一种细胞电穿孔的脉冲发生电路的制作方法

本实用新型属于医疗器械与电子线路技术领域，具体涉及一种细胞电穿孔的脉冲发生电路。

背景技术：

细胞电穿孔是指在脉冲电场作用下，细胞膜产生微孔的物理过程。根据脉冲电场强度、脉冲宽度和作用次数的不同，电穿孔分为可逆电穿孔和不可逆电穿孔；可逆电穿孔是在细胞膜应用适当强度和宽度的电场的条件下，脉冲电场使细胞膜上产生暂时、可逆的孔道或通透。在脉冲电场作用过后，孔道自然封闭，细胞会恢复正常状态，由于细胞膜的通透性增加，可以使其它运输机制下使某些大分子可以穿越细胞膜。可逆电穿孔使细胞内外分子交换能力显著增加，有利于细胞吸收各种药物、基因物质、蛋白质和其它大分子等。将电脉冲与化疗药物相结合治疗肿瘤，创立了肿瘤的电脉冲化学疗法，此法可比常规化疗效果更好，而副作用更小。当脉冲电场超过细胞可承受的极限时，电场过后，细胞膜不能重新封闭，细胞出现不可恢复的破裂导致细胞死亡，这种现象称作不可逆性电击穿。是否发生不可逆电穿孔，与电脉冲的宽度、脉冲幅度、脉冲次数以及细胞的物理化学特性有关。在过去的电穿孔应用研究中，如基因转染、肿瘤电脉冲化疗等，利用细胞的可逆性电击穿现象，控制不可逆性电击穿现象，将电脉冲引人到肿瘤组织中，使恶性肿瘤细胞发生不可逆性电击穿，这样就破坏了肿瘤的生存条件，达到了杀伤肿瘤细胞的目的。这种不用化疗药物，单独使用强脉冲电场可以导致肿瘤细胞程序性死亡(凋亡)并能有效抑制肿瘤的生长。这种肿瘤治疗方法称为不可逆电穿孔肿瘤消融术。

电穿孔过程中所施加的电场强度、频率、脉冲宽度等波形参数，直接影响电穿孔的效率和结果，目前，多采用指数衰减波和方波两种，指数衰减波电穿孔脉冲是利用电容充电后经组织细胞放电产生的波形，该过程将电容中储存的能量全部放掉，由于电容电压下降后，其电场强度达不到电穿孔的阈值，所以这部分能量不起电穿孔作用，而只是产生热量，但电流控制较为简单，相比之下，方波电穿孔脉冲发生器是利用电子开关控制输出波形，其效率较高，产生的热量较少，由于各种波形参数对电穿孔的效率影响较大，需要对各种参数进行优化研究。

技术实现要素：

本实用新型的目的为解决现有技术的上述问题和不足，本实用新型提供了一种细胞电穿孔的脉冲发生器，本实用新型能使活细胞产生可逆性或不可逆性电击穿，大大减少了电冲击过程中热量的产生，提高了电穿孔脉冲的频率，为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种细胞电穿孔的脉冲发生器，包括电源变换电路、储能电路、脉冲输出电路、信号控制器、电极和电源，所述电源的输出端与电源变换电路连接，该电源变换电路依次通过储能电路、脉冲输出电路与电极连接，所述信号控制器与脉冲输出电路的控制输入端连接，通过信号控制器输出的控制信号从而控制脉冲输出电路的脉冲输出信号使电极进行放电。

优选地，所述电源变换电路为一路，或为两路以上并行连接，所述脉冲输出电路为一路，或为两路以上并行连接，通过一路或两路以上的电源变换电路与一路或两路以上的储能电路进行连接，所储能电路与一路或两路以上的脉冲输出电路进行连接。

优选地，所述电源变换电路包括脉宽调制电路、升压电路、滤波电路和整流电路，所述脉宽调制电路的信号输出端与升压电路的控制端连接，该升压电路的通过滤波电路与所述整流电路的输入端连接，所述电源还分别与所述升压电路、滤波电路的输入端连接，所述整流电路的输出端与储能电路连接。

