Генератор для электропорации биологических тканей при электрохимиотерапии
GENERATOR FOR ELECTROPORATION OF BIOLOGICAL TISSUES IN ELECTROCHEMOTHERAPY

Изобретение относится к медицине, а более конкретно к хирургии для электропорации биологических тканей.
Способ электропорации известен с 80-х годов прошлого столетия, при этом в медицинской практике используются два направления - электрохимиотерапия и абляция. При наложении на биологическую ткань электрического поля напряженностью до 400 В/см (Work book of the electroporation-based Technologiesand Treatments. Edited by Peter Kramar and Damijan Miklavcic. P.57. Nov. 2018, Ljubljana, Slovenia) в виде кратковременных импульсов во внешней мембране клетки возникают поры, через которые могут проходить различные веществ а, которые в обычных условиях клетками ткани практически не поглощаются. Это явление используется в электрохимиотерапии.
При увеличении напряженности электрического поля клетки разрушаются, распадаясь на отдельные фрагменты, поглощаемые другими клетками без воспалительных реакций. Это явление известно в медицинской практике как нетепловая абляция.
Для реализации способа электропорации необходимо воздействие на биологическую ткань импульсами электрического тока. На сегодняшний день наибольший эффект в медицинской практике достигается при воздействии импульсами прямоугольной формы с максимальной амплитудой 3000 вольт при длительности импульсов от 2 до 100 мкс. Токовая нагрузка зависит от электрического сопротивления тканей и, соответственно, от расположения электродов, на которые подаются импульсы электрического тока. В настоящее время в электропорации используют биполярные импульсы, позволяющие уменьшить сокращения мышц при воздействии электрического тока.
Одним из важнейших компонентов устройства для электропорации является генератор, основной задачей которого является формирование импульсов электрического тока необходимой амплитуды и формы. На фиг. 1 приведен вид сигналов электрического тока, подаваемых для реализации способа электропорации.
Известен генератор, формирующий импульсы электрического тока, схема которого состоит из источника питания, электрического конденсатора и переключателя, в качестве которого использован транзистор, в эмиттерную цепь которого включено сопротивление нагрузки, являющееся сопротивлением области биологической ткани, подвергающейся процедуре электропорации (см. Reberšek, М.; Miklavcic, D. Advantages and Disadvantages of Different Concepts of Electroporation Pulse Generation. Automatika 2011, 52, 12-19). Параметры нагрузки зависят от вида биологической ткани и схемы размещения электродов. Кроме того, в процессе электропорации в мембранах клеток образуются поры, что также приводит к изменению параметров нагрузки. Таким образом, возникает значительная зависимость параметров импульса - формы, длительности фронта и спада от параметров нагрузки, что ограничивает использование генератора рассматриваемого вида в медицинской практике.
Наиболее близким к заявленному генератору для электропорации и принятому за прототип является устройство (Shoulong Dong et al. Design of Bipolar Pulse Generator Topology Based on Marx Supplied by Double Power, Published 2016, Engineering, 2016 IEEE International Power Modulator and High Voltage Conference (IPMHVC)), выполненное на основе генератора Маркса, содержащее микропроцессор, несколько каскадов, каждый из которых включает в себя конденсаторы, диоды и разрядники в виде транзисторов, управляемых микропроцессором, положительный и отрицательный узлы питания и резисторы, позволяющее формировать импульсы напряжением 3000 вольт при токе нагрузки не менее 68 ампер.
Указанное устройство имеет следующие недостатки.
Отсутствует возможность управления выходным напряжением, уменьшения или увеличения его в процессе генерирования импульсов. При стандартной процедуре электропорации выходы генератора последовательно подключаются к парам электродов. Так как при этом расстояние между электродами различно, требуется различное напряжение, подаваемое на электроды. У генератора, принятого за прототип, отсутствует возможность разряда конденсатора (и, соответственно, уменьшения напряжения на конденсаторе) за интервал времени между генерированием импульсов. Этот интервал времени, как правило, привязан к периоду между сердечными сокращениями, примерно от 0,3 до 1,5 секунд. Время саморазряда конденсаторов, учитывая сопротивление закрытых транзисторов, намного превышает период между сердечными сокращениями.
Указанное устройство также имеет недостаточную надежность по причине того, что микропроцессор подвержен сбоям, которые носят нерегулярный характер из-за изменения напряжения питания, внешних электромагнитных помех и т.д. При этом на выходах микропроцессора могут возникать произвольные логические состояния, в том числе наиболее опасные для управления транзисторами - на входах устанавливается напряжение, соответствующее логической «1».
Такое состояние микропроцессора приводит к прохождению большого тока через диоды, что с большой степенью вероятности может привести к выходу их из строя.
