脈沖電場或電穿孔是電外科和生命科學領(lǐng)域令人興奮的發(fā)展，它使許多新的治療成為可能。因此，這種技術(shù)的采用正在不斷增長。脈沖場消融 (PFA) 的研究和開發(fā)特別令人感興趣，因為超短脈沖可提高治療效果，同時限度地減少熱問題。
    然而，高效的系統(tǒng)設(shè)計人員必須能夠準確地提供高壓 (HV) 電能。隨著研究人員不斷完善方法，這些系統(tǒng)需要在不影響控制的情況下滿足不同的參數(shù)。
    在本文中，Advanced Energy 著眼于該領(lǐng)域的發(fā)展和挑戰(zhàn)以及它們對電力系統(tǒng)設(shè)計的意義。本文還將考慮此類系統(tǒng)的一些關(guān)鍵構(gòu)建塊。
    電穿孔是一種將 HV（電場，通常為每厘米數(shù)千伏）施加到細胞以增加細胞膜滲透性的技術(shù)。電穿孔有兩種類型：可逆和不可逆。
      可逆電穿孔描述了非性孔的形成，其中施加不超過目標組織閾值的低強度電場。這使得化學物質(zhì)、藥物或 DNA 能夠進入細胞。主要應用包括基因電轉(zhuǎn)移和電化學療法。
    不可逆電穿孔 (IRE) 是當電場超過目標組織閾值時產(chǎn)生性孔。這些性毛孔會導致細胞穩(wěn)態(tài)破壞，終導致細胞死亡。IRE 的主要應用包括心臟消融和腫瘤消融。
    從技術(shù)角度來看，兩種電穿孔類型之間的差異只是電場強度和施加電場的持續(xù)時間的函數(shù)。
    基于持續(xù)時間和電場強度的電穿孔的基本原理。

    圖 1：基于持續(xù)時間和電場強度的電穿孔基本原理
    作為一種電穿孔技術(shù)，PFA 是一種非熱能形式，已用于實體器官腫瘤消融一段時間。近，研究人員證明了其獨特的安全性和消融功效，與其選擇性靶向心肌細胞同時避免對結(jié)締組織結(jié)構(gòu)造成附帶損害的能力有關(guān)。這推動了對不同脈沖序列的大量研究，以確定針對各種用例的有效方法。
    各種單極和雙極波形可用于 PFA。

    圖 2：各種單極和雙極波形可用于 PFA。
    已建立的 PFA 方法適用 80 至 120 個單極脈沖，脈沖持續(xù)時間為 50 至 100 毫秒，電場超過 1,000 V/cm。雖然它可能有效，但這種典型的 IRE 方案可能會在手術(shù)過程中引起肌肉收縮，導致患者疼痛并導致電極針移位。
    近，出現(xiàn)了一種稱為高頻IRE（H-FIRE）的新型IRE技術(shù)。H-FIRE 使用一組雙極脈沖突發(fā)，由持續(xù)時間為 0.5 至 10 毫秒的單個脈沖組成，分組為長 100 毫秒的突發(fā)。
    舉一個具體的例子，有多項關(guān)于 IRE 治療肝臟腫瘤的研究記錄，早可以追溯到 2011 年。盡管 IRE 治療的電參數(shù)之間存在高度的共性，但腫瘤的大小范圍從 2 毫米到 100 毫米不等。施加的電壓始終在1.5-3 kV/cm范圍內(nèi)，持續(xù)時間為70-100 ?s，使用板電極以0.3 Hz傳遞80個100 ms的脈沖，在腫瘤上施加2.5 kV/cm的電場強度，可以獲得結(jié)果。
    電源設(shè)計人員面臨的 PFA 挑戰(zhàn)
    PFA 系統(tǒng)電源解決方案設(shè)計的主要挑戰(zhàn)是需要可靠且可重復地傳輸高能高壓脈沖。對于生命科學應用，通常只需要 2 至 300W 范圍內(nèi)的電源系統(tǒng)即可。對于 PFA 等外科應用，單個脈沖可達 20 kW，系統(tǒng)的平均功率在千瓦范圍內(nèi)。
    隨著研究的繼續(xù)，所需的波形不斷變化，這可能會增加電源設(shè)計的挑戰(zhàn)。早期IRE的單極脈沖已演變?yōu)殡p極脈沖，可以是對稱的或不對稱的。
    所需電壓通常在 1 kV 至 3 kV 范圍內(nèi)，某些應用需要高達 5 kV 的電壓和高達 65 A 的電流。脈沖寬度通常在 100 ns 至 100 ?s 范圍內(nèi)，突發(fā)模式頻率高達 5 MHz。相關(guān)的脈沖轉(zhuǎn)換速率既重要又具有挑戰(zhàn)性。
    PFA 設(shè)計的主要挑戰(zhàn)是提供的高壓波形。