优选地，所述脉宽调制电路包括PWM控制器、电阻R1、电阻R2、电阻R3、可调电阻R4、电阻R5、电容C1和电容C2，所述升压电路包括场效应Q1、场效应Q2和升压变压器T1，所述储能电路包括电容C3和电容C4，所述整流电路包括二极管D1和二极管D2，所述电阻R1的一端与PWM控制器的振荡放电输出端连接，所述电阻R2的一端与PWM控制器的振荡定时电阻输入端连接，电容C1的一端与PWM控制器的振荡定时电容输入端连接，所述电阻R1的另一端、电阻R2的另一端和电容C1的另一端都与地连接，所述电阻R3的一端、可调电阻R4的一端、可调电阻R4的中心抽头都与PWM控制器反相误差输入端连接，可调电阻R4的另一端与地连接，所述PWM控制器的第一互补输出端与场效应管Q1的栅极连接，PWM控制器的第二互补输出端与场效应管Q2的栅极连接，所述场效应管Q1的漏极与升压变压器T1原边抽头的一端连接，该场效应管Q1的源极分别与PWM控制器的外部关断信号端、电阻R5的一端、场效应管Q2的源极连接，所述电阻R5的另一端与地连接，所述场效应管Q2的漏极与升压变压器T1原边抽头的另一端连接，该升压变压器T1的中心抽头分别与所述电源的输入端、滤波电路连接，所述升压变压器T1副边抽头的一端分别与二极管D1的阳极、二极管D2的阴极连接，所述升压变压器T1副边抽头的另一端分别与电容C3的负极、电容C4的正极连接，所述电容C3的正极分别与电阻R3的另一端、二极管D1的阴极、脉冲输出电路的输入端连接，所述电容C4的负极与地连接。

优选地，所述电源为0～36V的直流电压，频率为30～100kHz。

优选地，所述PWM控制器输出的频率为50kHz的方波脉冲信号，该PWM控制器采用的型号为SG3525芯片。

优选地，所述脉冲输出电路包括第一数字隔离驱动器、第二数字隔离驱动器、第一功率放大器、第二功率放大器、第三功率放大器、第四功率放大器、二极管D3、二极管D4和电容Cn，所述第一功率放大器的漏极、第三功率放大器的漏极与所述储能电路的输出端连接，第一功率放大器栅极与第一数字隔离驱动器的第一驱动输出端连接，第一功率放大器的源极与二极管D3的阳极连接，所述二极管D3的阴极分别与第二功率放大器的漏极、电极的正极连接，所述电极的负极与电容的一端连接，第二功率放大器的栅极与第一数字隔离驱动器的第二驱动输出端连接，第二功率放大器的源极与地连接，所述电容Cn的另一端与第三功率放大器的源极、二极管D4的阳极连接，第三功率放大器的栅极与第二数字隔离驱动器的第一驱动输出端连接，所述二极管D4的阴极与第四功率放大器的漏极连接，所述第四功率放大器的栅极与第二数字隔离驱动器的第二驱动输出端连接，所述第四功率放大器的源极与地连接，所述第一数字隔离驱动器的使能端、第一数字隔离驱动器的就绪信号端、第二数字隔离驱动器的使能端、第二数字隔离驱动器的就绪信号端分别与信号控制器的输入/输出控制端连接，所述第一数字隔离驱动器的第一输入端与信号控制器的第一输出控制端连接，第一数字隔离驱动器的第二输入端与信号控制器的第二输出控制端连接，所述第二数字隔离驱动器的第一输入端与信号控制器的第三输出控制端连接，第二数字隔离驱动器的第二输入端与信号控制器的第四输出控制端连接。

优选地，所述第一数字隔离驱动器、第二数字隔离驱动器采用型号为Si82390芯片，所述第一功率放大器、第二功率放大器、第三功率放大器、第四功率放大器采用碳化硅功率MOSFET管或IGBT功率管，该碳化硅功率MOSFET管或IGBT功率管的击穿电压为1200V。

