專利名稱：射頻消融治療系統(tǒng)的功率發(fā)生和監(jiān)控電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種用于生物醫(yī)學工程技術領域的腫瘤消融治療系統(tǒng)的電路，尤其是一種射頻消融治療系統(tǒng)的功率發(fā)生和監(jiān)控電路。
背景技術：
基于射頻電磁場生物熱效應的射頻消融，即射頻原位滅活已在腫瘤治療、心胸外科、神經(jīng)外科、婦科和泌尿外科等等臨床中得到了廣泛的應用，各類相應的醫(yī)療設備，諸如水冷式射頻腫瘤消融治療系統(tǒng)、多彈頭腫瘤射頻消融儀、房顫射頻消融治療儀等等已大量出現(xiàn)。在射頻消融手術過程中，射頻消融治療系統(tǒng)的輸出功率合適與否是至關重要的，過低則達不到消融的目的，過高又會使靶組織因溫度過高而氣化結碳，同樣達不到良好的消融效果。靶組織的阻抗，亦即射頻消融治療系統(tǒng)的負載阻抗是射頻消融治療系統(tǒng)的輸出功率合適與否的直接反映。因此，必須根據(jù)靶組織阻抗的大小及其變化率合理地控制射頻功率輸出，保證既能使腫瘤細胞產(chǎn)生熱性凝固而壞死，達到原位滅活的目的，又不為使靶組織因溫度過高而氣化結碳，從而得到最大的消融區(qū)。射頻消融治療系統(tǒng)的輸出功率與負載阻抗難以直接測量，總是通過檢測其輸出電壓和輸出電流，經(jīng)過換算得到的，因為，p＝i*u；z＝u/i?？梢?，射頻消融治療系統(tǒng)必須能按治療需要提供適當?shù)碾妷汉碗娏鳎催m當?shù)墓β?，尤為重要的是它必須是可控的，即，能隨著治療的進展，根據(jù)靶組織阻抗的變化相應地調(diào)整其輸出的功率，換句話說，它必須實時檢測其輸出電壓和輸出電流，并據(jù)此給出下一時刻的輸出電壓值。
經(jīng)對現(xiàn)有技術的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，中國實用新型專利《溫控射頻消融治療儀》，授權公告號為CN 2543497Y的，雖然對其它同類系統(tǒng)中的功率發(fā)生和監(jiān)控電路作出一些改進，但其為調(diào)節(jié)輸出功率，仍然借控制驅(qū)動級的輸入信號幅度，只是以數(shù)字電位器代替了普通電位器；功率輸出級依舊采用互補電路程式，變壓器偶合輸出；采用有效值轉(zhuǎn)換電路檢測輸出電壓、電流。造成所需的饋電電源電壓高、效率較低、電路復雜、小功率狀態(tài)時輸出功率與負載阻抗的測算精度不高等等不足之處。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種射頻消融治療系統(tǒng)的功率發(fā)生和監(jiān)控電路，使其具有饋電電源電壓低、效率高、波形失真小、輸出功率與負載阻抗的測算精度高、控制靈活方便、高性能價格比等優(yōu)點。
本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的本發(fā)明的射頻消融治療系統(tǒng)的功率發(fā)生和監(jiān)控電路由激勵信號發(fā)生器、串聯(lián)諧振功率放大電路、有源低通濾波器、可控直流電源、電壓檢測電路和電流檢測電路等單元電路構成。激勵信號發(fā)生器的輸出端接入到串聯(lián)諧振功率放大電路的輸入端。有源低通濾波器的輸入端與智能化監(jiān)控系統(tǒng)相連接，它的輸出端接入到可控直流電源的控制輸入端?？煽刂绷麟娫吹碾妷狠敵龆私又链?lián)諧振功率放大電路的饋電輸入端。串聯(lián)諧振功率放大電路的信號輸出端與負載的消融電極端相連，它的近地輸出端與負載的引導電極端相連。電壓檢測電路的兩個輸入端中的一個直接并接于串聯(lián)諧振功率放大電路的信號輸出端，另一端則并接于串聯(lián)諧振功率放大電路的共地端，它的輸出則加至智能化監(jiān)控系統(tǒng)。電流檢測電路的兩個輸入端中的一個并接于串聯(lián)諧振功率放大電路的近地輸出端，該端經(jīng)取樣電阻接至共地端，另一端同樣并接于串聯(lián)諧振功率放大電路的共地端，它的輸出同樣加至智能化監(jiān)控系統(tǒng)。本發(fā)明省略現(xiàn)有技術結構中的笨重、繁雜的功率輸出變壓器；它的饋電電源(可控直流電源)因電壓大大降低而變得輕巧；它的激勵信號發(fā)生器因只需輸出固定幅度的信號而變得十分簡單。
