亡的多参数可调高压纳秒脉冲发生器_图文(精)

1、Jl+?HItiItW.HIfa.1-冲済导肿暮舉困制CT的參磁JK可iff高压呐秒岸冲捱世ST屯iF匡.tli.J.ri.!44ltwrfBEiM-rKMhlAtftf1M4ni-RTBhHriBdHHnMdrvi-riJvuasaiH#f-BjaiiBPrebbftM4v*riiiM.-lltaaT-nli4iVdrtMAJ:.Mta:n*buHAU*BRA自“b91iGm.WNIi机羸*!“M輕tl和N.MKfl5W*“上nift5a4-rsm叭mWE四t.?-F81sMT-THI-Hl-nAVis-TUHAHHH!fk.tuvIKIV:V-fIHiMVBVkJImiiHlBLIVVfB

2、vriiftnin*IK-n.-IruLM.ft+UWILsHHKI口y氓*iiMttlj-piranclcrmsiAhtabljh-FEili1urHnrnnd6wrlMrbrinfWW”*ZH*HEW”Flv电hl!HtilwihaiBlrhfaidfcWbbtai站.d也w耳|iwi!*.TwFb*wtB-l|w-u|.Htariiii.bwaimafAWii妙Im-Stfff)*mMu-1耐fmwbhwihi站边hEww.MiM*+*hh“m4*pHHivivwvmLbrfdatari!Jhbhnita.KrvmhoL川和1fAKIIHd.4：SAina.L.flXrrn4鼻*呻出冲邛

3、-hama雷AIhrk冲.-Mw-UVAflr.-iKaMM.?AMil!HkI!HA.电rIMMMNiV-lAMi執rh*ht章汩ti#|n*4i|ri!W冲L.耳耳鼻*!啪*wKqiv.*Hi1i-ewassfflflrw*-tfiwTE:軋Xii.q耳KrilFM*rtEh-rKIHV!C.?V-RFBHXA44.U1KIIH.HHl-9Ldflli-fdHfln*Hu*fuFA#%Ti”也雹輛町吗*K.1E:VfinftlHV!.iIAjI冲L思n卜屮*.LirHita.IfafcPwwf.krr3人耳皿自專taviMHidKoMVHM4.电;flu彎A*|-fit牛审j.MHkh-q

4、H4x0|umui.!，呼1耳電夕*t.lhhlE用.Ih-I*Kh.VARWTTJI1：上呼nH-AY9.flUililj|HUi|.HHt-fei4.U!CFIMINA41：r电iiW昶衲叩用F电ifli.ri-i：iti-:事|j-wwi.frir口4d-CiM.1甘*ItXTI.片丸14乞韭REIT弄dL*X(%贏HIM韦&AUM4kiL-.tui.vitwrnLn氏厭耳iL.tii.t耳UAUWBT.HXC.aL|MftKA.HC.J,MM3KHHi.r.-H:.LiH-AC4BAil-VI.A-TI4HfH.KtatHHHM=爵书:电電雪U.!raa.HHnHV#mai!iiA-1

5、110仪器仪表学报第引卷3高压纳秒脉冲发生器的研制高压纳秒脉冲发生器的原理框图如图3所示,该装置主要由高压直流电源、纳秒脉冲形成系统和脉冲整形及计数系统三大部分组成。纳秒脉冲形成系统.企.钮刮里h习刭一传:感厶畸器ryt图3高压纳秒脉冲发生器基本原理框图Fig.3Thebasicprincip1esofthehishvo1tagenanosecondpu1segenerator高压纳秒脉冲发生器基本原理:高压直流电源通过限流保护电阻向LC形成线网络充电，在达到自击穿开关阈值电压时,自击穿开关瞬间击穿并在匹配负载（50Q处产生幅值为充电电压一半的高压纳秒方波脉冲。电流传感器在放电回路中采集脉冲电

