求一種高壓電穿孔的精密電源解決方案

脈沖電場或電穿孔是電外科和生命科學(xué)領(lǐng)域令人興奮的發(fā)展，使許多新的治療方法成為可能。因此，這種技術(shù)的采用正在增長。脈沖場消融（PFA）的研究和開發(fā)特別令人感興趣，因為超短脈沖增加了治療效果，同時最大限度地減少了熱問題。

然而，有效的系統(tǒng)設(shè)計人員必須能夠準(zhǔn)確地提供高壓（HV）電能。隨著研究人員不斷完善方法，這些系統(tǒng)需要在不影響精確控制的情況下滿足各種參數(shù)。

電穿孔是一種將HV（電場，通常為每厘米數(shù)千伏特）施加到細(xì)胞上以增加細(xì)胞膜通透性的技術(shù)。電穿孔有兩種類型：可逆和不可逆。

可逆電穿孔描述了非永久性孔的形成，其中施加不超過目標(biāo)組織閾值的低強度電場。這允許化學(xué)物質(zhì)，藥物或DNA進(jìn)入細(xì)胞。主要應(yīng)用包括基因電轉(zhuǎn)移和電化學(xué)療法。

不可逆電穿孔（IRE）是當(dāng)電場超過目標(biāo)組織的閾值時產(chǎn)生永久性孔。這些永久性毛孔導(dǎo)致細(xì)胞穩(wěn)態(tài)破壞，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡。IRE的主要應(yīng)用包括心臟消融和腫瘤消融。

從技術(shù)角度來看，兩種電穿孔類型之間的差異只是電場強度和施加電場的持續(xù)時間的函數(shù)。

作為一種輸送電穿孔的技術(shù)，PFA是一種非熱能方式，已被用于實體器官腫瘤消融已有一段時間。最近，研究人員已經(jīng)證明了獨特的安全性和消融功效，這與它能夠選擇性地靶向心肌細(xì)胞，同時避免對結(jié)締組織結(jié)構(gòu)的附帶損害有關(guān)。這推動了對不同脈沖序列的大量研究，以確定針對各種用例的最有效方法。

已建立的PFA方法適用于80至120個單極性脈沖，脈沖持續(xù)時間為50至100 ms，電場超過1，000 V/cm。雖然它可能有效，但這種典型的IRE方案可能會在手術(shù)過程中引起肌肉收縮，導(dǎo)致患者疼痛并導(dǎo)致電極針移位。

最近，一種稱為高頻IRE（H-FIRE）的新型IRE技術(shù)出現(xiàn)了。H-FIRE使用一組雙極性脈沖脈沖串，由持續(xù)時間為0.5至10 ms的單個脈沖組成，分組為長達(dá)100 ms的脈沖群。

作為一個具體的例子，有多個關(guān)于IRE應(yīng)用于肝腫瘤的記錄研究，最早可以追溯到2011年。腫瘤的大小從2毫米到100毫米不等，盡管IRE治療的電參數(shù)之間存在高度的共性。施加的電壓始終在1.5-3 kV / cm的范圍內(nèi)，持續(xù)時間為70-100 μs，并且使用板電極以80.100 Hz提供0個3 ms的脈沖獲得最佳結(jié)果，電場大小為2.5 kV / cm穿過腫瘤。

電源設(shè)計人員面臨的 PFA 挑戰(zhàn)

PFA系統(tǒng)電源解決方案設(shè)計的主要挑戰(zhàn)是需要可靠、可重復(fù)地提供高能高壓脈沖。對于生命科學(xué)應(yīng)用，通常只需要 2 至 300W 區(qū)域的電源系統(tǒng)。對于PFA等外科應(yīng)用，單個脈沖最高可達(dá)20 kW，系統(tǒng)的平均功率為千瓦區(qū)域。

隨著研究的繼續(xù)，所需的波形也在不斷變化，這可能會增加電源設(shè)計的挑戰(zhàn)。早期IRE的單極性脈沖已經(jīng)演變?yōu)殡p極性脈沖，可能是對稱的，也可能是不對稱的。

