[發明專利]一種基于DSP+CPLD架構的高壓電脈沖腫瘤治療儀控制器

在審

• 申請號: 201811254994.4
• 申請日: 2018-10-26
• 公開（公告）號: CN109350223A
• 公開（公告）日: 2019-02-19
• 發明（設計）人: 張建勛;陳穗;代煜;郭蒙召
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: A61B18/12
• 分類號: A61B18/12;G05B19/042
• 代理公司: 天津耀達律師事務所 12223
• 代理人: 張耀

本發明提出了一種基于DSP+CPLD架構的高壓電脈沖腫瘤治療儀控制器，屬于外科手術機器人技術領域。控制器頂層采用DSP28335作為主控制單元，負責控制整個治療的流程，CPLD作為輔助控制單元，負責擴展DSP的IO接口，同時其內部邏輯可以產生脈沖寬度、脈沖頻率和脈沖個數均可調的驅動脈沖。底層包括模擬信號輸出、模擬信號輸入、數字信號輸入和數字信號輸出接口電路，所有電路均采用電氣隔離。光電耦合器件兩側使用不同電源供電，數字電路和模擬電路供電電源之間通過電感抑制噪聲串擾。具備以上模塊的控制器滿足了被控對象對于多種輸入輸出信號的需求，并且具有很強的抗干擾能力。

技術領域

本發明屬于外科手術機器人技術領域，具體涉及一種基于DSP+CPLD架構的高壓電脈沖腫瘤治療儀的控制器。

背景技術

高壓電脈沖腫瘤治療儀一種新型癌癥治療儀器，高壓電脈沖消融也稱“納米刀”，通過向病灶區域釋放高壓電脈沖誘導細胞發生不可逆電穿孔凋亡而實現腫瘤的滅活處理，其具有熱損傷小，治療周期短的優勢，成為治愈癌癥的重大希望之一。目前研究中使用的高壓電脈沖腫瘤治療儀通常采用電容組作為儲能設備，IGBT作為脈沖發生單元的高壓開關，同時可能會引入繼電器等其他隔離開關。治療過程中，治療儀狀態以及電流電壓也需要反饋給控制器。

高壓電脈沖治療儀工作過程中要求多種控制信號，又要滿足脈沖能量可控，即脈沖寬度，脈沖頻率和脈沖幅值可控。同時，治療儀的狀態和電流電壓等信息也需反饋到控制。基于以上要求，控制器需要具備多種信號輸入和輸出功能，包括數字電平信號，數字脈沖信號，模擬信號，其中數字脈沖信號應具有脈沖個數，脈沖頻率和脈沖寬度可控的特點。

控制器是高壓脈沖治療儀重要組成部分，控制器結構和功能上應滿足以下要求：①穩定性：控制器需穩定發送高壓脈沖腫瘤治療儀需要的控制信號，決不能出現脈沖驅動信號脈寬超限，脈沖個數增多，隔離開關失控等情況；②安全性：具有良好的故障處理功能，一旦治療儀出現故障，立刻封鎖脈沖輸出；③抗干擾性：抑制治療儀高頻噪聲進入控制器；④準確性：準確的控制治療儀高壓幅值并準確接收治療儀反饋的電流電壓值。

現有的一些高壓脈沖治療儀控制方案中，完全使用硬件電路實現控制過程，使用555定時器作為核心器件，通過調整外圍電路中的電阻電容值實現脈寬和頻率調節。但是，阻值和容值的不連續性勢必影響調節的范圍，結果只能得到幾個離散的固定的輸出脈寬和頻率。

中國專利CN107809222A提供了一種產生脈沖信號的方法。使用LM555定時器構成一個固定頻率單次脈沖發生電路或者重頻脈沖發生電路，電路的輸出端接到CD4098芯片的輸入端，在CD4098芯片的外圍電路中設有可變電阻，通過調節該可變電阻，可調節脈沖信號的脈寬。脈寬問題解決了，但脈沖個數無法限定。

高壓電脈沖治療應該具備良好的故障處理功能，設備工作過程中應該時刻監控并反饋高壓開關的工作狀態，以及電路的電流電壓信息。緊急的故障處理功能要求控制器具備相應反饋信號的預留接口。

中國專利CN102882493B提供了一種脈沖發生器的控制方案，其使用FPGA模塊作為脈沖發生的控制器，但控制器單向向脈沖發生器發送控制序列，卻沒有接收反饋。一旦脈沖發生器發生故障，系統可能立刻失控。

中國專利CN202548609提供了一種控制器整體架構方案和模擬輸出以及模擬檢測方案，其通過使用ARM作為控制臺架構，通過外部數模轉化芯片(DAC)控制模擬量輸出，通過外部模數轉化芯片(ADC)轉化反饋的模擬量，這種方案在高壓強干擾環境中極不穩定，ADC和DAC非常容易出現故障導致系統停止工作。

高壓電脈沖治療的治療環境決定了控制器將工作在一個具有極大噪聲干擾環境中，一些現有方案中直接將控制部分和高壓電脈沖發生部分融合在一起的方案也不利于設備的穩定工作。將控制器獨立單獨作為一個模塊，能夠極大地減小高壓環境中輻射的噪聲。對于控制信號和反饋信號的通路，引入電氣隔離模塊能減小通過線路傳輸的噪聲。

發明內容