优选地，所述碳化硅功率MOSFET管采用的型号为C2M0080功率管。

综上所述，本实用新型由于采用了上述技术方案，本实用新型具有以下有益效果：

(1)、本实用新型的发生器输出波形接近方波，减少电冲击过程中热量的产生，而且脉冲参数可调节范围宽，实用范围宽，可根据具体要求设定冲击脉冲电压幅度、最大脉冲电流、脉冲宽度、脉冲周期和脉冲次数，可用于在体和离体、可逆和不可逆电穿孔实验，常用于活细胞产生可逆性或不可逆性电击穿、电化学治疗、基因转染、肿瘤治疗等的实验研究。

(2)、本实用新型采用桥式开关电路，实现输出脉冲的极性转换，通过碳化硅功率MOSFET开关技术，缩短开关的切换时间，提高了电穿孔脉冲的频率，同事通过采用电容器并联充电、串联输出的方法，降低了对放电开关及其附属电路的耐压要求。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实例或现有技术中的技术方案，下面将对实施实例或现有技术描述中所需要的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型一种细胞电穿孔的脉冲发生器的结构原理图。

图2是本实用新型的电源变换电路的结构原理图。

图3是本实用新型的电源变换电路的具体工作电路原理图。

图4是是本实用新型的脉冲输出电路的工作电路原理图。

图5是本实用新型一种细胞电穿孔的脉冲发生器的等效电路原理图。

图6是本实用新型一种细胞电穿孔的脉冲发生器的脉冲输出波形图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参见图1一种细胞电穿孔的脉冲发生器，包括电源变换电路1、储能电路2、脉冲输出电路3、信号控制器4、电极5和电源6，所述电源6的输出端与电源变换电路1连接，该电源变换电路1依次通过储能电路2、脉冲输出电路3与电极5连接，所述信号控制器4与脉冲输出电路3的控制输入端连接，通过信号控制器4输出的控制信号从而控制脉冲输出电路3的脉冲输出信号使电极5进行放电，所述信号控制器4采用单片机芯片进行控制，所述电源变换电路1为一路，或为两路以上并行连接，所述脉冲输出电路3为一路，或为两路以上并行连接，通过一路或两路以上的电源变换电路1与一路或两路以上的储能电路2进行连接，所述储能电路2与一路或两路以上的脉冲输出电路3进行连接，在本实用新型中，储能电路2采用多个电容进行并联或串联储能、放电的工作方式，通过一路或两路以上的电源变换电路1对多个并联或串联的电容进行充电控制，以提高储能电路3的能量储能容量，同时通过一路或两路以上脉冲输出电路3对多个并联或串联的电容进行充放电控制，以提高输出的能量脉冲进行控制电极5的放电大小。所述电源6输出0～36V的交流电压，频率为30～100kHz，本实用新型中，所述电源6具体采用24V的交流电压，频率为50kHz，电源6通过交流-直流变换后输出+24V直流电压，再进行整流倍压完成对储能电路2的充放电控制，以确保输出脉冲的幅度，储能电路2经脉冲输出电路3为电极5提供高能量脉冲，为了提高脉冲输出电路3输出的脉冲幅度、降低输出电路中的放电开关的耐压、提高放电速度，根据输出波形参数的要求，脉冲输出电路3将储能电容中存储的能量经电极5释放给组织细胞，信号控制器4为脉冲输出电路3提供触发信号。