    圖 3：PFA 設(shè)計的主要挑戰(zhàn)是提供的高壓波形。
    電源需要具有過流保護和電壓/電流監(jiān)控等功能，并符合相關(guān)的醫(yī)療安全標準和 EMI/EMC 法規(guī)。
    PFA 解決方案的架構(gòu)
    通常，PFA 應用的電源解決方案由多個級組成，將交流電源輸入轉(zhuǎn)換為治療所需的高壓脈沖直流輸出。顯示了典型設(shè)計的框圖，盡管這是一個簡化視圖，因為交流/直流前端通常有多個輸出來為顯示器和 HMI 等外圍設(shè)備供電。
    使用模塊化方法的典型 PFA 解決方案的框圖。

    圖 4：使用模塊化方法的典型 PFA 解決方案的框圖
    級是交流輸入和功率因數(shù)校正(PFC)，以橙色顯示。這解決了關(guān)鍵的合規(guī)性參數(shù)，包括初級-次級隔離、泄漏電流、EMI 濾波和 PFC。輸入可以是任何交流電源電壓（甚至直流電壓），輸出通常是約 380 V 的隔離直流電壓。
    適用于前端 PFC 的一項技術(shù)是 Advanced Energy 的 Artesyn AIF04ZPFC 系列全磚 PFC 模塊，該模塊接受通用 85 至 264 VAC 輸入并提供單位功率因數(shù)。這些模塊還可以配置為接受 120 至 370 VDC 范圍內(nèi)的直流輸入，額定功率為 1,600 W，具有 95% 的高轉(zhuǎn)換效率，并提供 380 VDC 的標稱非隔離輸出電壓。該模塊采用行業(yè)標準的 2.4 × 4.6 英寸全磚外形尺寸，高度僅為 0.5 英寸，功率密度為 290 W/in。3 . 提供使能功能，并且 AIF04ZPFC 模塊可以并行運行，適用于需要更大功率水平的系統(tǒng)。提供電源故障警告信號以及用于控制 DC/DC 轉(zhuǎn)換器等下游設(shè)備的使能輸出。
    下是 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，它從 PFC 級的約 380V 輸出產(chǎn)生嚴格調(diào)節(jié)的電壓。該模塊（以藍色顯示）還增加了進一步的隔離和控制，同時減少了輸出紋波和噪聲。輸出的完整規(guī)格很大程度上取決于后續(xù)高壓級的要求。
    （以綠色顯示）是連接到患者的高壓脈沖直流輸出。這通常是分立的板載解決方案，例如 Advanced Energy 的 UltraVolt 高功率 1/8C 至 6C 系列。這些穩(wěn)壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器專為需要快速上升時間和受控電壓過沖的高壓電容器充電應用而設(shè)計。高功率 C 系列器件采用 24V 輸入運行，由藍色 DC/DC 轉(zhuǎn)換器級的輸出驅(qū)動。
    有多種器件可供選擇，所有器件均具有 125 至 6 kV 的單極輸出，功率級別為 60 W、125 W 或 250 W。高精度輸出的紋波值 <1.0%，溫度系數(shù)為 50 ppm/°C。
    提供一系列工廠配置的選項，包括用于控制和監(jiān)控的 5V 或 10V 操作選擇，并且接頭可以用 D-sub 連接器替換。還提供工廠安裝的散熱器和用于 PCB 安裝的螺紋支架。
    通過添加光纖布拉格光柵分析儀 (FBGA) 可以進一步增強系統(tǒng)控制和反饋，以實現(xiàn)的溫度監(jiān)控。的 FBGA 沒有移動部件，并采用高效光學設(shè)計，可提供出色的波長重復性、分辨率、長期穩(wěn)定性、超低功耗、亞毫秒級響應時間和壽命校準。
    靈活的解決方案
    PFA 系統(tǒng)有如此多的潛在配置，靈活性是確保滿足終應用需求的關(guān)鍵?？膳渲玫慕涣?直流電源是理想的選擇，因為它們提供所需的醫(yī)療隔離和漏電流，并且可以合并多個輸出模塊來為外設(shè)和高壓電源模塊供電。這在實驗階段尤其有用，因為只需使用螺絲刀即可更改配置。
    一家大型醫(yī)療器械公司就是一個很好的例子，該公司近與 Advanced Energy 合作提供了一種新穎的 PFA 解決方案，該解決方案使用非熱能源和專有的高壓電場來克服傳統(tǒng)基于溫度的消融模式的挑戰(zhàn)。該解決方案需要高壓 DC/DC 電源為電容器充電，嚴格調(diào)節(jié)的輸出電壓高達 2,000 V。雖然 UltraVolt 高功率 C 系列模塊可以輕松滿足技術(shù)要求，但原型設(shè)計表明需要一個可以用螺釘固定的控制連接器和設(shè)備的內(nèi)置冷卻裝置。為了滿足這些要求，模塊中添加了 DB15 D-sub 連接器和翅片散熱器選件，并交付了新樣品并迅速獲得批準。
    此外，客戶還需要一個低功耗、可調(diào)電壓DC/DC 轉(zhuǎn)換器。在這種情況下，Advanced Energy 工程師推薦了標準的 UltraVolt AA 系列 1/16AA24-P20 (62V/20W) 解決方案，以提供良好調(diào)節(jié)、可調(diào)節(jié)的 0 至 62V 電源，具有低紋波和良好的穩(wěn)定性。