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實現線性消融的可調射頻相位差功率放大電路.pdf

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實現 線性 消融 可調 射頻 相位差 功率 放大 電路
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摘要
申請專利號:

CN201510277229.4

申請日:

2015.05.27

公開號:

CN104901630A

公開日:

2015.09.09

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):H03F 1/02申請日:20150527|||公開
IPC分類號: H03F1/02; H03F1/56; H03F3/20; A61B18/12 主分類號: H03F1/02
申請人: 復旦大學
發明人: 鄢盛杰; 鄔小玫
地址: 200433上海市楊浦區邯鄲路220號
優先權:
專利代理機構: 上海正旦專利代理有限公司31200 代理人: 陸飛; 盛志范
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510277229.4

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2018.04.17|||2015.12.23|||2015.09.09

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明屬于醫療電子技術領域,具體為一種實現線性消融的可調射頻相位差功率放大電路。本發明電路結構包括:相位控制單元、射頻幅值控制單元、射頻諧振及濾波電路、阻抗匹配網絡。其中采用阻抗匹配網絡,使消融過程中變化的心肌阻抗等效到電路的額定負載范圍,減小電路內部損耗,穩定輸出頻率;采用軟開關技術,使得電子開關管實現零電壓開啟或零電壓導數開啟,降低開關損耗,提高工作效率。該電路可克服傳統逐點離散射頻消融技術較難形成連續消融灶的缺點,通過調節相鄰消融電極射頻輸出電壓的相位差,產生連續線性消融的效果,從而實現對心肌組織的連續線性消融。

權利要求書

權利要求書
1.   實現線性消融的可調射頻相位差功率放大電路,其特征在于:由射頻諧振及濾波電路、阻抗匹配網絡、相位控制單元、射頻幅值控制單元組成;其中:
所述射頻諧振及濾波電路,由兩個對稱的E類功率放大器組成,實現雙路具有相位差的射頻電壓輸出;其中,包括兩只工作于軟開關模式的電子開關管,以及分別由電感和電容組成的兩個串聯諧振回路;軟開關模式使電子開關管實現零電壓或零電壓導數開啟,從而降低開關損耗;每個電子開關管的控制端接相位控制單元的輸出,相位控制單元使兩只電子開關管的開關時序具有相位差;兩個電子開關管的一端同時接地,另一端分別接到各自的射頻幅值控制單元,電路中的串聯諧振回路完成濾波處理,產生射頻正弦電壓;
所述阻抗匹配網絡為阻容并聯阻抗匹配網絡,使心肌阻抗轉換到E類功率放大器的額定負載范圍,從而減小電路內部損耗,穩定輸出頻率;
所述相位控制單元,由控制器和驅動電路構成,控制器可程控產生兩路具有相位差的高頻方波,該高頻方波經過驅動電路后作用到電子開關管的控制端;通過控制兩個電子開關管開關時序,使得兩個電子開關管兩端的開關電壓具有相位差;
所述射頻幅值控制單元,由兩個獨立的開關電源組成,其幅值可程控調節,兩路電源共地,高電壓端分別接到兩個E類功率放大器的供電端,可通過控制開關電源的幅值實現對射頻電壓幅值的調節。

2.   根據權利要求1所述的實現線性消融的可調射頻相位差功率放大電路,其特征在于,所述射頻諧振及濾波電路中,通過設計并聯在電子開關管漏源極兩端電容的值,實現軟開關,即開關管實現零電壓開啟或零電壓導數開啟。

3.   根據權利要求1所述的實現線性消融的可調射頻相位差功率放大電路,其特征在于,所述相位控制單元能夠輸出具有初始相位差的高頻方波用以驅動射頻諧振及濾波電路中的兩個電子開關管,以控制輸出射頻相位差,初始相位差在0 -2π范圍任意設置。