6、流,经过滤波、脉冲整形处理电路引入脉冲计数器,在脉冲输出重复频率一定时,通过计数器内置继电器控制整个装置的电源输入,从而实现本装置治疗时间窗口可控。3.1高压直流电源为减小装置的体积和重量,满足医用设备便携、简单可靠特性,高压直流电源采用高压恒流源（天津东文DWIX303.1F1D。输出电压:DCO一+30kV;最大输出电流:1mA，电源配有电流、电压显示模块和调节电位器，并具有过压、过流保护模块。通过调节电源输出电流来控制LC形成线网络的充电速度，进而控制自击穿开关的闭合频率，最终实现装置输出脉冲重复频率可调，便于寻找最佳肿瘤细胞治疗剂量。3.2纳秒脉冲形成系统纳秒脉冲形成系统主要由LC网络

7、、自击穿开关和负载电阻组成。高陡度方波脉冲所包含的高频分量将有助于肿瘤细胞内电处理效应，进一步提高肿瘤细胞凋亡率及治疗效果，因此如何提高输出脉冲上升沿陡度是本装置的关键技术之一。根据电路理论，脉冲的上升时间与杂散电感成正比，因此本装置主要从两个方面提高方波前沿的陡度。一方面在设计过程中，选择优质无感电容、电阻;合理布线，尽量减小回路所包含的面积，以减小回路杂散电感。另一方面，设计低导通时延的高性能自击穿开关。3.2.1LC网络高压电容选用无感陶瓷电容（西安九元CT8-1。电容值200pF，充分考虑裕度，电容耐压值选40kV。LC网络中电感的精确度直接影响输出脉冲的脉宽、上升沿及网络阻抗匹配，因

8、此绕制精确度较高的电感是改善装置输出波形质量的关键因素。LC网络阻抗设定为50Q,由网络阻抗公式Z=(C”2，则电感值取500nH。电感由漆包线在制定好的塑料骨架上绕制而成，由经验公式(1引：=哇嘎，式中:b为线圈长度;o为线圈半径;17，为线圈匝数;p。为真空磁导率。为长岗系数。取口=4.2mm、b=39.7mm、n=18、KW=0.88(查长冈系数表可得。所绕制电感线圈均由TH2816型宽频LCR数字电桥进行测量矫正。装置独特的使用铜板共地接线方式。Lc网络的电感、电容均匀分布在铜板之上，构成一个网络模块，整体效果美观。可根据需要添加或减少模块来改变装置输出脉冲脉宽，进而寻找诱导肿瘤细胞凋

9、亡的最佳脉宽参数。3.2.2自击穿开关自击穿气体火花开关具有较高的击穿电压且重量较轻、击穿电压便于控制等优点。结合装置实际情况，研制出圆柱平球头电极开关,单个电极长度30mm，直径10mm,倒角4mm，开关电极间距2mm，并根据J.C.Martin公式驯计算出开关击穿延时在1.5n8以内，满足设计要求。利用COMSOLMultiphsics有限元分析软件仿真分析开关模型静电场下(30kV的电场分布，如图4所示。开关间隙最大场强为15.8kV/mm，电场不均匀系数为1.053。配6=(24.58d+6.7/剐(2式中:U“起始击穿电压/kV;6:空气相对密度;d:距离间彬cm:电场不均匀系数。图

10、4气体开关静电场分布Fig.4Electrostaticfielddistributionofthegas1110switch第5期姚陈果等:一种诱导肿瘤细胞凋亡的多参数可调高压纳秒脉冲发生器11ll由稍不均匀电场静态击穿电压式（2可得:当开关内充有0.496MPa干燥空气，且LC形成线网络充满30kV电压时,自击穿火花气体开关瞬间击穿,并在匹配负载电阻处产生15kV高压纳秒脉冲。开关顶部安装有进、出气阀，通过调节密闭气体气压即可调节开关击穿电压，从而实现装置输出脉冲幅值连续可调。根据仿真模型制作的开关实物图如图5所示。出禅il：祐e甬協r議衣土谷出由稍不均匀电场静态内充有0496MPa干燥空

11、图5自击穿气体火花开关实物照片Fig.5Thepicturesoftheautobreakdowngasswitch3.2.3负载电阻负载电阻选用超高频高电流氧化膜无感电阻（咸阳秦华RYGDL,该电阻超高频性能稳定，能够响应网络输出的高压纳秒脉冲信号。阻值50Q+1%,能精确匹配LC形成线网络阻抗,避免困折反射引起的脉冲波形振荡。3.3脉冲整形及计数系统为了实现纳秒脉冲电场治疗时间窗口及剂量可控,装置采用自制电流传感器采集高压纳秒脉冲信号H“，传感器以圆环形硅钢片为骨架，外径28.35mm,内径13.9mm。上面均匀缠绕150匝铜质漆包线（西0.65toni。为了滤除传感器信号中的负半波部分，

