【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于生物电磁，具体涉及基于现场可编程门阵列(fpga)控制的纳秒脉冲发生器。。
技术介绍
1、电穿孔是指在高压脉冲电场的作用下，细胞膜通透性发生变化，产生纳米级细小孔道的现象。当电场强度升高到一定强度或者持续施加脉冲电压，形成的电穿孔无法恢复，这种现象被称为不可逆电穿孔(irreversible electroporation，ire)。ire肿瘤消融技术是通过电脉冲诱导肿瘤细胞凋亡而消灭肿瘤的一种治疗方式。研究表明，上升沿为ns级别、脉宽为μs级别、幅值为kv/cm的脉冲电场作用于肿瘤细胞时，肿瘤细胞将发生不可逆电穿孔凋亡。
2、在ire消融设备的研究中，对高压脉冲发生器的研究是其中一个重点，高压脉冲发生器用来发射ire所需的脉冲参数。目前对于ire消融所需的高压脉冲发生器有两种形式，一种是电容放电脉冲发生器，主要产生指数衰减脉冲，常用的是空气火花开关，另一种是方波脉冲发生器，产生方波脉冲，常用有blumlein传输线、绝缘栅型场效应管(mosfet)、igbt等构成的高压脉冲发生器。
3、现有的高压脉冲发生器，如申请号为201110195350.4的“基于fpga控制的全固态高压纳秒方波脉冲发生器”，该专利公开了一种基于fpga控制的纳秒方波脉冲发生器，基于马克斯发生器原理，通过对一组电容器并联充电，然后由固态开关器件对电容器串联放电产生的初始脉冲斩波获得所需高压纳秒方波脉冲。fpga控制系统通过便携式计算机实现人机通信，发送高压直流模块、马克斯电路控制信号，接收所述的脉冲测量系统得到的测量
技术实现思路
1、本专利技术提供了一种基于fpga控制的纳秒脉冲发生器和医疗设备，旨在解决传统的fpga脉冲发生电路存在的光电信号不稳定和marx电路复杂、较高输出阻抗等问题。
2、本专利技术的原理：本专利技术基于固态直线变压器驱动源(solid-state lineartransformer driver,ltd)原理，操作者通过人机交互系统设置输出脉冲幅值、脉冲宽度、脉冲频率和脉冲个数，被fpga控制系统的单片机模块和fpga运算模块处理后通过光电隔离电路将电信号转换成光信号，传输至电源系统和脉冲形成系统。电源系统按照人机交互系统设置的脉冲幅值自动换算程控直流电源的电压给储能电容充电。充电完成后，通过fpga控制程序切断充电电路，联通脉冲形成系统，储能电容通过ltd高压电路模块中磁芯耦合放电升压将升压电释放到负载上。mosfet开关1和mosfet开关2按照人机交互系统设置的脉冲宽度、脉冲频率和脉冲个数进行开关动作切换从而控制输出的脉冲宽度、脉冲频率和脉冲个数。由于mosfet开关的频率为khz级别的，所以为确保mosfet开关的一致性，在fpga控制系统外围搭配有功率增强电路，用来增强光电转换信号。
3、本专利技术解决其技术问题，采用的技术方案是：
4、本专利技术首先提供一种基于fpga控制的纳秒脉冲发生器，包括电源系统、脉冲形成系统、fpga控制系统和人机交互系统；电源系统包括滤波隔离模块和程控直流电源，脉冲形成系统包括储能电容和ltd高压电路模块，fpga控制系统输出端控制脉冲形成模块是通过光电隔离电路分别控制储能电容充电和ltd高压电路模块放电，fpga控制系统输入端与程控直流电源和人机交互系统通讯连接。
5、电源系统包括电源、滤波隔离模块、电源开关和程控直流电源。电源为市售的110～220v网电源，通过导线与滤波隔离模块连接，用于过滤网电源传入的emi电磁干扰信号和防止纳秒脉冲发生器产生的emi信号进入电网，以确保纳秒脉冲发生器和电源环境的安全。滤波隔离模块能够有效地保护设备免受电网中各种电气噪声和干扰的影响，提高设备的性能和可靠性，同时也能将设备产生的脉冲电场隔离，防止脉冲电场通过网电源干扰或者破坏其他网电源线上设备。程控直流电源将100～220v交流电转换为直流电，通过电路与储能电路连接，为储能电容充电。同时程控直流电源为功率增强电路提供5v、6v、7v、8v、9v或10v的直流电压。电源系统为脉冲形成系统、fpga控制系统和人机交互系统提供安全、稳定的电源，保障整个设备的正常运转。
6、脉冲形成系统包括储能电容和ltd高压电路模块，直流电源用于给储能电容充电，通过mosfet开关1的导通实现充电线路的闭合。然后ltd高压电路模块中mosfet开关2导通(mosfet开关1断开)，通过磁芯耦合放电将储能电容中的电压放电升压，磁芯耦合中的初级线圈和次级线圈圈数比可以是1:1、1:2、1:3、1:4或1:5。为获得脉冲幅值较高的电压，ltd高压电路模块可由多组ltd电路组成。
7、进一步的光电隔离电路包括光电耦合单元，光电耦合单元的输入端与fpga控制系统连接，光电耦合单元的输出端与脉冲形成系统连接，光电耦合单元用于通过光电转换使开关控制信号单向传输至脉冲形成系统。