因此，本發(fā)明的功率發(fā)生和監(jiān)控電路能夠(一)在激勵信號發(fā)生器形成的方波信號激勵下，向負載提供射頻功率，其大小直接取決于可控直流電源的輸出電壓，而它又為來自中央監(jiān)控系統(tǒng)的脈沖寬度調(diào)制PWM信號所決定，換句話說，中央監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)治療需要，發(fā)出不同的PWM信號，有源低通濾波器隨之輸出不同幅度的控制電壓，進而導致可控直流電源的輸出電壓，即串聯(lián)諧振功率放大電路的漏極饋電電壓改變，最終導致射頻輸出電壓幅度的改變，達到功率控制的目的，摒棄了借改變激勵信號的幅度來達到功率控制的傳統(tǒng)做法，簡單、精確。(二)串聯(lián)諧振功率放大電路良好的選頻特性可將方波激勵信號轉(zhuǎn)換成同頻的正弦波輸出信號，而其諧振特性可使輸出的正弦波信號的幅度大大高于其漏極饋電電壓，不象傳統(tǒng)功率放大電路那樣，輸出信號的幅度總是低于漏極饋電電壓，除非其使用升壓變壓器輸出。(三)電壓檢測電路和電流檢測電路均采用半波精密整流電路，采用峰峰值檢測，而不是傳統(tǒng)的有效值測量。其高精度檢測保證了輸出功率與負載阻抗的高測算精度。
所述激勵信號發(fā)生器包括主振、緩沖、分頻、前置放大等基本電路，產(chǎn)生射頻頻率、具有一定功率電平的方波信號。
所述串聯(lián)諧振功率放大電路應用調(diào)諧放大電路程式，使用VMOS場效應管作功率放大器件，工作在臨界C類狀態(tài)，輸出采用LC串聯(lián)諧振，負載并接在諧振電容上，漏極由可控直流電源饋電。其具體的電路為VMOS場效應管MOSFET-IRFP350的柵極由激勵信號發(fā)生器激勵，源極接地，漏極通過由C3、C4、C5和L2組成的∏型濾波電路與可控直流電源的電壓輸出端相接，漏極還與偶合電容C1相連。C1的另一端與諧振電感L1相連，L1的另一端與諧振電容C2相接，C2的另一端接地，L1、C2構成串聯(lián)諧振徊路。負載與取樣電阻R1串聯(lián)后并接在諧振電容C2上，電壓采樣信號直接從諧振電容C2兩端獲得，電流采樣信號則從取樣電阻R1兩端獲得。諧振電容C2可以由多個電容并聯(lián)組成。諧振電感L1可以由多個電感串聯(lián)組成。取樣電阻R1可以由多個電阻并聯(lián)組成。本發(fā)明利用串聯(lián)諧振功率放大電路良好的選頻特性將方波激勵信號轉(zhuǎn)換成同頻的正弦波輸出信號，而其諧振特性可使輸出的正弦波信號的幅度大大高于其漏極饋電電壓。另一方面，由于VMOS場效應管MOSFET-IRFP350工作在臨界C類狀態(tài)，管子本身的功率損耗近乎為零，因而，工作效率很高。串聯(lián)諧振功率放大電路的輸出幅度直接取決于其漏極饋電電壓，而不會隨其輸入幅度的變化而變化，本發(fā)明利用這一特性，通過控制饋電電壓來達到控制其輸出信號幅度的目的。
所述有源低通濾波器由集成電路LM358及其外圍電路構成，它接收來自中央監(jiān)控系統(tǒng)的脈沖寬度調(diào)制PWM信號，輸出幅度可變的直流電壓到可控直流電源的控制輸入端。可控直流電源采用開關直流穩(wěn)壓電源，其電壓輸出端接至串聯(lián)諧振功率放大級的饋電輸入端，輸出電壓隨輸入控制電壓的變化而變化。