12、传感器信号经过二极管IN4007引入到RC脉冲整形电路。再经过光电隔离及555脉宽调制电路,传感器采集到的高压纳秒脉冲就变为可被脉冲计数器（上海卓一电子ZYCA811识别的毫秒级低压脉冲信号，该计数器具有拨码开关设定功能，配合计数器内置继电器可实现装置输出脉冲个数可设定的智能化控制,在输出脉冲莺复频率一定情况下，最终实现装置治疗时间窗口可控。脉冲整形及计数电路的原理框图如图6所示。传卜脉冲卜感脉冲计数器-7/光电隔离-3/555脉宽调制旷整形器图6脉冲整形及计数系统示意图Fig.6Blockdiagramofthepulseshapingandcountingsystem4高压纳秒脉冲发生器性

13、能测试整个装置紧凑设计,连线、焊接、布局都尽力减小引入电感,研制出的高压纳秒脉冲发生器实物如图7所示。整个装置尺寸:440iTlmx370millx220mill,重量为7.5kg,有效满足了医学实验研究便携件的要求。图7高压纳秒脉冲发生器实物图Fig.7Photographofthehishvoltagenanosecondpulsegenerator选择一个LC网络模块（8级Lc网络,自击穿气体火花开关内充满0.49MPa干燥洁净空气，当高压恒流源充电电压为30kV时，气体开关瞬间击穿。采用美国Tektronic公司DP04054型数字荧光示波器和P6015A型高压探头对装置输出高压纳秒脉

14、冲波形进行测试。得到如图8所示方波脉冲，脉冲幅值15kV、上升沿10啮、半高宽脉宽200ns，脉冲波形稳定、无明显毛刺，与理论输出波形基本一致。遥馨脉宽,m图8脉冲发生器输出实测波形Fig.8Measuredwaveforlnofthepulsegenerator5诱导肿瘤细胞凋亡窗口参数选择实验研究纳秒脉冲电场诱导肿瘤细胞凋亡机理是多参数（脉iiii|L:峠斗4总牛9H冃if.Aid!雷Mi哺也FOMB*94l*-V-.flM|f：MliHkBV#.T4.-!rH1片子科JI:kltnilr-AfIfri曲崛diiIrtIM口誉牺WiM“打騎1；I.tK.hIfVV1；Ml罰VP砂r*ra亡

15、珥：MkCJI-C-.IHO-IbmMpiiiMffigHAII.P-IJaiaAARai电l即ia-HVtHP-存屮/斗*iwiX中.rts.wjtrrFTHI駅rKHLKVAi4IHKRMRnirm槪出itn缶iwm!-p-trti.罰：T?乩翼却孔,idKAiTFWCHU町vH*!1d+rLE!4T*Q血4审泗、rmenwH-HM-qiir.11.-Hnai|*r4K.*-n-轴甲議甲就対*J-.-R-JTH*EVKV1.3kiFfWaiF矗KU丘却什鼻*丘Vlti4n.lr|iHi：TIM:*VKI*17klftniMIMVMIriM.jl53.Tflf*.心甲*E*L呻iilitP!

16、iMW片K更曹豊Zd丁IAH*3ii.見葺口申!jhl晅HAdHiibriUkrijAiniH.mmIHrHOW-M.JIUli!*hr*nhaH-iiF14*4i-PWKHaMSif-01iBttl*pHIJKTrfJ!.-!Wml-HItEI4|弗一*曹宴4UJifehB4|tt*：卿B4pl用EftH2-aF.RHIIP*t*+口0rtRtiL!tiipFTHB4Ir.jvvnHI；.adM-PinvBKHrirKvuii.日第5期姚陈果等：一种诱导肿瘤细胞凋亡的多参数可调高压纳秒脉冲发生器tionsPlasmalll3诱导细胞凋亡的窗口参数，为研究纳秒脉冲电参考文献1场诱导肿瘤细胞的凋