說明書

說明書實現線性消融的可調射頻相位差功率放大電路
技術領域
本發明屬于醫療電子技術領域,具體涉及一種實現線性消融的可調射頻相位差功率放大電路,可應用于心臟射頻消融設備,實現心肌連續線性消融的效果。
背景技術  
心房纖顫是臨床中最常見的心律失常,其本身及并發癥,使患者卒中發生率和死亡率顯著增高。研究表明,肺靜脈肌袖內存在的異位興奮灶是房顫發生和維持的一個重要來源,所以隔離肺靜脈與心房之間的異常興奮傳導路徑,是治療房顫的有效手段之一。目前射頻消融是完成肺靜脈隔離最有效的方式,但在臨床上,現有的心臟射頻消融功率放大器存在以下不足:
現有的心臟射頻消融功率放大電路,通常只產生體內消融電極與體外參考電極之間的單路射頻電流,手術中醫生通過控制消融導管的位置,逐點離散消融肺靜脈口,完成環肺靜脈的電解剖隔離。由于是逐點離散消融,兩消融靶點之間較難形成連續的消融損傷,有時會造成環肺靜脈隔離不完全,殘留異常傳導路徑,以至治療房顫的成功率下降。
現有的心臟射頻消融功率放大電路,其額定負載范圍小,當心肌阻抗在消融過程中變化時,射頻頻率漂移不穩定,內部功耗增加。
現有的心臟射頻消融功率放大電路,通常采用射頻信號發生器和功率放大電路的拓撲結構,整個電路工作于線性放大模式,其開關損耗明顯,需要大量散熱,使得整個電路體積增大。
發明內容
為了克服現有射頻消融儀的不足,本發明的目的在于提供一種實現線性消融的可調射頻相位差功率放大電路,應用于心臟射頻消融設備,實現對心肌組織的連續線性消融。
本發明提供的實現線性消融的可調射頻相位差功率放大電路,以兩個對稱的E類功率放大器為基本功率放大結構,實現雙路具有相位差的射頻電壓輸出,施加于多極消融導管的相鄰電極,進而在相鄰電極之間形成消融電流,實現連續消融灶;由于采用非線性功率放大器,提高了放大器的工作效率,整個電路體積明顯減小,適用于集成多路射頻消融系統;電路中還采用阻抗匹配網絡使消融過程中變化的心肌阻抗等效到電路的額定負載范圍,減小電路內部損耗,穩定輸出頻率;運用軟開關技術,使得射頻諧振及濾波電路中的開關管實現零電壓開啟或零電壓導數開啟,降低開關損耗,提高工作效率。
本發明提供的可調節射頻相位差的功率放大電路,由射頻諧振及濾波電路、阻抗匹配網絡、相位控制單元、射頻幅值控制單元等模塊組成;其中,射頻諧振及濾波電路由非線性功率放大器構成,完成選頻功能,輸出射頻電壓;相位控制單元輸出兩路具有初始相位差的高頻方波,通過對射頻諧振及濾波電路中電子開關管的驅動,實現射頻電壓之間的相位差;射頻幅值控制單元通過調節射頻諧振及濾波電路中電子開關管的工作電壓,完成對輸出射頻電壓幅值的實時調節;阻抗匹配網絡完成阻抗轉換,使心肌阻抗等效到電路的額定負載范圍,實現穩定高效的工作。
所述射頻諧振及濾波電路,由兩個對稱的E類功率放大器組成,實現雙路具有相位差的射頻電壓輸出;其中,包括兩只工作于軟開關模式的電子開關管,以及分別由電感和電容組成的兩個串聯諧振回路;軟開關模式使電子開關管實現零電壓或零電壓導數開啟,從而降低開關損耗;每個電子開關管的控制端接相位控制單元的輸出,相位控制單元使兩只電子開關管的開關時序具有相位差。兩個電子開關管的一端同時接地,另一端分別接到各自的射頻幅值控制單元(經過射頻扼流圈后的直流端),電路中的串聯諧振回路完成濾波處理,產生射頻正弦電壓。