所述電壓檢測電路由偶合隔離變壓器、半波精密整流電路、直流放大器1和直流放大器2組成。偶合隔離變壓器的初級直接并接在諧振電容的兩端，直流放大器2的輸出送至中央監(jiān)控系統(tǒng)。其中的半波精密整流電路以比例放大器和整流二極管為核心，它采用峰峰值檢測，而不是有效值檢測。因為比例放大器帶有深度負反饋，使得因二極管在小信號時的非線性和正向?qū)щ妷航翟斐傻恼`差基本上得以消除，再加上采用峰峰值檢測，大大提高了檢測精度。
電流檢測電路與電壓檢測電路相似，唯一的區(qū)別是兩者所用的偶合隔離變壓器的變比不一樣，前者為1∶1，后者為100∶1。輸出電壓和輸出電流的高精度實時檢測，保證了射頻消融治療系統(tǒng)的輸出功率和負載阻抗的測算精度，有效地保證了射頻消融治療系統(tǒng)療效和安全。
本發(fā)明設計的射頻消融治療系統(tǒng)的功率發(fā)生和監(jiān)控電路思路新穎，電路簡單，調(diào)試方便，饋電電源電壓低，輸出電壓可數(shù)倍于饋電電壓，工作效率很高，波形失真小，控制靈活方便，輸出功率與負載阻抗的測算精度高，有著廣闊的應用前景和市場潛力。


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)組成圖。
圖2為本發(fā)明的串聯(lián)諧振功率放大電路的電原理圖。
圖3為本發(fā)明的電壓檢測電路的組成圖。
具體實施例方式
以下結合附圖作進一步的詳細描述如圖1所示，本發(fā)明由激勵信號發(fā)生器、串聯(lián)諧振功率放大電路、有源低通濾波器、可控直流電源、電壓檢測電路和電流檢測電路等單元電路構成。激勵信號發(fā)生器的輸出端接入到串聯(lián)諧振功率放大電路的輸入端。有源低通濾波器的輸入端與智能化監(jiān)控系統(tǒng)相連接，它的輸出端接入到可控直流電源的控制輸入端?？煽刂绷麟娫吹碾妷狠敵龆私又链?lián)諧振功率放大電路的饋電輸入端。串聯(lián)諧振功率放大電路的信號輸出端與負載的消融電極端相連，它的近地輸出端與負載的引導電極端相連。電壓檢測電路的兩個輸入端中的一個直接并接于串聯(lián)諧振功率放大電路的信號輸出端，另一端則并接于串聯(lián)諧振功率放大電路的共地端，它的輸出則加至智能化監(jiān)控系統(tǒng)。電流檢測電路的兩個輸入端中的一個并接于串聯(lián)諧振功率放大電路的近地輸出端，該端經(jīng)取樣電阻接至共地端，另一端同樣并接于串聯(lián)諧振功率放大電路的共地端，它的輸出同樣加至智能化監(jiān)控系統(tǒng)。
所述的功率發(fā)生和監(jiān)控電路明顯具有(一)在激勵信號發(fā)生器形成的方波信號激勵下，向負載提供射頻功率，其大小直接取決于可控直流電源的輸出電壓，而它又為來自中央監(jiān)控系統(tǒng)的脈沖寬度調(diào)制PWM信號所決定，達到功率控制的目的，摒棄了借改變激勵信號的幅度來達到功率控制的傳統(tǒng)做法，簡單、精確。(二)串聯(lián)諧振功率放大電路良好的選頻特性可將方波激勵信號轉(zhuǎn)換成同頻的正弦波輸出信號，而其諧振特性可使輸出的正弦波信號的幅度，在本實施例中，Uppmax≥500V，大大高于其漏極饋電電壓，在本實施例中，Udmax≤60V，不象傳統(tǒng)功率放大電路那樣，輸出信號的幅度總是低于漏極饋電電壓，除非其使用升壓變壓器輸出。(三)電壓檢測電路和電流檢測電路均采用半波精密整流電路，采用峰峰值檢測，而不是傳統(tǒng)的有效值測量。其高精度檢測保證了輸出功率與負載阻抗的高測算精度，在本實施例中，對于額定負載，負載阻抗測算的相對誤差δ≤2％。
所述激勵信號發(fā)生器包括主振、緩沖、分頻、前置放大等基本電路，產(chǎn)生射頻頻率、具有一定功率電平，在本實施例中，射頻頻率F＝461KHz，電壓幅度Vp＝6V，電流幅度Ip＝0.3A的方波信號。
