射频消融治疗系统的功率发生和监控电路

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技术领域\n本发明涉及的是一种用于生物医学工程技术领域的肿瘤消融治疗系统的电 路，尤其是是一种射频消融治疗系统的功率发生和监控电路。\n背景技术\n基于射频电磁场生物热效应的射频消融，即射频原位灭活已在肿瘤治疗、心 胸外科、神经外科、妇科和泌尿外科等等临床中得到了广泛的应用，各类相应的 医疗设备，诸如水冷式射频肿瘤消融治疗系统、多弹头肿瘤射频消融仪、房颤 射频消融治疗仪等等已大量出现。在射频消融手术过程中，射频消融治疗系统的 输出功率合适与否是至关重要的，过低则达不到消融的目的，过高又会使靶组织 因温度过高而气化结碳，同样达不到良好的消融效果。靶组织的阻抗，亦即射频 消融治疗系统的负载阻抗是射频消融治疗系统的输出功率合适与否的直接反映。 因此，必须根据靶组织阻抗的大小及其变化率合理地控制射频功率输出，保证既 能使肿瘤细胞产生热性凝固而坏死，达到原位灭活的目的，又不为使靶组织因温 度过高而气化结碳，从而得到最大的消融区。射频消融治疗系统的输出功率与负 载阻抗难以直接测量，总是通过检测其输出电压和输出电流，经过换算得到的， 因为，p＝i*u；z＝u/i。可见，射频消融治疗系统必须能按治疗需要提供适当 的电压和电流，即适当的功率，尤为重要的是它必须是可控的，即，能随着治疗 的进展，根据靶组织阻抗的变化相应地调整其输出的功率，换句话说，它必须实 时检测其输出电压和输出电流，并据此给出下一时刻的输出电压值。\n经对现有技术的文献检索发现，中国实用新型专利《温控射频消融治疗仪》， 授权公告号为CN 2543497Y的，虽然对其它同类系统中的功率发生和监控电路作 出一些改进，但其为调节输出功率，仍然借控制驱动级的输入信号幅度，只是以 数字电位器代替了普通电位器；功率输出级依旧采用互补电路程式，变压器偶合 输出；采用有效值转换电路检测输出电压、电流。造成所需的馈电电源电压高、 效率较低、电路复杂、小功率状态时输出功率与负载阻抗的测算精度不高等等不 足之处。\n发明内容\n本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种射频消融治疗系统的功率 发生和监控电路，使其具有馈电电源电压低、效率高、波形失真小、输出功率与 负载阻抗的测算精度高、控制灵活方便、高性能价格比等优点。\n本发明是通过以下技术方案实现的：\n本发明的射频消融治疗系统的功率发生和监控电路由激励信号发生器、串联 谐振功率放大电路、有源低通滤波器、可控直流电源、电压检测电路和电流检测 电路构成。激励信号发生器的输出端接入到串联谐振功率放大电路的信号输入端。 有源低通滤波器的输入端与智能化监控系统相连接，有源低通滤波器的输出端接 入到可控直流电源的控制输入端。可控直流电源的电压输出端接至串联谐振功率 放大电路的馈电输入端。串联谐振功率放大电路的信号输出端与负载的消融电极 端相连，串联谐振功率放大电路的近地输出端与负载的引导电极端相连。电压检 测电路的两个输入端中的一个直接并接于串联谐振功率放大电路的信号输出端， 另一端则并接于串联谐振功率放大电路的共地端，电压检测电路的输出则加至智 能化监控系统。电流检测电路的两个输入端中的一个并接于串联谐振功率放大电 路的近地输出端，该端经取样电阻接至串联谐振功率放大电路的共地端，另一端 同样并接于串联谐振功率放大电路的共地端，电流检测电路的输出同样加至智能 化监控系统。本发明省略现有技术结构中的笨重、繁杂的功率输出变压器；它的 馈电电源(可控直流电源)因电压大大降低而变得轻巧；它的激励信号发生器因 只需输出固定幅度的信号而变得十分简单。\n因此，本发明的功率发生和监控电路能够：(一)在激励信号发生器形成的方 波信号激励下，向负载提供射频功率，其大小直接取决于可控直流电源的输出电 压，而它又为来自中央监控系统的脉冲宽度调制PWM信号所决定，换句话说，中 央监控系统根据治疗需要，发出不同的PWM信号，有源低通滤波器随之输出不同 幅度的控制电压，进而导致可控直流电源的输出电压，即串联谐振功率放大电路 的漏极馈电电压改变，最终导致射频输出电压幅度的改变，达到功率控制的目的， 摒弃了借改变激励信号的幅度来达到功率控制的传统做法，简单、精确。(二)串 联谐振功率放大电路良好的选频特性可将方波激励信号转换成同频的正弦波输出 信号，而其谐振特性可使输出的正弦波信号的幅度大大高于其漏极馈电电压，不 象传统功率放大电路那样，输出信号的幅度总是低于漏极馈电电压，除非其使用 升压变压器输出。