所述阻抗匹配網絡,由于心肌阻抗在消融過程中不斷地增加,本發明設計了一個阻容并聯阻抗匹配網絡,使心肌阻抗轉換到E類射頻功放的額定負載范圍,從而減小電路內部損耗,穩定輸出頻率。
所述相位控制單元,由控制器(MCU或CPLD)和驅動電路構成,控制器可程控產生兩路具有相位差的高頻方波,該高頻方波經過驅動電路后作用到電子開關管的控制端。通過控制兩個電子開關管開關時序,使得兩個電子開關管兩端的開關電壓具有相位差。
所述射頻幅值控制單元,由開關電源構成。本發明中采用兩個獨立的開關電源,其幅值可程控調節,兩路電源共地,高電壓端分別接到兩個E類功率放大器的供電端,可通過控制開關電源的幅值實現對射頻電壓幅值的調節。
本發明中,射頻諧振及濾波電路中,通過設計并聯在電子開關管漏源極兩端電容的值,實現軟開關,即電子開關管實現零電壓開啟或零電壓導數開啟。
本發明中,所述相位控制單元能夠輸出具有初始相位差的高頻方波用以驅動射頻諧振及濾波電路中的兩個開關管,以控制輸出射頻相位差,初始相位差可在0 -2π范圍任意設置。
本發明電路可實現可調節相位差的雙路射頻電壓同時輸出,使得消融過程中既有單極(消融電極與參考電極之間)電流流動又有雙極(多極消融導管的相鄰電極之間)電流流動,實現連續線性消融的效果。
附圖說明
圖1電路結構框圖。
圖2電路原理圖及其工作波形。
圖3阻抗匹配網絡及其阻抗轉換示意圖。
圖4相位控制單元。
圖5連續消融示意圖。
具體實施方式
本發明提出一種實現線性消融的可調射頻相位差功率放大電路,應用于心臟射頻消融設備,實現心肌組織連續線性消融。在消融儀的具體實現時,一個心臟射頻消融設備可以配備多個本發明電路,結合多極消融導管,實現多路(例如10路)具有相位差的射頻電壓輸出,由于相位差的存在,使得雙極(相鄰消融電極之間)和單極(消融電極與參考電極之間)能量同時存在,完成連續線性消融。
下面結合附圖對本發明作進一部說明。
 附圖1是電路結構框圖。相位控制單元S5產生兩路具有初始相位差的高頻方波,作為射頻諧振及濾波電路S1、S3中開關管的驅動信號。相位差可根據需要在0 -2π范圍內調節;射頻幅值控制單元S6由幅值可調節開關電源構成,通過控制開關電源輸出電壓的幅度,改變射頻諧振及濾波電路S1、S3中開關管的工作電壓,完成對射頻電壓幅值的調節;射頻諧振及濾波電路S1、S3完成直流-交流轉換,將相位控制單元S5產生的方波,放大并濾波為射頻波;阻抗匹配網絡S3、S4將負載阻抗等效轉換到電路的額定負載范圍。
附圖2是電路原理圖及其工作波形。附圖2(a)為可調節射頻相位差的功率放大電路,整個電路結構具有對稱性,其中                                                、、、、、、和、、、L*、、、分別組成兩個基本的E類功率放大器。E1和E2為幅值可調節開關電源,構成射頻幅值控制單元S6,分別作為三極管和的工作電源;通過調節開關電源E1和E2的輸出電壓,可以控制射頻諧振及濾波電路S1、S3輸出射頻電壓的幅值;兩電源共地,高電壓端輸入到高頻扼流圈或,完成對整個電路的供電;高頻扼流圈、只允許恒定的直流電流通過,其一端接E1或E2的輸出端,另一端接到開關管或的漏極上;、分別并聯在開關管、的漏源極;和分別構成串聯諧振回路;另外,相位控制單元輸出具有兩路相位差的高頻方波,分別接至開關管、的柵極,用以驅動開關管和,這使得最終輸出的射頻電壓之間也具有相位差;、分別并聯在負載、兩端,完成阻抗轉換的功能,使實際負載等效到電路的額定負載范圍,阻抗轉換詳見附圖3中的闡述。