所述串聯(lián)諧振功率放大電路應用調(diào)諧放大電路程式，使用VMOS場效應管作功率放大器件，工作在臨界C類狀態(tài)，輸出采用LC串聯(lián)諧振，負載并接在諧振電容上，漏極由可控直流電源饋電。其具體電路如圖2所示VMOS場效應管MOSFET-IRFP350的柵極由激勵信號發(fā)生器激勵，源極接地，漏極通過由C3、C4、C5和L2組成的∏型濾波電路與可控直流電源的電壓輸出端相接，漏極饋電電壓為0～60V，漏極還與偶合電容C1相連。C1的另一端與諧振電感L1相連，L1的另一端與諧振電容C2相接，C2的另一端接地，L1、C2構成串聯(lián)諧振徊路，其諧振頻率為461KHz。負載與取樣電阻R1串聯(lián)后并接在諧振電容C2上，電壓采樣信號直接從諧振電容C2兩端獲得，電流采樣信號則從取樣電阻R1兩端獲得。諧振電容C2可以由多個電容并聯(lián)組成，在本實施例中為8個電容并聯(lián)，它們的電容量不盡相同。諧振電感L1可以由多個電感串聯(lián)組成，在本實施例中為2個電感串聯(lián)，它們的電感量相同。取樣電阻R1可以由多個電阻并聯(lián)組成，在實施例中為2個電阻并聯(lián)，它們的電阻值相同。本發(fā)明利用串聯(lián)諧振功率放大電路良好的選頻特性將方波激勵信號轉(zhuǎn)換成同頻的正弦波輸出信號，而其諧振特性可使輸出的正弦波信號的幅度，在本實施例中，Uppmax≥500V大大高于其漏極饋電電壓，在本實施例中，Udmax≤60V。另一方面，由于VMOS場效應管MOSFET-IRFP350工作在臨界C類狀態(tài)，管子本身的功率損耗近乎為零，因而，工作效率很高。串聯(lián)諧振功率放大電路的輸出幅度直接取決于其漏極饋電電壓，而不會隨其輸入幅度的變化而變化，本發(fā)明利用這一特性，通過控制饋電電壓來達到控制其輸出信號幅度的目的。
所述有源低通濾波器由集成電路LM358及其外圍電路構成，它接收來自中央監(jiān)控系統(tǒng)的脈沖寬度調(diào)制PWM信號，輸出幅度可變的直流電壓，在本實施例中為0-5V到可控直流電源的控制輸入端。可控直流電源采用開關直流穩(wěn)壓電源，其電壓輸出端接至串聯(lián)諧振功率放大級的饋電輸入端，輸出電壓隨輸入控制電壓的變化而變化，在本實施例中，變化區(qū)間為0-60V。
所述電壓檢測電路的組成如圖1所示，它由偶合隔離變壓器、半波精密整流電路、直流放大器1和直流放大器2組成。偶合隔離變壓器的初級直接并接在諧振電容的兩端，直流放大器2的輸出送至中央監(jiān)控系統(tǒng)。其中的半波精密整流電路以比例放大器和整流二極管為核心，它采用峰峰值檢測，而不是有效值檢測。因為比例放大器帶有深度負反饋，使得因二極管在小信號時的非線性和正向?qū)щ妷航翟斐傻恼`差基本上得以消除，再加上采用峰峰值檢測，大大提高了檢測精度。
電流檢測電路與電壓檢測電路相似，唯一的區(qū)別是兩者所用的偶合隔離變壓器的變比不一樣，前者為1∶1，后者為100∶1。輸出電壓和輸出電流的高精度實時檢測，保證了射頻消融治療系統(tǒng)的輸出功率和負載阻抗的測算精度，在本實施例中，對于額定負載，負載阻抗測算的相對誤差δ≤2％，有效地保證了射頻消融治療系統(tǒng)療效和安全。
權利要求
1.一種射頻消融治療系統(tǒng)的功率發(fā)生和監(jiān)控電路，由激勵信號發(fā)生器、串聯(lián)諧振功率放大電路、有源低通濾波器、可控直流電源、電壓檢測電路和電流檢測電路各單元電路構成，其特征在于，省略現(xiàn)有技術結構中的功率輸出變壓器，激勵信號發(fā)生器的輸出端接入到串聯(lián)諧振功率放大電路的輸入端，有源低通濾波器的輸入端與智能化監(jiān)控系統(tǒng)相連接，它的輸出端接入到可控直流電源的控制輸入端，可控直流電源的電壓輸出端接至串聯(lián)