8、进一步的纳秒脉冲的实现是通过fpga控制系统通过光电隔离电路控制第一mosfet开关导通实现程控直流电源给储能电容充电和控制第二mosfet开关导通实现ltd高压电路模块放电，进而输出一个脉冲电压。
9、fpga控制系统包括同步触发模块和单片机模块，fpga通过与同步触发模块的输入端连接，同步触发模块的输出端与光电隔离模块连接，经过光电隔离模块的光电信号转换，与脉冲形成系统中的ltd高压电路模块的控制端连接，将同步触发模块发送给mosfet开关的同步脉冲信号转换成光信号进行传输。避免受到脉冲形成系统的高压的干扰，确保同步触发脉冲信号的稳定性和同步性，fpga控制系统外围还搭配有功率增强电路，用来增强光电转换信号，功率增强电路可以是5v、6v、7v、8v、9v、10v的功率增强电路。fpga控制系统的主要功能是将人机交互系统的设置参数转换为电路系统运行参数，通过控制电路中的各元器件工作，实现输出设定的脉冲电压、脉冲宽度、脉冲频率和脉冲个数。
10、本专利技术的纳秒脉冲发生器可输出的脉冲幅值为0～50kv、脉冲宽度为200～600ns、脉冲频率为1～2000hz，下降沿为20～60ns、脉冲个数为1～1000个，具体参数可以根据实际需求在人机交互系统上设定。
11、人机交互系统为常规的计算机、平板、微机或其他电子设备，通过串行电缆或者蓝牙与fpga控制系统的单片机模块连接，操作者通过控制程序的用户界面设置所需参数，将命令发送给fpga控制系统，从而实现人机交互通信。
12、另一方面，本发本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于FPGA控制的纳秒脉冲发生器，其特征在于包括电源系统、DC-DC模块、脉冲形成系统、FPGA控制系统和人机交互系统；
2.根据权利要求1所述的纳秒脉冲发生器，其特征在于，所述滤波隔离模块设置于网电源接口处，用于过滤网电源传入的EMI电磁干扰信号和防止纳秒脉冲发生器产生的EMI信号进入电网，以确保纳秒脉冲发生器和电源环境的安全。
3.根据权利要求1所述的纳秒脉冲发生器，其特征在于，光电隔离电路包括光电耦合单元，所述光电耦合单元的输入端与所述FPGA控制系统连接，所述光电耦合单元的输出端与脉冲形成系统连接，所述光电耦合单元用于通过光电转换使所述开关控制信号单向传输至脉冲形成系统。
4.根据权利要求1所述的纳秒脉冲发生器，其特征在于，纳秒脉冲的实现是通过FPGA控制系统通过光电隔离电路控制第一MOSFET开关导通实现程控直流电源给储能电容充电和控制第二MOSFET开关导通实现LTD高压电路模块放电，进而输出一个脉冲电压。
5.根据权利要求1所述的纳秒脉冲发生器，其特征在于，所述FPGA控制系统外围搭配有功率增强电路，用来增强光
6.根据权利要求4所述的纳秒脉冲发生器，其特征在于，所述功率增强电路为5V功率增强电路。
7.根据权利要求1所述的纳秒脉冲发生器，其特征在于，所述LTD高压电路模块是通过磁芯耦合放电升压。
8.根据权利要求1所述的纳秒脉冲发生器，其特征在于，所述LTD高压电路模块可由多组LTD电路组成。
9.根据权利要求1所述的纳秒脉冲发生器，其特征在于，所述人机交互系统可将脉冲电场信号信息通过用户界面进行图形化界面显示。
10.一种医疗设备，包括消融电极针，其特征在于，还包括如权利要求1-9所述的纳秒脉冲发生器，所述消融电极针与所述脉冲发生器连接，以用于释放所述纳秒脉冲信号。
...【技术特征摘要】
1.一种基于fpga控制的纳秒脉冲发生器，其特征在于包括电源系统、dc-dc模块、脉冲形成系统、fpga控制系统和人机交互系统；
2.根据权利要求1所述的纳秒脉冲发生器，其特征在于，所述滤波隔离模块设置于网电源接口处，用于过滤网电源传入的emi电磁干扰信号和防止纳秒脉冲发生器产生的emi信号进入电网，以确保纳秒脉冲发生器和电源环境的安全。
3.根据权利要求1所述的纳秒脉冲发生器，其特征在于，光电隔离电路包括光电耦合单元，所述光电耦合单元的输入端与所述fpga控制系统连接，所述光电耦合单元的输出端与脉冲形成系统连接，所述光电耦合单元用于通过光电转换使所述开关控制信号单向传输至脉冲形成系统。
4.根据权利要求1所述的纳秒脉冲发生器，其特征在于，纳秒脉冲的实现是通过fpga控制系统通过光电隔离电路控制第一mosfet开关导通实现程控直流电源给储能电容充电和控制第二mosfet开...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙宏涛，车海波，孙蓬，吴蔚辉，
申请(专利权)人：科睿驰深圳医疗科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：
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