Генератор для электропорации
ELECTROPORATION GENERATOR

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 /Workbook of the electroporation-based Technologies and 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 вещества, 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 импульсов электрического тока. На сегодняшний день наибольший эффект в медицинской практике достигается при воздействии импульсов прямоугольной формы амплитудой от 50 до 3000 Вольт, при длительности импульсов от 3 до 100 мксек и токовой нагрузке не менее 50 Ампер.
Известен генератор для электропорации, 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. Rebersek, 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 не позволяет использовать генераторы рассматриваемого вида в медицинской практике.
Наиболее близким к заявленному генератору для электропорации и принятому за прототип является устройство (Voitech Stankevic et al., Compact Square-Wave Pulse Electroporator with Controlled Electroporation effciency and Cell Viability Symmetry 2020, 12(3), 412; https://doi.org/10.3390/sym12030412. 05.03.2020), включающее в себя микропроцессор, два оптических драйвера верхнего и нижнего транзисторов, блок формирования электрических импульсов, выполненный по двухтактной схеме на транзисторах, позволяющий формировать импульсы амплитудой 3500 Вольт при токе нагрузки не менее 50 Ампер, длительности импульса от 3 до 100 мксек, не менее.
Указанное устройство имеет следующие недостатки.
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 двухтактной схемы - на обоих выходах устанавливается напряжение, соответствующее логической «1».
Такое состояние микропроцессора приводит к одновременному открытию транзисторов. Ток через транзисторы при максимальном напряжении 3500 Вольт и сопротивлении двух последовательно соединенных открытых транзисторов около 2 Ом равен в такой ситуации 3500/2=1750 Ампер.
Такая сила тока с большой вероятностью может привести к выходу из строя транзисторов.
Задачей предлагаемого изобретения является исключение возможности одновременной подачи на базы транзисторов напряжения,
соответствующего логической «1», тем самым не допустив выхода транзисторов из строя из-за недопустимого тока.
Поставленная цель достигается тем, что, заявленный генератор для электропорации, содержащий микропроцессорный блок, два оптических драйвера верхнего и нижнего транзисторов, блок формирования электрических импульсов, отличается тем, что он дополнительно снабжен одним логическим вентилем 2-И-НЕ, двумя логическими вентилями 2-И (единица на выходе схемы И будет только тогда, когда на всех входах будут единицы. Если хотя бы на одном входе будет ноль, на выходе также будет ноль. Схема НЕ реализует операцию отрицания. Если на входе схемы 0, то на выходе 1, когда на входе 1, на выходе 0), и интегратором. При этом один выход микропроцессора соединен с первыми входами вентиля 2-И-НЕ и первого вентиля 2-И, другой выход микропроцессора соединен с вторыми входами вентиля 2-И-НЕ и второго вентиля 2-И, выход вентиля 2-И-НЕ соединен с вторым входом первого вентиля 2-И, с первым входом второго вентиля 2-И и с входом интегратора, выход интегратора соединен с входом установки микропроцессора в начальное состояние, выход первого вентиля 2-И соединен с входом оптического драйвера верхнего транзистора, выход второго вентиля 2-И соединен с входом оптического драйвера нижнего транзистора.
Такая схема устройства позволяет исключить возможность одновременной подачи на базы транзисторов логической «1». Сущность предполагаемого изобретения поясняется фиг. 1-2.
На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства. Генератор для электропорации содержит микропроцессор 1, один вентиль 2 2-И-НЕ и два вентиля 3,4 2-И, два оптических драйвера 5,6 верхнего и нижнего транзисторов, блок 7 формирования электрических импульсов, выполненный по двухтактной схеме на транзисторах, и интегратор 8.
Работа генератора (фиг. 2) осуществляется следующим образом. С микропроцессора 1 осуществляется передача 4-х комбинаций сигналов - «0» «0», «0» «1», «1» «0», »1» «1», из которых первые три комбинации являются рабочими. При комбинации «1» «1» на выходах микропроцессора 1 на выходе первого вентиля 2 устанавливается логический «0», и на выходах вентилей 3,4 логический «0», что соответствует выключению транзисторов в блоке 7 формирования электрических импульсов. Требуемому в электропорации напряжению 3500 Вольт при токе 50 Ампер на сегодняшний день удовлетворяют транзисторы типа IGBT, неотъемлемым элементом управления которыми являются драйверы, при этом сигналы управления, логические «0» или «1» поступают на вход драйвера. Сигнал с выхода интегратора 8 поступает на вывод установки микропроцессора 1 в начальное состояние. Вентили «И» не подвержены сбоям; возможны лишь ложные сигналы незначительной длительности, вызванные, например, переходными процессами длительностью десятые доли микросекунды. Интегратор 8 позволяет исключить ложные сигналы незначительной длительности, а при установлении на выходах микропроцессора 1 напряжения, соответствующего комбинации «1» «1» в течение длительного времени, установить микропроцессор в начальное состояние. Для существующих транзисторов допустимое время короткого замыкания, соответствующего максимальному току, как правило, равно 5-10 микросекундам (время короткого замыкания индивидуально и указывается на выбранный тип транзистора в документации). Соответственно, время интегрирования должно быть меньше допускаемого времени короткого замыкания и больше времени переходных процессов.
В процессе тестирования параметры сигнала контролировались стандартным осциллографом PSCU1000. При лабораторных испытаниях заявленного генератора для электропорации установлено, что при установлении на выходах микропроцессора 1 одновременно двух логических «1» на выходах вентилей 3,4 и, соответственно, входах драйверов 5,6 фиксировалось напряжение, равное логическому «0».
Заявленный в качестве предполагаемого изобретения генератор для электропорации тестировался при проведении в виварии исследований в период с 20.06.2019 г. по 30.08.2019 на лабораторных животных - крысах (номер регистрации протокола исследования №1711 Московского государственного медико-стоматологического университета).
Не было зафиксировано ни одного выхода из строя транзисторов.