(三)电压检测电路和电流检测电路均采用半波精密整流电路， 采用峰峰值检测，而不是传统的有效值测量。其高精度检测保证了输出功率与负 载阻抗的高测算精度。\n所述激励信号发生器包括主振、缓冲、分频、前置放大等基本电路，产生射 频频率、具有一定功率电平的方波信号。\n所述串联谐振功率放大电路应用调谐放大电路程式，使用VMOS场效应管作功 率放大器件，工作在临界C类状态，输出采用LC串联谐振，负载并接在谐振电容 上，漏极由可控直流电源馈电。其具体的电路为：VMOS场效应管MOSFET-IRFP350 的栅极由激励信号发生器激励，源极接地，漏极通过由滤波电感L2和第三滤波电 容C3、第四滤波电容C4以及第五滤波电容C5组成的П型滤波电路与可控直流电 源的电压输出端相接，漏极还与耦合电容C1相连。耦合电容C1的另一端与谐振 电感L1相连，谐振电感L1的另一端与谐振电容C2相接，谐振电容C2的另一端 接地，谐振电感L1、谐振电容C2构成串联谐振回路。负载与取样电阻R1串联后 并接在谐振电容C2上，电压采样信号直接从谐振电容C2两端获得，电流采样信 号则从取样电阻R1两端获得。谐振电容C2可以由多个电容并联组成。谐振电感 L1可以由多个电感串联组成。取样电阻R1可以由多个电阻并联组成。本发明利用 串联谐振功率放大电路良好的选频特性将方波激励信号转换成同频的正弦波输出 信号，而其谐振特性可使输出的正弦波信号的幅度大大高于其漏极馈电电压。另 一方面，由于VMOS场效应管MOSFET-IRFP350工作在临界C类状态，管子本身的 功率损耗近乎为零，因而，工作效率很高。串联谐振功率放大电路的输出幅度直 接取决于其漏极馈电电压，而不会随其输入幅度的变化而变化，本发明利用这一 特性，通过控制馈电电压来达到控制其输出信号幅度的目的。\n所述有源低通滤波器由集成电路LM358及其外围电路构成，它接收来自智能 化监控系统的脉冲宽度调制PWM信号，输出幅度可变的直流电压到可控直流电源 的控制输入端。可控直流电源采用开关直流稳压电源，可控直流电源的电压输出 端接至串联谐振功率放大电路的馈电输入端，可控直流电源的输出电压随着加至 可控直流电源输入端的控制电压的变化而变化。\n所述电压检测电路由耦合隔离变压器、半波精密整流电路、第一直流放大器 和第二直流放大器组成。耦合隔离变压器的初级直接并接在谐振电容C2的两端， 第二直流放大器的输出送至智能化监控系统。其中的半波精密整流电路以比例放 大器和整流二极管为核心，它采用峰峰值检测，而不是有效值检测。因为比例放 大器带有深度负反馈，使得因二极管在小信号时的非线性和正向导电压降造成的 误差基本上得以消除，再加上采用峰峰值检测，大大提高了检测精度。\n电流检测电路与电压检测电路相似，唯一的区别是两者所用的耦合隔离变压 器的变比不一样，前者为1∶1，后者为100∶1。输出电压和输出电流的高精度实 时检测，保证了射频消融治疗系统的输出功率和负载阻抗的测算精度，有效地保 证了射频消融治疗系统疗效和安全。\n本发明设计的射频消融治疗系统的功率发生和监控电路思路新颖，电路简单， 调试方便，馈电电源电压低，输出电压可数倍于馈电电压，工作效率很高，波形 失真小，控制灵活方便，输出功率与负载阻抗的测算精度高，有着广阔的应用前 景和市场潜力。\n附图说明\n图1为本发明的系统组成图。\n图2为本发明的串联谐振功率放大电路的电原理图。\n图3为本发明的电压检测电路的组成图。\n具体实施方式\n以下结合附图作进一步的详细描述：\n如图1所示，本发明由激励信号发生器、串联谐振功率放大电路、有源低通 滤波器、可控直流电源、电压检测电路和电流检测电路构成。激励信号发生器的 输出端接入到串联谐振功率放大电路的信号输入端。有源低通滤波器的输入端与 智能化监控系统相连接，有源低通滤波器的输出端接入到可控直流电源的控制输 入端。可控直流电源的电压输出端接至串联谐振功率放大电路的馈电输入端。串 联谐振功率放大电路的信号输出端与负载的消融电极端相连，串联谐振功率放大 电路的近地输出端与负载的引导电极端相连。电压检测电路的两个输入端中的一 个直接并接于串联谐振功率放大电路的信号输出端，另一端则并接于串联谐振功 率放大电路的共地端，电压检测电路的输出则加至智能化监控系统。电流检测电 路的两个输入端中的一个并接于串联谐振功率放大电路的近地输出端，该端经取 样电阻接至串联谐振功率放大电路的共地端，另一端同样并接于串联谐振功率放 大电路的共地端，电流检测电路的输出同样加至智能化监控系统。