ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ГЕНЕРАТОР ДЛЯ АБЛЯЦИИ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ТКАНИ

Настоящая полезная модель относится к области медицинской техники и, в частности, может быть использована для формирования выходного сигнала в устройствах для радиочастотных катетерных абляций сердца.
Радиочастотная катетерная абляция - это наиболее эффективный и радикальный метод оперативного лечения нарушений сердечного ритма. При лечении определенных видов тахиаритмий частота успешных исходов часто превышает 90% [1]. При использовании метода радиочастотной абляции не требуется выполнения операции на открытом сердце: воздействие на проблемные участки проводящих структур сердца осуществляется через катетер. Работа генератора для абляции обычно сопровождается электромагнитными помехами, природа которых связана с протеканием тока в проводниках. Низкочастотная составляющая помехи накладывается на сигнал, регистрируемый аппаратом ЭКГ в диапазоне до 1 кГц. Влияние высокочастотной составляющей (диапазон от 4 МГц до 13 МГц) негативно сказывается на работе ультразвуковой аппаратуры [2].
рез
Из существующего уровня техники известен резонансный инвертор радиочастотного генератора для радиочастотной абляции, выполненный в виде последовательно-параллельного резонансного контура. В схеме содержатся переключатели инвертора, выполненные на структуре металл-оксид-полупроводник (МОП-транзисторы), через которые на фильтр подаются импульсы прямоугольной формы. Первичная обмотка трансформатора, включенного между генератором и нагрузкой, используется в качестве индуктивности параллельного резонансного контура. Так как добротность Q последовательной RLC-схемы (1) определяется по формуле [3], данное техническое решение имеет существенный недостаток: на резонансной частоте f параллельный контур, имеющий на резонансной частоте высокое сопротивление и включенный последовательно в цепь последовательного резонансного контура, снижает добротность последовательного контура, что в свою очередь делает неэффективным фильтрацию гармоник и способствует усилению эмиссии электромагнитных помех.
0
где ω - резонансная частота, рад/с;
L - индуктивность катушки, Гн;
R - сопротивление резистора, Ом.
Еще одним известным техническим решением является генератор высокой частоты для катетерных абляций на сердце [4]. Инвертор генератора выполнен на полевых транзисторах, генерация прямоугольных импульсов управляется контроллером с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ-контроллера) К1156ЕУ2. Устройство, реализующее данное решение, содержит два блока: первый блок выполняет функцию повышающего DC-DC преобразователя, второй блок выполняет функцию высокочастотного генератора. В качестве фильтра выступает дроссель, сглаживающий фронты сигнала. Недостатком данного решения является эмиссия высокочастотных помех, возникающих благодаря выходному квазисинусоидальному сигналу с высоким содержанием высших гармоник вследствие низкой степени фильтрации сигнала инвертора.
Наиболее близким к настоящему техническому решению является генератор радиочастотной энергии, описанный в патенте [5]. Фильтрация прямоугольных импульсов инвертора генератора осуществляется последовательным колебательным LC контуром. Устройство содержит разделительный трансформатор, первичная обмотка которого включена последовательно в цепь последовательного колебательного контура. А вторичная обмотка подключена к нагрузке через разделительный конденсатор, блокирующий прохождение постоянных токов в цепи пациента. Коэффициент полезного действия (КПД) DC-AC преобразователя достигает 95%, коэффициент полезного действия (КПД) разделительного трансформатора близок к 100%. Амплитуда выходного сигнала равна 100 В, мощность достигает 100 Вт. Недостатком данного решения также является высокий уровень эмиссии электромагнитных помех вследствие низкой добротности колебательного контура в который нагрузка включена последовательно.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в снижении уровня эмиссии низкочастотных и высокочастотных электромагнитных помех при использовании устройства, который достигается за счет неполного включения последовательного LC-контура в нагрузку, что позволяет увеличить его добротность. Вместо одного конденсатора используется цепь из двух последовательно соединенных конденсаторов, при этом нагрузка через разделительный трансформатор подключается параллельно одному из конденсаторов колебательного контура. Эмиссия высокочастотных электромагнитных помех снижается за счет уменьшения количества высокочастотных гармоник в выходном сигнале генератора, а эмиссия низкочастотных электромагнитных помех снижается за счет уменьшения времени и величины перерегулирования переходного процесса (что также зависит от добротности контура). Модуль реактивного сопротивления конденсатора, к которому подключена нагрузка, выбирают на порядок меньше сопротивления нагрузки и в 1-10 раз меньше, чем модуль реактивного сопротивления другого конденсатора.
На фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема генератора.
На фиг.2 изображен сигнал, полученный с выхода генератора, описанного в [4].
На фиг.3. изображен сигнал, полученный при испытании устройства, реализующего принципы настоящего изобретения.
н
Высокочастотный генератор для абляции биологической ткани, состоит из последовательно соединенных катушки индуктивности L1 и конденсаторов C1 и C2, подключен к инвертору G, генерирующему импульсы частотой от 200 кГц до 1 МГц, имеющему выводы 1 и 2. Разделительный трансформатор T1, предназначенный для создания гальванической изоляции между пациентом и устройством с целью защиты от поражения электрическим током, содержит первичную обмотку 1-2 и вторичную обмотку 3-4. К точке 3 трансформатора T1 подключен конденсатор C3. Нагрузка R подключается к контактам Выход1 и Выход2 генератора.
Высокочастотный генератор для абляции биологической ткани работает следующим образом. Колебательный контур L1-C1-C2 возбуждается импульсами инвертора, преобразуя их в сигнал синусоидальной формы. Высокочастотный сигнал синусоидальной формы передается через разделительный трансформатор в нагрузку. Конденсатор C3, включенный последовательно с нагрузкой, служит для блокирования постоянных токов в цепи пациента.
р
Частота резонанса f колебаний последовательного контура L1-C1-C2 определяется по формуле Томсона:
.
0
где ω - резонансная частота, рад/с;
L1 - индуктивность катушки, Гн;
C1 - емкость первого конденсатора, Ф;
C2 - емкость второго конденсатора, Ф.
Предлагаемое техническое решение является новым и промышленно применимым. Был изготовлен опытный образец предлагаемого устройства. Номиналы и допуски элементов, использованных при реализации опытного образца: индуктивность L1 равна 22 мкГн ±10%, значения емкостей C1 и C2 равны 0,012 мкФ ±10%, значение емкости C3 равна 0,005 мкФ ±5% (ограничено по [6]). Частота сигнала равна 440 кГц.
вых
вых
Результаты измерения параметров устройства, реализующего указанные выше положения. На фиг.2 приведен выходной сигнал генератора прототипа, а на фиг.3 сигнал генератора по предлагаемому техническому решению. Коэффициент гармоник сигнала на фиг.3 равен 2,5%, в отличие от прототипа, имеющего 22%. В диапазоне сопротивления нагрузки от 50 до 200 Ом, коэффициент гармоник принимает значения от 2,1% до 2,4% соответственно; в прототипе от 22,3% до 33,6%. Амплитуда напряжения на выходе U=260 В. Выходная мощность P=237 Вт.
Использованные источники
1. Катетерная аблация (деструкция) [Электронный ресурс]; Режим доступа: http://www.cardioschool.ru/for-patients/gr-246/page-289/.
2. Заявка на патент США US 20110069518, МПК H02M 7/02. Resonant inverter of radiofrequency generator for radiofrequency ablation / Kyong-Min SHIN (KR), Hong-chea Jung (KR), Young-Jin Choi (KR), Jun-hyok Lee (KR), Jae-Bok Kim (KR), Guk-joo Na (KR), Kye-joo Kim (KR). - №12/730, 713; заявл. 24.05.2010; опубл. 24.03.2011, - 6 с.
3. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах: Т.1. Пер. с англ. - 4-е изд. Перераб. И доп. - М.: Мир, 1993. - 413 с.
4. Шкарупо С.П., Коблош А.С. Разработка генератора высокой частоты для катетерных абляций на сердце // Доклады ТУСУР. - 2011 - №2 - С116-118.
5. Заявка на патент США US 20080281322, МПК A61B 18/14. RF energy delivery system and method / Marshall L. Sherman (US), Randell L. Werneth (US), J. Christopher Flaherty (US). - №12/117, 596; заявл. 08.05.2008; опубл. 13.11.2008, - 42 с.
6. ГОСТ Р 50267.2-92 Изделия медицинские электрические. Часть 2. Частные требования безопасности к высокочастотным электрохирургическим аппаратам. - Введ. 1993-07-01. - М.: Издательство стандартов, 1993. - 42 с.