17、亡效应及其窗口参数选择规律奠定了基础。wdiEEE,22ANGQ.2包家立,梁文权,reseEEECrchnfeCenBUESCHERESceUularefflpulsesJ122440448.ctiontohig胡巧红,等.mweel12PoweectmmaAlSrpu经皮给药电穿孔仪的研制JT,ZHse.仪器仪表学报，2000,(01):6669.BAOtechnologyM.woTldScientific13MARTINMartinPress,1995.TH,GUENTHERAH,KRISTIANSENpIllsedM.JCJL,HANGWQ,HUQH,etakDevelopmentof

18、apparatusJournaloffortransdermaldrugScientificdeliveryonpowerM.NewYofk：PlenumelectroperationJ.Chinese(01):6669.3Press,1996.Instrument,2000,14苌凝凝，鲁昌华，刘春.纳秒级周期脉冲信号检测方法的研究J.电子测量与仪器学报，2006,(4)：8689.CHANGNN,LUCHH,LIUlionmethodofofCH.Researchon姚陈果，孙才新，米彦，等.能量可控陡脉冲肿瘤治疗仪的研制J.仪器仪表学报，2003,24(06)：636639.YAOCHG

19、,SUNCX,MIY,etal.DevelopmentofenergycontrollablesteeppulseapparatusfortumoroftreatdetecnanosecondperiodicpulsesignalJ.Meas皿ementJournalElectronicandInstrument,2006.(4):8689.15BEEBEpulsedSJ,FOXPM,RECLJ,eta1.NanosecondonmentJ.ChineseJournal2003,24(06)：636.639.ScientificInstrument,electricfield(nsPEF)ef

20、fectscellsandtissues：apoptosisinductionandtumorgrowthinhibitionU,CHENX,etal,Nanto4NUCCITELLIRoseeondpulsedL,PHQUETY【J.IEEETransactions(1)：286292.onPlasmaScience,2002,30electricfieldscausemelanomasandBiophysicalselfdestruetJ.BiochemicalResearchCom作者简介姚陈果，2003年于重庆大学电气工程学院获得博士学位，现为重庆大学教授、博士生导师。主要从事生物医学

21、的电工新技术研究。munications,2006：343351360.5SCHOENBACHKH.KATSUKIS,STARKRH.etal.Bioelectricsnew野J.IEEE(1)：293300.6applicationsforpulsedpowertechnoloonTransactionsPlasmaScience,2002,30E一mail：yaochenguoYaoChenguoColJeg|(1oiLlcctricalin2003.Heisa姚陈果,孙才新,米彦,等.陡脉冲不可逆性电击穿治疗肿瘤的研究J.高电压技术，2007,33(2):713.YAOCHG,SUNCX

22、,MIY,etal.ExperimentalstudiesonkillingandinhibitingreceivedPhD.degreefromUniversity,China,inChongqingEngineering,ChongqingpwfesBanddoctofialcurrentsupervisoreffectsofsteeppulsedelectricVoltageUniversitynow.HisresearchworkincludesIl删electricalitstreatmentfield(SPEF)totargetcancercellsJ.Hishengineerin

23、gtechniqueapparatus.inbiomedicalengineeringandEngneerng,2007,33(2)：713.7HAHNU.HERRMANNM.LEIPOLDF,etal.Nanoseof赵东阳,2006年于中国矿业大学获得电气工程学士学位,现为重庆大学电气工程学院硕士研究生,主要从事脉冲功率技术及过电压与接地研究。Email：20071 HYPERLINK mailto:102120.ca 102120.caZhaoDongyangc0nd，ki10V01tPu1segenerat0rsJDigestTechnica1PaPers,2001,2:1575157

24、8.8BEHRENDM:,KUTHIA,GUXY,eta1Pu1segenerat0rsf0rPu1sedandtissuesfE1ectrica1e1ectricfieldexPogure0fbi010gica1ce11s0nJ1IEEETransacti0nsDie1ectricsandreceiVedBSdegreeinensu1ati0n,2003,10(5):8208251ectrica1engineeringfromChinaUniVersity0fMiningandTechn010gy,China，in2006，hedegreeinC011ege0fE1ectrica1tyHis

