亡的多参数可调高压纳秒脉冲发生器

1、1llO仪器仪表学报第31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一习到一传:感么畸器ry t图3高压纳秒脉冲发生器基本原理框图Fig.3The basic principles of the hishvoltagenanosecond pulse generator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

2、器在放电回路中采集脉冲 电流，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:DC O 一+30kV;最大输出电 流:1 mA，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

3、秒脉冲形成系统纳秒脉冲形成系统主要由LC网络、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

4、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 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

5、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COMSOL Multiphsics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.

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4气体开关静电场分布Fig.4Electrostatic field distribution of the gas1110switch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1111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

7、真模型制作的开关实物图如图5所示。姚陈果出徉木+tir由y爵太土在出由稍不均匀电场静态内充有0.496 MPa干燥空自击穿气体火花开关实物照片Fig.5The pictures of the auto breakdown gas switch3.2.3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RY -GDL,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+l%,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

8、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，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 ZYCA8-11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矿-7/光电隔离-3/555脉宽调制旷整形器图

9、6脉冲整形及计数系统示意图Fig.6Block diagram of the pulse shaping and counting system4高压纳秒脉冲发生器性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.7Photograph of the hishvoltage nanosecond pulse generator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0.4

10、9MPa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.8Measured waveforln of the pulse generator5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

11、脉冲发生器 tions Plasma 1113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亡效应及其窗口参数选择规律奠定了基础。2 0 0 4,SCHOENBACH K H.BEEBE S on Science.32(5)：1 9 1 9.1 9 2 4.T.Solid slate11SUNKAM R K,SELMICRR,HAYNIEDnanopu1segenerator：app1ication in ultra-wideband bioeffects researchC.ConferencePr oceedings IEEE Conference.Piscamway

12、： IEEE, 2 0 0 4： J,BUESCHERES.In Southeas t 2 8 1 2 8 4. traceUu1ar effect of u1trashorte1ectrica1 pu1sesJBiee1 ectmmagnetics,2001,22：440448.12PAIST,ZHANG Q.Introductiontohigh power pu1se2包家立，梁文权，胡巧红，等.经皮给药电穿孔仪的研制J.仪器仪表学报，2000,(01):66 69. BAO technologyM.woTld Scientific 13MARTINMartinPress,1 9 9 5.

13、 TH,GUENTHERAH,KRISTIANSENpIllsedM.JCJL,HANGWQ,HUQH,et ak De velopment of apparatus Journal of for tr ansdermal drugScientific delivery on p owerM.NewYofk：Plenumelectroperati on J.Chinese (01):66 69.3 Press,199 6. 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.电子测量与仪器学报，2 0 0 6, (4)：8 6 8 9. CHANGN

14、N,LUCHH,LIUlionmet hod of of CH.Research on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，2 0 0 3,2 4 (0 6)： 6 3 6 6 3 9. YAOCHG,SUNCX,MIY,et a1.D evelopment ofen ergy - - controllable st eep pulse apparatus for tumor of treat - detec nanosecond periodic pulse signal J. Meas mement Journal Electronic and Ins

15、trument, 2006.(4):86 89. 15BEEBE pulsed SJ,FOXPM,RECLJ,et a1.Nanoseco nd onmentJ.Chinese Journal 2003,24 (0 6):636.639. Scientific Instrument, ele ctric field(nsPEF)effects cells and tis sues：apoptosis induction and tumor gr owth inhibition U,CHENX,et al,Nan to4 NUCCITELLI R oseeond pulsed L,PHQUETY

16、【J.IEEETransactions (1):286 292. o n Plasma Science,2002,30 electric field s cause melanomas and Biophysical self de struetJ.Biochemical Research Com -作者简介姚陈果，2 0 0 3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。主要从事生物医学的电工新技术研究。munica tions,2006：343 35 1 3 6 0.5 SCHOENBACH K H.KATSUKI S,STARKRH.et al. Bioelec

17、t ricsnew 野J .IEEE (1)：293 300.6 applications for pulsed power technolo o nTransactions Plasma Science,2002,30 E mail：yaochenguoYao Cheng uo Col Jeg|(1 oi Llcctrical in 2 0 0 3.He is a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)：7 13. YAOCHG，SU NCX，MIY，et al.Experimental stud ies o n killing an