Задачей предполагаемого изобретения является введение функции управления выходным напряжением в процессе генерирования импульсов, при одновременном повышении надежности генератора путем практически полного исключения сбоев микропроцессора.
Поставленная цель достигается тем, что заявленный генератор для электропорации биологических тканей при электрохимиотерапии, содержащий каскады, каждый из которых включает в себя конденсаторы, диоды и разрядники в виде транзисторов, управляемых микропроцессором, положительный и отрицательный узлы питания и резисторы, отличается тем, что он дополнительно снабжен двумя реле узлом запрета и узлами разрядки конденсатора. При этом управляющий вход узла запрета соединен с управляющими входами реле и с одним выходом микропроцессора, другие выходы микропроцессора соединены с информационными входами узла запрета, рабочий вход первого реле соединен с выходом положительного узла питания, рабочий вход второго реле соединен с выходом отрицательного узла питания, рабочий выход первого реле соединен с положительными входами диодов, рабочий выход второго реле соединен с отрицательными входами диодов, а узлы разрядки конденсатора присоединены параллельно конденсаторам. При этом узел запрета при нарушениях работы микропроцессора не позволяет открываться транзисторам во время подачи управляющего сигнала на реле.
Такая схема устройства позволяет управлять выходным напряжением во время генерирования импульсов при одновременном повышении надежности генератора путем исключения возможности подачи на затворы транзисторов логической «1» во время открытого состояния реле.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг. 2 и 3.
В соответствии с фиг. 2 генератор для электропорации содержит микропроцессор 1, несколько каскадов (для определенности нашего случая шесть), узел 2 запрета, положительный узел 3 питания и отрицательный узел 4 питания, резисторы 5,6, два реле 7,8, узлы разрядки конденсатора 9-15 и диоды 16-22. Для электропорации требуется максимальное напряжение 3000 вольт. Промышленно изготавливаемые транзисторы с удовлетворяющими характеристиками, обладают максимально допустимым напряжением сток-исток 1200 вольт, и, таким образом, конденсатор в каждом каскаде может быть заряжен до 1200/2=600 вольт. С небольшим запасом, максимальным напряжением на конденсаторах 500 вольт, при реализации рассматриваемого генератора было выбрано 6 каскадов.
Работа генератора (фиг. 2) осуществляется следующим образом.
Микропроцессор 1 выдает сигнал на включение реле К1 и К2 7,8. Одновременно этот сигнал поступает на вход узла запрета 2, предотвращая прохождение сигналов на затворы транзисторов.
Конденсаторы С1-С7 заряжаются при этом через резисторы R1 hR2 5,6 и диоды VD1-VD7 16-22.
В зависимости от длительности импульса конденсаторы заряжаются до определенного заданного напряжения. После выключения реле 7,8 на вход узла 2 запрета поступает сигнал, разрешающий управление транзисторами, а на затворы транзисторов подаются сигналы, позволяющие генерировать биполярные импульсы (фиг. 3), которые поступают на электродную пару, погружаемую в биологическую ткань с сопротивлением нагрузки Rн. Для наглядности на фиг. 3 приведены эпюры для формирования одного импульса.
Конденсаторы после выключения реле начинают разряжаться через узлы 9-15 разрядки конденсаторов, присоединенные параллельно конденсаторам, соответственно, напряжение на конденсаторах понижается, позволяя формировать импульсы меньшего напряжения. Импульсы более высокого напряжения формируются путем подачи более длительного управляющего сигнала на реле.
Узел запрета, реализуемый на пассивных элементах, не подвержен сбоям и, при нарушениях работы микропроцессора, не позволяет открываться транзисторам во время подачи управляющего сигнала на реле. Узел разрядки конденсатора может быть выполнен на пассивных элементах, например, резисторах, или активных элементах, например, транзисторах. Выбор элемента зависит от длительности периода повторения импульса. При периоде, совпадающим с ритмом сердца, равным примерно 0,3-1,5 секундам, возможно использование резистора, при коротких периодах требуется быстрая разрядка и, соответственно, использование транзистора.
импульса. При периоде, совпадающим с ритмом сердца, равным примерно 0,3-1,5 секундам, возможно использование резистора, при коротких периодах требуется быстрая разрядка и, соответственно, использование транзистора.
В процессе тестирования параметры сигнала контролировались стандартным осциллографом PSCU1000.
Лабораторные испытания макета заявленного генератора для электропорации подтвердили возможность управления выходным напряжением, уменьшения или увеличения его при генерировании импульсов электрического тока. За время проведения лабораторных испытаний выхода из строя генератора зафиксировано не было.