在本实用新型实施例中，如图2和图3所示，所述电源变换电路1包括脉宽调制电路100、升压电路101、滤波电路102和整流电路103，所述脉宽调制电路100的信号输出端与升压电路101的控制端连接，该升压电路101的通过滤波电路102与所述整流电路103的输入端连接，所述电源6还分别与所述升压电路101、滤波电路102的输入端连接，所述整流电路103的输出端与储能电路2连接；所述脉宽调制电路100包括PWM控制器IC1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、可调电阻R4、电阻R5、电容C1和电容C2，所述升压电路101包括场效应Q1、场效应Q2和升压变压器T1，所述储能电路2包括电容C3和电容C4，所述整流电路103包括二极管D1和二极管D2，所述电阻R1的一端与PWM控制器IC1的振荡放电输出端DIS连接，所述电阻R2的一端与PWM控制器IC1的振荡定时电阻输入端RT连接，电容C1的一端与PWM控制器IC1的振荡定时电容输入端CT连接，所述电阻R1的另一端、电阻R2的另一端和电容C1的另一端都与地连接，所述电阻R3的一端、可调电阻R4的一端、可调电阻R4的中心抽头都与PWM控制器IC1反相误差输入端INV连接，可调电阻R4的另一端与地连接，所述PWM控制器IC1的第一互补输出端OUTA与场效应管Q1的栅极连接，PWM控制器IC1的第二互补输出端OUTB与场效应管Q2的栅极连接，所述场效应管Q1的漏极与升压变压器T1原边抽头的一端连接，该场效应管Q1的源极分别与PWM控制器IC1的外部关断信号端SD、电阻R5的一端、场效应管Q2的源极连接，所述电阻R5的另一端与地连接，所述场效应管Q2的漏极与升压变压器T1原边抽头的另一端连接，该升压变压器T1的中心抽头分别与所述电源6的输入端、滤波电路102连接，所述升压变压器T1副边抽头的一端分别与二极管D1的阳极、二极管D2的阴极连接，所述升压变压器T1副边抽头的另一端分别与电容C3的负极、电容C4的正极连接，所述电容C3的正极分别与电阻R3的另一端、二极管D1的阴极、脉冲输出电路3的输入端连接，所述电容C4的负极与地连接，所述PWM控制器IC1输出的频率为50kHz的方波脉冲信号，该PWM控制器IC1采用的型号为SG3525芯片。

在本实用新型中，如图3所示，采用所述PWM控制器IC1及其辅助元件电阻R2、电阻R1和电容C1构成PWM控制电路进行定时放电调整，输出两路频率为50kHz的方波脉冲，该脉冲的宽度受到PWM控制器IC1内部误差放大器的输出端E/A OUT(PWM控制器IC1的第九引脚)上的电压的控制，场效应Q1、场效应Q2和升压变压器T1构成推挽式变换电路，将电源6输出的+24V直流电压转换成50kHz的方波脉冲施加到升压变压器T1的原边，并在升压变压器T1副边产生幅度为400V、频率为50kHz的方波脉冲；二极管D1、二极管D2和电容C3、电容C4构成倍压式整流电路，它将升压变压器T1副边的输出脉冲整流后向电容C3、电容C4充电，电容C3、电容C4组成的串联等效电容作为储能电容器，电阻R3和可调电阻R4构成的分压电路用于检测储能电容器两端的电压，并反馈到PWM控制器IC1内部误差放大器的反相误差输入端INV(第一引脚)，可调电阻R4即可改变储能电容的充电值，使PWM控制器IC1内部误差放大器的反相输入端INV(第一引脚)保持与5V基准电压相等，PWM控制器IC1内部误差放大器的同相输入端NI(第二引脚)与基准端VREF(第十六引脚)相连；PWM控制器IC1内部误差放大器对其同相输入端NI(第二引脚)和反相输入端INV(第一引脚)上的电压进行比较，并根据它们之间的电位差来改变PWM控制器IC1内部误差放大器的输出端E/A OUT(PWM控制器IC1的第九引脚)上的电压，使整个电路形成负反馈，用以稳定储能电容上的电压，电阻R5为电流检测电阻，它将场效应管Q1、场效应管Q2的源极电流转换成电压，并送到PWM控制器IC1的关断端SD(第十引脚)，以限制最大充电电流。当电阻R5两端的电压达到1V时，PWM控制器IC1立即将场效应管Q1、场效应管Q2关断，直到下一个工作周期开始。