\n所述的功率发生和监控电路明显具有：(一)在激励信号发生器形成的方波信 号激励下，向负载提供射频功率，其大小直接取决于可控直流电源的输出电压， 而它又为来自中央监控系统的脉冲宽度调制PWM信号所决定，达到功率控制的目 的，摒弃了借改变激励信号的幅度来达到功率控制的传统做法，简单、精确。(二) 串联谐振功率放大电路良好的选频特性可将方波激励信号转换成同频的正弦波输 出信号，而其谐振特性可使输出的正弦波信号的幅度，在本实施例中，Uppmax≥ 500V，大大高于其漏极馈电电压，在本实施例中，Udmax≤60V，不象传统功率放 大电路那样，输出信号的幅度总是低于漏极馈电电压，除非其使用升压变压器输 出。(三)电压检测电路和电流检测电路均采用半波精密整流电路，采用峰峰值检 测，而不是传统的有效值测量。其高精度检测保证了输出功率与负载阻抗的高测 算精度，在本实施例中，对于额定负载，负载阻抗测算的相对误差δ≤2％。\n所述激励信号发生器包括主振、缓冲、分频、前置放大等基本电路，产生射 频频率、具有一定功率电平，在本实施例中，射频频率F＝461KHz，电压幅度Vp＝6V， 电流幅度Ip＝0.3A的方波信号。\n所述串联谐振功率放大电路应用调谐放大电路程式，使用VMOS场效应管作功 率放大器件，工作在临界C类状态，输出采用LC串联谐振，负载并接在谐振电容 上，漏极由可控直流电源馈电。其具体电路如图2所示：VMOS场效应管 MOSFET-IRFP350的栅极由激励信号发生器激励，源极接地，漏极通过由滤波电感 L2和第三滤波电容C3、第四滤波电容C4以及第五滤波电容C5组成的П型滤波电 路与可控直流电源的电压输出端相接，漏极馈电电压为0～60V，漏极还与耦合电 容C1相连。耦合电容C1的另一端与谐振电感L1相连，谐振电感L1的另一端与 谐振电容C2相接，谐振电容C2的另一端接地，谐振电感L1、谐振电容C2构成串 联谐振回路，其谐振频率为461KHz。负载与取样电阻R1串联后并接在谐振电容 C2上，电压采样信号直接从谐振电容C2两端获得，电流采样信号则从取样电阻 R1两端获得。谐振电容C2可以由多个电容并联组成，在本实施例中为8个电容并 联，它们的电容量不尽相同。谐振电感L1可以由多个电感串联组成，在本实施例 中为2个电感串联，它们的电感量相同。取样电阻R1可以由多个电阻并联组成， 在实施例中为2个电阻并联，它们的电阻值相同。本发明利用串联谐振功率放大 电路良好的选频特性将方波激励信号转换成同频的正弦波输出信号，而其谐振特 性可使输出的正弦波信号的幅度，在本实施例中，Uppmax≥500V大大高于其漏极 馈电电压，在本实施例中，Udmax≤60V。另一方面，由于VMOS场效应管 MOSFET-IRFP350工作在临界C类状态，管子本身的功率损耗近乎为零，因而，工 作效率很高。串联谐振功率放大电路的输出幅度直接取决于其漏极馈电电压，而 不会随其输入幅度的变化而变化，本发明利用这一特性，通过控制馈电电压来达 到控制其输出信号幅度的目的。\n所述有源低通滤波器由集成电路LM358及其外围电路构成，它接收来自智能 化监控系统的脉冲宽度调制PWM信号，输出幅度可变的直流电压，在本实施例中 为0-5V，到可控直流电源的控制输入端。可控直流电源采用开关直流稳压电源， 可控直流电源的电压输出端接至串联谐振功率放大电路的馈电输入端，可控直流 电源的输出电压随着加至可控直流电源输入端的控制电压的变化而变化。\n输出电压随输入控制电压的变化而变化，在本实施例中，变化区间为0-60V。\n所述电压检测电路的组成如图3所示，它由耦合隔离变压器、半波精密整流 电路、第一直流放大器和第二直流放大器组成。耦合隔离变压器的初级直接并接 在谐振电容C2的两端，第二直流放大器的输出送至智能化监控系统。其中的半波 精密整流电路以比例放大器和整流二极管为核心，它采用峰峰值检测，而不是有 效值检测。因为比例放大器带有深度负反馈，使得因二极管在小信号时的非线性 和正向导电压降造成的误差基本上得以消除，再加上采用峰峰值检测，大大提高 了检测精度。\n电流检测电路与电压检测电路相似，唯一的区别是两者所用的耦合隔离变压 器的变比不一样，前者为1∶1，后者为100∶1。输出电压和输出电流的高精度实 时检测，保证了射频消融治疗系统的输出功率和负载阻抗的测算精度，在本实施 例中，对于额定负载，负载阻抗测算的相对误差δ≤2％，有效地保证了射频消融 治疗系统疗效和安全。