諧振功率放大電路的饋電輸入端，串聯(lián)諧振功率放大電路的信號輸出端與負載的消融電極端相連，它的近地輸出端與負載的引導電極端相連，電壓檢測電路的兩個輸入端中的一個直接并接于串聯(lián)諧振功率放大電路的信號輸出端，另一端則并接于串聯(lián)諧振功率放大電路的共地端，它的輸出則加至智能化監(jiān)控系統(tǒng)，電流檢測電路的兩個輸入端中的一個并接于串聯(lián)諧振功率放大電路的近地輸出端，該端經(jīng)取樣電阻接至共地端，另一端同樣并接于串聯(lián)諧振功率放大電路的共地端，它的輸出同樣加至智能化監(jiān)控系統(tǒng)。
2.如權利要求1所述的射頻消融治療系統(tǒng)的功率發(fā)生和監(jiān)控電路，其特征是，所述串聯(lián)諧振功率放大電路應用調(diào)諧放大電路程式，使用場效應管作功率放大器件，工作在臨界C類狀態(tài)，場效應管的柵極由激勵信號發(fā)生器激勵，源極接地，漏極通過由C3、C4、C5和L2組成的П型濾波電路與可控直流電源的電壓輸出端相接，漏極還與偶合電容C1相連，C1的另一端與諧振電感L1相連，L1的另一端與諧振電容C2相接，C2的另一端接地，L1、C2構成串聯(lián)諧振徊路，負載與取樣電阻R1串聯(lián)后并接在諧振電容C2上，電壓采樣信號直接從諧振電容C2兩端獲得，電流采樣信號則從取樣電阻R1兩端獲得，諧振電容C2由多個電容并聯(lián)組成，諧振電感L1由多個電感串聯(lián)組成，取樣電阻R1由多個電阻并聯(lián)組成。
3.如權利要求1所述的射頻消融治療系統(tǒng)的功率發(fā)生和監(jiān)控電路，其特征是，所述有源低通濾波器接收來自中央監(jiān)控系統(tǒng)的脈沖寬度調(diào)制PWM信號，輸出幅度可變的直流電壓到可控直流電源的控制輸入端，可控直流電源采用開關直流穩(wěn)壓電源，其電壓輸出端接至串聯(lián)諧振功率放大級的饋電輸入端，輸出電壓隨輸入控制電壓的變化而變化。
4.如權利要求1所述的射頻消融治療系統(tǒng)的功率發(fā)生和監(jiān)控電路，其特征是，所述電壓檢測電路由偶合隔離變壓器、半波精密整流電路、直流放大器(1)和直流放大器(2)組成，偶合隔離變壓器的初級直接并接在諧振電容的兩端，直流放大器(2)的輸出送至中央監(jiān)控系統(tǒng)，其中的半波精密整流電路以比例放大器和整流二極管為核心，比例放大器帶有深度負反饋，采用峰峰值檢測。
5.如權利要求1所述的射頻消融治療系統(tǒng)的功率發(fā)生和監(jiān)控電路，其特征是，所述電流檢測電路與電壓檢測電路兩者所用的偶合隔離變壓器的變比分別是前者為1∶1，后者為100∶1。
全文摘要
一種用于生物醫(yī)學工程技術領域的的功率發(fā)生和監(jiān)控電路，由激勵信號發(fā)生器、串聯(lián)諧振功率放大電路、有源低通濾波器、可控直流電源、電壓檢測電路和電流檢測電路各單元電路構成，激勵信號發(fā)生器的輸出端接入到串聯(lián)諧振功率放大電路的輸入端，有源低通濾波器的輸入端與智能化監(jiān)控系統(tǒng)相連接，串聯(lián)諧振功率放大電路的信號輸出端與負載的消融電極端相連，它的近地輸出端與負載的引導電極端相連，電壓檢測電路的兩個輸入端中的一個直接并接于串聯(lián)諧振功率放大電路的信號輸出端，另一端則并接于串聯(lián)諧振功率放大電路的共地端，它的輸出則加至智能化監(jiān)控系統(tǒng)。本發(fā)明電路簡單，調(diào)試方便，工作效率很高，控制靈活方便，輸出功率與負載阻抗的測算精度高。
文檔編號A61B18/18GK1586420SQ20041005303
公開日2005年3月2日 申請日期2004年7月22日 優(yōu)先權日2004年7月22日
發(fā)明者陳亞珠, 白景峰, 馮學蘇 申請人:上海交通大學