在本实用新型实施例中，如图4所示，所述脉冲输出电路3包括第一数字隔离驱动器IC2、第二数字隔离驱动器IC3、第一功率放大器SAn、第二功率放大器SBn、第三功率放大器SCn、第四功率放大器SDn、二极管D3、二极管D4和电容Cn，所述第一功率放大器SAn的漏极、第三功率放大器SCn的漏极与所述储能电路2的输出端连接，第一功率放大器SAn栅极与第一数字隔离驱动器IC2的第一驱动输出端VOA1连接，第一功率放大器SAn的源极与二极管D3的阳极连接，所述二极管D3的阴极分别与第二功率放大器SBn的漏极、电极5的正极连接，所述电极5的负极与电容Cn的一端连接，第二功率放大器SBn的栅极与第一数字隔离驱动器IC2的第二驱动输出端VOB1连接，第二功率放大器SBn的源极与地连接，所述电容Cn的另一端与第三功率放大器SCn的源极、二极管D4的阳极连接，第三功率放大器SCn的栅极与第二数字隔离驱动器IC3的第一驱动输出端VOA2连接，所述二极管D4的阴极与第四功率放大器SDn的漏极连接，所述第四功率放大器SDn的栅极与第二数字隔离驱动器IC3的第二驱动输出端VOB2连接，所述第四功率放大器SDn的源极与地连接，所述第一数字隔离驱动器IC2的使能端EN1、第一数字隔离驱动器IC2的就绪信号端RDY1、第二数字隔离驱动器IC3的使能端EN2、第二数字隔离驱动器IC3的就绪信号端RDY2分别与信号控制器4的输入/输出控制端I/O连接，所述第一数字隔离驱动器IC2的第一输入端VIA1与信号控制器4(IC4)的第一输出控制端OUTA连接，第一数字隔离驱动器IC2的第二输入端VIB1与信号控制器4的第二输出控制端OUTB连接，所述第二数字隔离驱动器IC3的第一输入端VIA2与信号控制器4的第三输出控制端OUTC连接，第二数字隔离驱动器IC3的第二输入端VIB2与信号控制器4的第四输出控制端OUTD连接。

结合图2和图3所示，所述PWM控制器IC1按照输出脉冲的控制指令，PWM控制器IC1的第一互补输出端OUTA、第二互补输出端OUTB、第三互补输出端OUTC、第四互补输出端OUTD分别输出高电平或低电平，输出高电平时，相应的场效应Q1、场效应Q2导通，输出低电平时，场效应Q1、场效应Q2导通相应地截止，信号微控制器4也可以通过输入/输出控制端I/O控制第一数字隔离驱动器IC2、第二数字隔离驱动器IC3的使能端EN1和EN2，输入/输出控制端I/O输出高电平时，使能端EN1和EN2被启动，第一数字隔离驱动器IC2、第二数字隔离驱动器IC3工作，使能端EN1和EN2低电平时，第一数字隔离驱动器IC2、第二数字隔离驱动器IC3停止工作，此外，为使信号控制器4(IC4)可以检测第一数字隔离驱动器IC2、第二数字隔离驱动器IC3的就绪信号端RDY1、RDY2输出的就绪信号RDY以提高控制的可靠性，第一数字隔离驱动器IC2、第二数字隔离驱动器IC3采用的型号为数字隔离驱动器Si82390芯片，该驱动器将两个隔离驱动器与独立输入控制相结合，特别适用于驱动支持高达5kVrms的电源MOSFET和IGBT功率管。它们具有高共模瞬变抑制能力(100kV/μs)、低传播延迟(30ns)，并减少温度、老化和部件间变化，输出UVLO故障检测和反馈可自动关闭两个驱动器，因而可具有极高的可靠性，所述第一数字隔离驱动器IC2、第二数字隔离驱动器IC3还采用三个独立的工作电源供电，一个是+5V，另外两个是+15V，当三组电源均已经就绪时，所述第一数字隔离驱动器IC2、第二数字隔离驱动器IC3的RDY信号变为高电平，否则为低电平。所述第一功率放大器SAn、第二功率放大器SBn、第三功率放大器SCn、第四功率放大器SDn采用碳化硅功率MOSFET管或IGBT功率管，所述碳化硅功率MOSFET管采用的型号为C2M0080功率管，可提供高速切换。该碳化硅功率MOSFET管或IGBT功率管的漏-源击穿电压为1200V，开关的时间小于0.1μs，导通电阻为80mΩ，脉冲电流高达80A。电容Cn采用聚丙烯薄膜电容器，具有良好的温度稳定性，保障电容器可靠工作，无感特性，能承受很高的峰峰值电流和高频有效值电流，二极管D3、二极管D4为碳化硅肖特基二极管，用于防止输出负相脉冲时，电流从开关管(即所述的第一功率放大器SAn、第二功率放大器SBn、第三功率放大器SCn、第四功率放大器SDn的体内的二极管中，电源滤波电容C1_1、电容C1_2、电容C1_3、电容C1_4、电容C1_5和电容C1_6采用钽电容，用于消除电压瞬变引起的干扰，因此，本实用新型可输出±4kV的双向方波脉冲，脉冲的上升时间和下降时间小于1μs，脉冲宽度从2μs～1000μs，连续可调，脉冲电流峰值可达80A。

