端与电流反馈放大器的负输入端连接，所述反馈电阻一端与电流反馈放大器的正输入端连接，所述反馈电阻另一端与电流反馈放大器的输出端连接，所述反馈电阻的一端与电流反馈放大器的负输入端连接，所述反馈电阻另一端接地。
19.进一步地，所述脉冲电流测量电路包括电流采样电路和信号调理电路，所述电流采样电路包括互感线圈、采样电阻、可调电阻、采样电容和第二双向瞬态抑制二极管，所述互感线圈与高压端通过采样电阻将脉冲电流转化为低压脉冲信号，采样电阻一端与互感线圈连接，采样电阻另一端与可调电阻一端连接，可调电阻另一端接地，采样电容一端与采样电阻连接，采样电容另一端与可调电阻连接，第二双向瞬态抑制二极管一端与采样电容连接，第二双向瞬态抑制二极管另一端接地；
20.所述信号调理电路包括输入电阻、输入电阻、第三带宽放大器、反馈电容和反馈电容，所述输入电阻一端与采样电容连接，所述输入电阻另一端与输入电阻的输入端连接，输入电阻的输出端与第三带宽放大器的正输入端连接，反馈电容一端与输入电阻的输入端连接，反馈电容另一端与第三带宽放大器的输出端连接，反馈电容一端与第三带宽放大器的正输入端连接，反馈电容另一端接地，所述第三带宽放大器的负输入端与其输出端连接。
21.进一步地，所述数据采集与处理单元包括模数转换电路和数据处理系统，所述模数转换电路包含两个转换通道，分别将所述脉冲电压测量电路和所述脉冲电流测量电路产生的低压脉冲信号转化为数字信号，发送给数据处理系统，所述数据处理系统包括数据实时处理算法模块、傅里叶变化频域分析算法模块、通讯算法模块，所述数据实时处理算法模块用于获得高压脉冲电压和电流值，所述傅里叶变化频域分析算法模块用于获得负载的阻抗，所述通讯算法模块用于按照人机交互需求将高压脉冲电压、电流值和阻抗值发送到所述人机交互模块进行实时显示。
22.进一步地，所述人机交互模块用于进行高压脉冲参数的设置具体为对预输出正负极性高压脉冲的幅值、脉宽、正负脉冲之间的延时、脉冲串之间的延时、脉冲串个数、脉冲群和脉冲群频率的设置。
23.进一步地，所述第一挡位调节电阻和所述第二挡位调节电阻均为可调电阻。
24.进一步地，所述控制单元包括主控板和按键，所述主控板用于接收用户指令，并将所述用户指令转化为相应的控制信号发送给所述高压脉冲治疗设备产生脉冲；同时用于根据预输出脉冲幅值，发送控制信号给所述脉冲检测单元切换到相应的分压挡位；所述按键用于触发高压脉冲治疗设备产生高压脉冲，施加脉冲的同时，所述主控板发送信号触发所述数据采集与处理单元进行低压脉冲信号的采集与处理。
25.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
26.本发明立足于市场对高压脉冲消融设备的智能化需求，提供一种高压脉冲治疗设
备的实时电学信号监测装置,实现了高压脉冲作用期间的电压电流、阻抗的自动测量及实时显示，有助于实时监测高压脉冲治疗过程，提高治疗的成功率。替代示波器和高压探头等价格昂贵的商用检测设备，降低了设备的使用成本，也提高了设备的集成和智能化程度，降低了使用门槛。
27.本发明与背景技术中涉及的公开号为cn109581032a的中国发明专利(后续简称上述发明专利)的不同之处在于，本发明是针对不可逆电穿孔组织消融技术领域，提供一套高压脉冲治疗设备的电学信号监测装置，用于实时采集显示高压脉冲消融设备治疗过程中的电压电流信号。
28.本发明不仅提供了高压脉冲信号转换为低压脉冲信号的硬件装置，还集成了数据采集与处理单元对低压脉冲信号进行实时的采集与处理，并上传到人机交互界面进行高压脉冲信号的实时显示的整体控制方案；在硬件电路上，本发明相较于上述发明专利也有很多不同和优势。首先是分压电路，上述发明专利的分压电路通过阻容分压将高压脉冲信号转化为低压脉冲信号，而本发明不仅通过阻容分压将高压脉冲信号转化为低压脉冲信号，还根据实际的应用场景，提供了分压比切换电路，通过控制单元控制相应开关切换到相应的位置，获得不同的分压比，以此提高在不同范围的电压情况下的分压精度，从而实现更高的采集精度；在脉冲电压采集电路上，上述发明专利通过差分输入电路结合差分电路转单端输出电路实现对脉冲信号的处理，本发明可以利用差模增益调节电阻r6调节差模增益；在脉冲电流测量电路上，与上述发明专利的不同之处在于后面的信号调理电路，本发明采用的是二阶巴特沃斯滤波器。
29.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
30.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
31.图1为实施例1的高压脉冲治疗设备的实时电学信号监测装置示意图；
