基于移相全桥的射频消融信号发生系统设计.pdf
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1、 生 物 医 学 工 程 研 究 ():./.国家自然科学基金资助项目()通信作者:.基于移相全桥的射频消融信号发生系统设计邹金成张爱丽(上海交通大学 生物医学工程学院上海)摘要:为实现射频消融的快速精准控制并适应不同组织的射频消融 本研究基于移相全桥控制的基本原理利用 控制相移调整射频电压输出并结合全桥 类功率放大器设计了 频率的射频消融信号发生系统 对系统移相控制、控制响应速率、实际射频输出功率、功率负载特性曲线进行测试结果表明系统可通过相移控制射频输出电压具有微秒级的快速控制响应额定阻抗下的输出功率误差小于 在 的负载下的最大输出功率大于 具有较强的带载工作能力关键词:全桥移相射频功放射
2、频电流快速响应精确控制射频治疗中图分类号:文献标志码:文章编号:()():().:引言射频消融利用高频电流流经组织时诱导组织内带电粒子的往复运动摩擦产热提高局部组织温度实现热疗效果 该治疗方法由于热物理能量的高可控性热作用的可逆性及低副作用在临床上被广泛用于各种良性与恶性疾病、运动损伤、组织重塑等的治疗研究者们对典型热消融治疗方式的相关研究发现精确地控制射频治疗能量输出实现射频治疗区域的精准可控能进一步提高治疗效果 通过实时控制射频治疗过程中的阻抗与温度分布可解决组织在射频治疗过程中的碳化脱水问题通过精准温热控制可增强干扰素的合成和抗增值活动提高机体的免疫监视功能还能诱导热激蛋白()的合成、活
3、化天然免疫细胞、促进趋化因子和血 管 粘 附 分 子 表 达 提 高 机 体 抗 肿 瘤 免 疫力控制高温消融术的温度能够促使体内产生凝固性坏死的炎症反应引起免疫反应采用多模态射频消融术精准控制肿瘤细胞消融过程的温度可促使细胞破碎使得具有活性的肿瘤抗原充分保留有效激发机体天然的免疫与适应性细胞免疫生物医学工程研究第 卷抑制肿瘤的复发和转移 因此要实现上述射频能量的精准热疗控制提高射频的临床治疗效率射频能量输出设备需具有快速射频消融信号的响应输出能力才能实现射频治疗过程中对射频能量及消融过程中组织温度的实时精准控制提高射频能量消融的治疗效果目前医用射频设备一般包括开关电源、射频功放、主控模块等部
4、分设备在主控模块控制下由开关电源提供直流信号再由射频功率放大器将直流信号转化成射频消融功率并通过调节开关电源的输出电压调节射频电压与射频功率的输出 然而由于开关电源的局限性响应速度都在 以上很难实现调节的快速响应导致射频信号的输出延迟难以真正达到射频消融能量的快速精准控制为解决上述问题本研究提出了移相控制的射频消融信号系统设计方案通过控制移相信号的相位差实现射频电压与射频功率的快速响应控制并通过设置调节系统的额定阻抗控制射频宽阻抗范围的输出满足不同临床组织射频消融的需求 系统工作原理及体系架构.全桥移相控制工作原理全桥移相控制原理图见图()通过改变图中左右两边开关管栅极源极电压(即、与、)的相
5、移 控制开关管输出信号正负电压的占空比控制输出电压、输出电流和输出功率同时保持工作频率 不变其工作频率即为谐振频全桥移相控制工作电压波形图见图()开关管 和 导通 和 断开谐振电路两端的电压之后 和 导通 和 断开谐振两端的电压 和 断开 和 导通谐振两端的电压 最后 和 断开 和 导通谐振电路两端的电压 因此谐振电路两端的电压 的正脉冲或负脉冲宽度的占空比 满足式():()将波形图中谐振电路两端电压 的波形进行傅里叶级数展开由方波的傅里叶级数可知电压 的偶次波都为零奇次波的振幅为:()().()再经过谐振电路后更高频的谐波分量被充当带通滤波器的谐振电路衰减 由式()、式()可得电压 的基波分
6、量幅值为:()().()因此占空比 从.下降到 即图()中的相位角 从 增至 时电压 基本分量的幅值从最大值减至零因此调节相移 即可改变输出电流、输出电压和输出功率起到移相调控的作用图 全桥移相控制电路工作原理.系统工作原理为实现调节相移 和射频输出功率的快速调节本研究采用 作为移相控制芯片通过 控制 的 输出占空比的误差放大器控制相移调节射频输出功率 因此系统电路包括:全桥 第 期邹金成等:基于移相全桥的射频消融信号发生系统设计移相控制电路射频功率放大电路、显示控制电路、射频参数采集电路、显示控制电路和微处理器模块 工作过程中系统通过显示控制模块设置治疗参数传输到微处理器模块微处理器模块控制
7、全桥移相电路输出波形的相移从而控制射频功放电路输出功率的大小同时射频参数采集电路实时采集治疗参数反馈到微处理模块用于实时调整射频输出实现稳定的射频功率输出 系统工作原理框图见图图 系统结构框图.系统的硬件设计.全桥移相射频功率放大电路本研究的射频功率放大电路采用全桥 类功率放大电路 为适应不同组织的消融需求在宽阻抗范围内输出足够功率射频信号射频功率放大电路的额定阻抗设定为 工作频率为 输出功率为 可调电路包括全桥移相控制电路、串联谐振电路、阻抗匹配电路、隔离输出电路见图 工作时输入电压 经过扼流圈 后通过全桥移项控制输出一定脉宽、幅值为 的脉冲电压再通过 串联谐振电路滤波选频后传输到阻抗匹配网
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