18、d inhibiting received PhD.d egree fromUniversity，China， in Chongqi ngEngineering，Chongqing psfes 哪and doc tofial current supervisor effects of st eep pulsed electric VoltageUniversity now.His researchwork includes Il删el ect rical its treatment field(SPEF)to targe t cancer cellsJ.Hish engineering tec

19、h nique apparatus. in biomedical engineer ingandEngneerng，2007，33(2)：7- 13.7HAHN U.HERRMANN M.LEIPOLD F，et a1.Nanos e of赵东阳，2 0 0 6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。E mail：2 0 0 7 1 HYPERLINK mailto:102120.ca 102120.ca Zhao Dongyang cond,kilovolt pulse generators J.Digest Tec

20、hnical Papers,2001,2：15 7 5 1 5 7 8.8 BEHRENDM,KUTHIA,GUXY,etal.Pulse genera tors for pulsed and tis sues fElectrical electric field expogu re of biological cells on J l.IEEETransa ctions Dielectrics and received B.S.deg ree in e Insulation,2003,lO(5)：820 82 5. lectrical engineering fromChinaUni ver

21、sity of Mining and Tech nology,Chin a,in 2006,he degree inCollege ofElectr ical ty.His research is is currently 9 KOLB pulsed J F,KONO S,SCHOENBACH K H.Na nosecond electric field generators for the study of subcellularworking towardM.S. Universi Engineering,Chongqingh igh voltage effectsJ.Bieelectro

22、magn etics,2006,27：1 16.10 CHANEY A,SUNDARARAJANR.SimpleMOSFETbased focused on pulse technology,and lightning and e arthing. lligh voltage nanosecond puls ecircuitJ.IEEETramac 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，Yao Chenguo, Zhao Dongyang, Wang Jianfei, Wang

23、 Jian, Zhang Ximing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 CHINESE JOURNAL OF SCIENTIFIC INSTRUMENT 2010, 31（5 0 次 参考文献（15 条 1.SCHOENBACH K H.BEEBE S J.BUESCHER E S Intracellular effect of ultrashort electrical pulses 2001 2.包家立.梁文权.胡巧红经皮给药电穿孔仪的研制 2000(1 3.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(6

24、4.NUCCITELLI R L.PHQUETY U.CHEN X Nanosecond pulsed electric fields cause melanomas to self-destruct 2006 5.SCHOENBACH K H.KATSUKI S.STARK R H Bioelectrics-new applications for pulsed power technology 2002(1 6.姚陈果.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(2 7.HAHN U.HERRMANN M.LEIPOLD F Nanosecond,kilovolt p

25、ulse generators 2001 8.BEHREND M.KUTHI A.GU X Y Pulse generators for pulsed electric field exposure of biological cells and tissues 2003(5 9.KOLB J F.KONO S.SCHOENBACH K H Nanosecond pulsed electric field generators for the study of subcellular effects 2006 10.CHANEY A.SUNDARARMAN R Simple MOSFET-ba

26、sed high-voltage nanosecond pulse circuit 2004(5 11.SUNKAM R K.SELMIC R R.HAYNIE D T Solid-slate nanopulse generator:application in ultra-wideband bioeffects research 2004 12.PAI S T.ZHANG Q Introduction to high power pulse technology 1995 13.MARTIN T H.GUENTHER A H.KRISTIANSEN M JC Martin on pulsed

27、 power 1996 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2006(4 15.BEEBE S J.FOX P M.REC L J Nanosecond pulsed electric field(nsPEFeffects on cells and tissues:apoptosis induction and tumor growth inhibition 2002(1 相似文献(2 条 1.期刊论文 胥飞.肖登 明.XU Fei.XIAO Dengming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

28、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 导肿瘤细胞凋亡的方法与机制，对于肿瘤治疗有着特别重要的意义。为此，本文在传统电疗法的基础上，通过阐述各种参数脉冲电场的生物电效 应共性基础理论，深入研究纳秒脉冲电场诱导肿瘤凋亡的方法和机制，取得的主 要成果有：分别建立了球形细