32.图2为实施例1的分压电路示意图；
33.图3为实施例1的脉冲电压测量电路示意图；
34.图4为实施例1的脉冲电流测量电路示意图。
具体实施方式
35.下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
36.实施例1
37.一种高压脉冲治疗设备的实时电学信号监测装置，如图1所示，包括：控制单元、电极、脉冲检测单元、数据采集与处理单元、人机交互单元；高压脉冲治疗设备与控制单元、电极、脉冲检测单元连接，电极与脉冲检测单元连接，脉冲检测单元与数据采集与处理单元、
控制单元连接，数据采集与处理单元与控制单元、人机交互单元连接，人机交互单元与控制单元连接；
38.控制单元，用于接收用户指令，将用户指令转化为控制信号发送给高压脉冲治疗设备；其中，控制单元包括主控板和按键，主控板用于接收用户指令，并将用户指令转化为相应的控制信号发送给高压脉冲治疗设备产生脉冲；同时用于根据预输出脉冲幅值，发送控制信号给脉冲检测单元切换到相应的分压挡位；按键用于触发高压脉冲治疗设备产生高压脉冲，施加脉冲的同时，主控板发送信号触发数据采集与处理单元进行低压脉冲信号的采集与处理，以此实现电压电流的自动采集。
39.高压脉冲治疗设备，用于接收控制单元发送的控制信号，通过电极向负载施加指定的高压脉冲信号；高压脉冲信号包括正极性高压脉冲或脉冲串、负极性高压脉冲或脉冲串、正负双极性高压脉冲或脉冲串。
40.脉冲检测单元，用于将高压脉冲治疗设备施加在负载上产生的脉冲电压和脉冲电流转换为可处理的低压脉冲信号；
41.数据采集与处理单元，用于将脉冲检测单元产生的低压脉冲信号转化为数字信号，对数字信号进行处理，获得高压脉冲电压和电流值、负载的阻抗值并发送至人机交互单元进行实时显示；
42.人机交互单元，用于实时显示数据采集与处理单元上传的高压脉冲电压和电流值、负载的阻抗值，同时也用于进行高压脉冲参数的设置，将设置参数以用户指令的形式发送给控制单元。其中，高压脉冲参数的设置是对预输出正负极性高压脉冲的幅值、脉宽、正负脉冲之间的延时、脉冲串之间的延时、脉冲串个数、脉冲群和脉冲群频率的设置。
43.脉冲检测单元包括脉冲电流测量电路、分压电路和脉冲电压测量电路；分压电路与电极、控制单元连接，脉冲电流测量电路、脉冲电压测量电路与数据采集与处理单元；分压电路的输入端分别与高压脉冲治疗设备的高压输出端v
h+
和v
h-连接，分压电路的输出端v
l+
和v
l-分别与脉冲电压测量电路的输入端连接。
44.如图2所示，分压电路包括同轴线等效的阻容分压网络、第一分压电路和第二分压电路，阻容分压网络包括r11、c11、r12、c12、
…
、r1n、c1n，r11与c11并联，r12与c12并联，
…
，r1n与c1n并联，阻容分压网络与第一分压电路、第二分压电路连接，第一分压电路的输出端与第二分压电路的输入端连接，第二分压电路的输出端与脉冲电压测量电路的输入端v
l-连接。
45.第一分压电路包括第一电阻r1和第一电容c1，第一电阻与第一电容并联；
46.第二分压电路包括第二电阻r2、第二电容c2、第一双向瞬态抑制二极管d1和分压挡位切换电路，第二电阻、第二电容、第一双向瞬态抑制二极管、分压挡位切换电路并联；
47.分压挡位切换电路包括单刀单掷继电器k1、单刀双掷继电器k2、第一挡位调节电阻r
k1
和第二挡位调节电阻r
k2
，单刀单掷继电器的触点开关的输入端连接第二分压电路的输出端，单刀单掷继电器的触点开关的输出端连接单刀双掷继电器的触点开关的输入端，单刀单掷继电器的信号控制端连接控制单元，用于接收控制信号k1_clk，触发单刀单掷继电器的触点开关的通断，单刀双掷继电器的输出端连接第一挡位调节电阻和第二挡位调节电阻的输入端,单刀双掷继电器的信号控制端连接控制单元，用于接收控制信号k2_clk，触发单刀双掷继电器的触点开关的通断；第一挡位调节电阻和第二挡位调节电阻的输出端连
接脉冲电压测量电路的输入端v
l-，并且均为可调电阻，用于精密调节分压比。
48.分压电路输入端接入电极，分压挡位切换电路接收控制单元相应的触发信号，切换到相应的挡位获得相应的分压比，具体可以获得三个挡位的分压比。以此实现不同脉冲幅值输出情况下分压挡位的切换，提高不同脉冲幅值输出下的测量精度。
49.在本实施例中，定义r1、r2、r
hn
和r
ln
两端的阻抗分别为z
r1
、z
r2
、和则分压电路输出的低压脉冲信号计算方式如下：
[0050][0051]
如图3所示，脉冲电压测量电路用于将分压电路输出的信号转化为可处理的低压脉冲信号v0，其包括平衡对称差分输入电路、差分输入转单端输出电路；平衡对称差分输入电路包含第一带宽放大器n1、反馈电阻r3、增益调节电阻r6、第二带宽放大器n3和反馈电阻r7，第一带宽放大器n1的正输入端连接分压电路的正输出端v