電路工作原理敘述:
由于整個電路具有對稱性,在以下敘述中,不失一般性,選取、、、、、、構成的回路作為對象,以說明其工作原理和參數設計。規定:期間導通,期間截止,柵極的驅動方波頻率為(或)。在驅動信號的作用下,呈現開關模式,當其導通時,的漏源極電壓為零;當其關斷時,由于濾波網絡(、、組成)和負載網絡(、組成)的共同作用,使的漏源極電壓有一個先上升再下降的過程,形如一個半正弦波,并在時刻下降到零(為正整數)。漏源極電壓和電流波形如附圖2(b),整個過程中電壓和電流不同時出現,使得開關損耗基本為零,即所謂軟開關過程。組成的串聯諧振回路,對半正弦脈沖波進行帶通濾波,產生所  的射頻電壓,如附圖2(b)中虛線波形。和并聯組成負載網絡,具有“向下阻抗轉換(Downward impedance transformation)”的作用,使實際負載等效到電路的額定負載范圍,阻抗轉換詳見附圖3中的闡述。
附圖3是阻抗匹配網絡及其阻抗轉換示意圖。在心臟射頻消融過程中,心肌組織隨著消融的進行,其阻抗不斷地增加,為了使射頻功率放大器高效工作,必須設計阻抗匹配網絡,使心肌阻抗轉換到合適的額定負載范圍。將電容并聯到實際負載上,如圖3 (a)所示,該網絡可等效為一個和串聯的網絡,如圖3(b)所示。上述并聯-串聯電路等效的條件是品質因數相等,即
(1)     
根據以上并聯-串聯等效條件(式1),可以得到等效電阻與實際電阻、等效電抗與實際電抗之間的關系:
(2)     
(3)     
圖3(c)直觀反映出了與以及與的阻抗轉換關系。經過阻抗轉換后,即使不斷增加,其等效電阻都不會超過,使得負載等效到合適的范圍內。
綜上所述,在具體實施例中完成電路參數設計時,首先需明確預設或已知條件,如:預設輸出功率;預設開關電源輸出電壓;已知實際負載電阻,心肌在消融時表現出來的阻值;預設的射頻電壓頻率(或角頻率);品質因數,表達式為,其取值越大,濾波網絡的通帶越窄,產生射頻正弦電壓的諧波含量越少;在明確上述預設或已知條件后,通過表1可計算出電路理想工作時,各元件參數的取值。
表1參數計算公式

附圖4是相位控制單元S5的具體結構,主要完成對射頻諧振及濾波電路S1、S3中兩個開關管和的驅動,包括控制器和隔離驅動電路。控制器(MCU或CPLD)可程控輸出兩路可調節相位差的高頻方波:Driver_1和Driver_2;之后,該高頻方波信號由驅動芯片MIC4452驅動,然后經隔離變壓器VTX-110-004隔離,得到驅動信號Dr_Q1和Dr_Q2,分別接至Q1、Q3的柵極,用以驅動開關管和。
附圖5是連續消融示意圖。說明了本發明完成連續線性消融的原理,當具有相位差的射頻電壓和分別輸出到相鄰消融電極A和B上時,由于相位差的存在,使得電極A和電極B之間產生電壓差:

這使得電極A和電極B之間產生電流,即本發明所稱的雙極電流;同時由于消融電極與參考電極C之間存在電位差,每個消融電極分別與參考電極C之間產生電流,即本發明所稱的單極電流;由此形成單/雙極同時放電,實現連續線性消融損傷。

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