25、researchisiscurrent1y9KOLBPu1sedJF,KONOS,SCHOENBACHKHNan0sec0nde1ectricfie1dgenerat0rsforthestudy0fsubce11u1arworkingtowardMSUniVersiEngineering,ChongqinghighV01tageeffectsJBiee1ectromagnetics92006271610CHANEYA,SUNDARARAJANRSimp1eMOSFETbasedf0cused0nPu1setechn010gy,and1ightningandearthing11ighV01tag

26、enanosecondPu1secircuitJIEEETramac万方数据一种诱导肿瘤细胞凋亡的多参数可调高压纳秒脉冲发生器作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷（期：被引用次数：姚陈果，赵东阳，王剑飞，王建，章锡明，YaoChenguo，ZhaoDongyang，WangJianfei，WangJian，ZhangXiming重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室,重庆,400044仪器仪表学报CHINESEJOURNALOFSCIENTIFICINSTRUMENT2010，31（50次参考文献（15条1.SCHOENBACHKH.BEEBESJ.BUESCHERESIntra

27、cellulareffectofultrashortelectricalpulses20012.包家立.梁文权.胡巧红经皮给药电穿孔仪的研制2000(13.姚陈果.孙才新.米彦.熊兰.胡丽娜能量可控陡脉冲肿瘤治疗仪的研制2003(64.NUCCITELLIRL.PHQUETYU.CHENXNanosecondpulsedelectricfieldscausemelanomastoself-destruct20065.SCHOENBACHKH.KATSUKIS.STARKRHBioelectrics-newapplicationsforpulsedpowertechnology2002(16.姚

28、陈果.孙才新.米彦.李成祥陡脉冲不可逆性电击穿治疗肿瘤的研究2007(27.HAHNU.HERRMANNM.LEIPOLDFNanosecond,kilovoltpulsegenerators20018.BEHRENDM.KUTHIA.GUXYPulsegeneratorsforpulsedelectricfieldexposureofbiologicalcellsandtissues2003(59.KOLBJF.KONOS.SCHOENBACHKHNanosecondpulsedelectricfieldgeneratorsforthestudyofsubcellulareffects200

29、610.CHANEYA.SUNDARARMANRSimpleMOSFET-basedhigh-voltagenanosecondpulsecircuit2004(511.SUNKAMRK.SELMICRR.HAYNIEDTSolid-slatenanopulsegenerator:applicationinultra-widebandbioeffectsresearch200412.PAIST.ZHANGQIntroductiontohighpowerpulsetechnology199513.MARTINTH.GUENTHERAH.KRISTIANSENMJCMartinonpulsedpo

30、wer199614.苌凝凝.鲁昌华.刘春纳秒级周期脉冲信号检测方法的研究2006(415.BEEBESJ.FOXPM.RECLJNanosecondpulsedelectricfield(nsPEFeffectsoncellsandtissues:apoptosisinductionandtumorgrowthinhibition2002(1相似文献(2条1.期刊论文胥飞.肖登明.XUFei.XIAODengming脉冲电场对细胞作用的模型分析和实验研究-高电压技术2006,32(6根据细胞结构及其电学参数提出了电阻电容电路模型模拟电场对细胞的作用,并利用该模型解释了实验研究中不同斜率的斜坡电

31、场作用后,细胞死亡特性的差异现象.还利用该模型分析了特定斜率的斜坡电场对肿瘤细胞的选择性作用.结果表明由于亚性细胞其线粒体膜上的跨膜电压上升较正党细胞为快,而其细腻膜上的跨膜电压上升则较慢,说明这种选择性是存在的.2.学位论文米彦纳秒脉冲电场诱导肿瘤凋亡的窗口效应与实验研究2009恶性肿瘤严重威胁人类生命健康，传统的治疗手段由于受其适应症、禁忌症和副作用等因素的限制，对恶性肿瘤的疗效仍不够理想。传统肿瘤治疗方法的机理在于杀伤肿瘤细胞并抑制其生长与增殖，因而只能延缓肿瘤的进展，不能达到治愈的目的。而诱导肿瘤细胞凋亡能使肿瘤组织缩小甚至消失，并减少对正常细胞的损害和治疗过程中的不良反应，因此，研究诱导肿瘤细胞凋亡