所需電壓通常在 1 kV 至 3 kV 范圍內(nèi)，某些應(yīng)用需要高達(dá) 5 kV 的電流和高達(dá) 65 A 的電流。脈沖寬度通常在 100 ns 至 100 μs 范圍內(nèi)，突發(fā)模式頻率高達(dá) 5 MHz。脈沖的相關(guān)壓擺率既重要又具有挑戰(zhàn)性。

電源需要過流保護和電壓/電流監(jiān)控等功能，并符合相關(guān)醫(yī)療安全標(biāo)準(zhǔn)和EMI/EMC法規(guī)。

PFA 解決方案的體系結(jié)構(gòu)

通常，PFA應(yīng)用的電源解決方案由多個級組成，從交流電源輸入轉(zhuǎn)換為治療所需的高壓脈沖直流輸出。圖中顯示了典型設(shè)計的框圖，盡管這是一個簡化的視圖，因為AC/DC前端通常具有多個輸出，為顯示器和HMI等外圍設(shè)備供電。

第一階段是交流輸入和功率因數(shù)校正（PFC），以橙色顯示。這解決了關(guān)鍵的一致性參數(shù)，包括初級-次級隔離、漏電流、EMI濾波和PFC。 輸入可以是任何交流電源電壓（甚至是直流電壓），輸出通常是約380 V的隔離直流電壓。

先進(jìn)能源的雅特生科技 AIF04ZPFC 系列全磚 PFC 模塊是一項適用于前端 PFC 的技術(shù)，可接受 85 至 264 VAC 的通用輸入，并具有統(tǒng)一的功率因數(shù)。這些模塊還可以配置為接受 120 至 370 VDC 范圍內(nèi)的直流輸入，額定功率為 1，600 W，具有 95% 的高轉(zhuǎn)換效率，并提供 380 VDC 的標(biāo)稱非隔離輸出電壓。這些模塊采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 2.4 × 4.6 英寸全磚外形，高度僅為 0.5 英寸，功率密度為 290 W/in。3.提供使能功能，AIF04ZPFC 模塊可以并聯(lián)運行，適用于需要更高功率水平的系統(tǒng)。提供電源故障警告信號，以及用于控制 DC/DC 轉(zhuǎn)換器等下游設(shè)備的使能輸出。

下一級是DC/DC轉(zhuǎn)換器，它從PFC級的大約380 V輸出產(chǎn)生嚴(yán)格調(diào)節(jié)的電壓。該模塊（以藍(lán)色顯示）還增加了進(jìn)一步的隔離和控制，同時降低了輸出紋波和噪聲。輸出的完整規(guī)格在很大程度上取決于后續(xù)高壓級的要求。

最后階段（以綠色顯示）是連接到患者的高壓脈沖直流輸出。這通常是一種分立的板載解決方案，例如Advanced Energy的UltraVolt大功率1/8C至6C系列。這些穩(wěn)壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器專為需要快速上升時間和受控電壓過沖的高壓電容器充電應(yīng)用而設(shè)計。高功率 C 系列器件采用 24V 輸入供電，由藍(lán)色 DC/DC 轉(zhuǎn)換器級的輸出驅(qū)動。

有幾種器件可供選擇，所有器件都具有 125 至 6 kV 的單極性輸出，功率水平為 60 W、125 W 或 250 W。高精度輸出的紋波值為 <1.0%，溫度系數(shù)為 50 ppm/°C。

提供一系列工廠配置選項，包括用于控制和監(jiān)控的 5V 或 10V 操作選項，接頭可替換為 D-sub 連接器。還提供工廠安裝的散熱器和用于PCB安裝的螺紋支座。

通過添加光纖布拉格光柵分析儀（FBGA）進(jìn)行精確的溫度監(jiān)控，可以進(jìn)一步增強系統(tǒng)控制和反饋。最新的FBGA沒有移動部件，采用高效的光學(xué)設(shè)計，可提供出色的波長可重復(fù)性、分辨率、長期穩(wěn)定性、超低功耗、亞毫秒級響應(yīng)時間和壽命校準(zhǔn)。