结合图3、图4和图5，当电源变换电路1为两路以上并行连接时，以及所述脉冲输出电路3为两路以上并行连接时，储能电路2采用多个电容进行并联或串联储能、放电的工作方式，根据输出波形参数的要求，脉冲输出电路3将储能电容中存储的能量经电极5释放给组织细胞，信号控制器4为脉冲输出电路3提供触发信号。结合图5，其中，图5是图3和图4中的电源变换电路1、储能电路2和脉冲输出电路3连接后的等效电路，如图5所示，所述储能电路2中的电容C3和电容C4等效为电容器Cn0、电容Cn1～电容Cnn构成倍压电容，脉冲输出电路由开关SAo，开关SBo，SCo，开关SCDo，开关SA1～开关SAn，开关SB1～开关SBn、开关SC1～开关SCn，开关SD1～开关SDn构成。其中，场效应管Q1、场效应管Q2分别等效为开关SAo、开关SBo，以及还等效为开关SCo、开关SCDo，第一功率放大器SAn等效为开关SA1～开关SAn，第二功率放大器SBn等效为开关SB1～开关SBn，第三功率放大器SCn等效为开关SC1～SCn，第四功率放大器SDn等效为开关SD1～开关SDn；由开关SA1、开关SB1、开关SC1、开关SCD1～开关SAn、开关SBn、开关SCn和开关SDn连接成n个桥式电路，根据充电或放电状态将电容器Cn0，Cn1～电容Cnn连接成并联或串联方式，根据开关的状态，如图6所示，输出正极性或极性脉冲。开关SAo、开关SBo和开关SCo、开关SCDo分别构成两个半桥电路，用于选择输出脉冲的极性，即正脉冲和负脉冲交替输出时可获得双极性输出脉冲，仅输出正脉冲，或者仅输出正脉冲时，可获得单极性输出脉冲，单极性方波是最常用的一种波形，双极性方波具有对称性，可在细胞膜上产生较为均匀的电穿孔，方波细胞电穿孔脉冲发生器可产生单相波、双相波，可满足离体和在体电穿孔实验研究，如图5所示，其工作过程如下：在充电过程中，开关SC1～开关SCn导通，将电容的正极(+)与电源Vi的正极(+)接通，开关SB1～开关SBn导通，将电容Cn0的负极与电源Vi的负极(-)接通，使电容器Cn1～Cn都充有电源电压Vi，此时，开关SA1～开关SAn和开关SD1～开关SDn截止，开关SAo、开关SBo、开关SCo、开关SCDo也截止。在放电的过程中，根据输出脉冲的极性确定开关的状态，如图6所示，当输出正极性脉冲时，开关SDo导通，将输出的接地端与电容Cn0的负极相连，SAo导通将输出端Vo与电容Cnn的正极接通，开关SB1～开关SBn导通，将后一个电容Cnn的负极与前一个电容的正极相连。通过保持其他开关均处于截至状态。因此在输出端输出幅度为n倍Vi的正脉冲，当输出负极性脉冲时，开关SCo导通将输出的接地端与电容Cn0的正极相连，开关SBo导通将输出端Vo与电容Cnn的负极接通，开关SD1～开关SDn导通，将后一个电容的正极与前一个电容的负极相连，通过保持其他开关均处于截至状态，因此在输出端输出幅度为n倍Vi的负脉冲，由于开关构成的电桥与电容并联，而每个电容的电压为Vi，所以开关管承受的最大电压为Vi。较低耐压的功率开关具有更高的切换速度，而且成本相对较低。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本使用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在实用新型的保护范围之内。