l+
，反馈电阻r3一端连接第一带宽放大器n1的负输入端，反馈电阻r3另一端连接第一带款放大器的输出端，增益调节电阻r6的输入端连接反馈电阻r3的输入端，增益调节电阻r6的输出端连接反馈电阻r7的输入端，反馈电阻r7输出端连接第二带宽放大器n3的输出端，第二带宽放大器n3输入端连接分压电路的负输出端v
l-；
[0052]
差分输入转单端输出电路包括输入电阻r4、输入电阻r8、反馈电阻r5、反馈电阻r9和电流反馈放大器n2，输入电阻r4一端与第一带宽放大器n1输出端连接，输入电阻r4另一端与电流反馈放大器n2的正输入端连接，输入电阻r8的一端与第二带宽放大器n3的输出端连接，输入电阻r8的另一端与电流反馈放大器n2的负输入端连接，反馈电阻r5一端与电流反馈放大器n2的正输入端连接，反馈电阻r5另一端与电流反馈放大器n2的输出端连接，反馈电阻r9的一端与电流反馈放大器n2的负输入端连接，反馈电阻r9另一端接地。
[0053]
脉冲电压测量电路输入端连接分压电路输出端，通过平衡对称差分输入电路减小低压脉冲信号共模误差。增益调节电阻r6可以调节平衡对称差分输入电路的差模增益，并且不会影响电路的对称性。通过差分输入转单端输出电路可以进一步抑制低压脉冲信号的共模误差，并且将差分信号转化为可以进行采集的低压脉冲信号。
[0054]
如图4所示，脉冲电流测量电路将施加在负载上的脉冲电流转化为可处理的低压脉冲信号v1，其包括电流采样电路和信号调理电路，电流采样电路包括互感线圈、采样电阻r10、可调电阻r11、采样电容c3和第二双向瞬态抑制二极管d2，互感线圈与高压端以一定匝比通过采样电阻r10将脉冲电流转化为低压脉冲信号，采样电阻r10一端与互感线圈连接，采样电阻r10另一端与可调电阻r11一端连接，可调电阻r11另一端接地，采样电容c3一端与采样电阻r10连接，采样电容c3另一端与可调电阻r11连接，第二双向瞬态抑制二极管一端与采样电容c11连接，第二双向瞬态抑制二极管另一端接地；
[0055]
信号调理电路包括输入电阻r12、输入电阻r13、第三带宽放大器n4、反馈电容c5和反馈电容c4，输入电阻r12一端与采样电容c3连接，输入电阻r12另一端与输入电阻r13的输入端连接，输入电阻r13的输出端与第三带宽放大器n4的正输入端连接，反馈电容c5一端与输入电阻r13的输入端连接，反馈电容c5另一端与第三带宽放大器n4的输出端连接，反馈电容c4一端与第三带宽放大器n4的正输入端连接，反馈电容c4另一端接地，第三带宽放大器n4的负输入端与其输出端连接。
[0056]
脉冲电流测量电路通过采样电阻r10将脉冲电流信号转化为低压脉冲信号，然后经过信号调理电路的处理获得可以进行采集的低压脉冲信号。
[0057]
数据采集与处理单元包括模数转换电路和数据处理系统，模数转换电路包含两个转换通道，分别将脉冲电压测量电路和脉冲电流测量电路产生的低压脉冲信号转化为数字信号，发送给数据处理系统，数据处理系统包括数据实时处理算法模块、傅里叶变化频域分析算法模块、通讯算法模块，数据实时处理算法模块用于获得高压脉冲电压和电流值，傅里叶变化频域分析算法模块用于获得负载的阻抗，通讯算法模块用于按照人机交互需求将高压脉冲电压、电流值和阻抗值发送到人机交互模块进行实时显示。
[0058]
使用人员通过人机交互界面设置预输出的高压脉冲参数，并且以用户指令的形式发送给控制单元。控制单元接收用户指令之后，将其转化为相应的控制信号发送给高压脉冲治疗设备产生指定的脉冲。同时控制单元根据预输出脉冲幅值，发送控制信号给分压电路切换到相应的分压挡位，然后通过按键触发高压脉冲输出。与此同时，发送触发信号触发数据采集与处理单元同步进行低压脉冲信号采集与处理，并且实时上传高压脉冲电压、电流和阻抗值。最后通过人机交互界面实时显示高压脉冲电压电流波形和阻抗值。
[0059]
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0060]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
[0061]
以上仅为本说明书实施例而已，并不用于限制本说明书一个或多个实施例。对于本领域技术人员来说，本说明书一个或多个实施例可以有各种更改和变换。凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书一个或多个实施例的权利要求范围之内。本说明书一个或多个实施例本说明书一个或多个实施例本说明书一个或多个实施例本说明书一个或多个实施例。