1、Jl+?HItiItW.HIfa.1-沖済導腫暮舉困制CT的參磁JK可iff高壓吶秒岸沖捱世ST屯iF匡.tli.J.ri.!44ltwrfBEiM-rKMhlAtftf1M4ni-RTBhHriBdHHnMdrvi-riJvuasaiH#f-BjaiiBPrebbftM4v*riiiM.-lltaaT-nli4iVdrtMAJ:.Mta:n*buHAU*BRA自“b91iGm.WNIi機羸*!“M輕tl和N.MKfl5W*“上nift5a4-rsm叭mWE四t.?-F81sMT-THI-Hl-nAVis-TUHAHHH!fk.tuvIKIV:V-fIHiMVBVkJImiiHlBLIVVfB

2、vriiftnin*IK-n.-IruLM.ft+UWILsHHKI口y氓*iiMttlj-piranclcrmsiAhtabljh-FEili1urHnrnnd6wrlMrbrinfWW”*ZH*HEW”Flv電hl!HtilwihaiBlrhfaidfcWbbtai站.d也w耳|iwi!*.TwFb*wtB-l|w-u|.Htariiii.bwaimafAWii妙Im-Stfff)*mMu-1耐fmwbhwihi站邊hEww.MiM*+*hh“m4*pHHivivwvmLbrfdatari!Jhbhnita.KrvmhoL川和1fAKIIHd.4：SAina.L.flXrrn4鼻*呻出沖邛

3、-hama雷AIhrk沖.-Mw-UVAflr.-iKaMM.?AMil!HkI!HA.電rIMMMNiV-lAMi執rh*ht章汩ti#|n*4i|ri!W沖L.耳耳鼻*!啪*wKqiv.*Hi1i-ewassfflflrw*-tfiwTE:軋Xii.q耳KrilFM*rtEh-rKIHV!C.?V-RFBHXA44.U1KIIH.HHl-9Ldflli-fdHfln*Hu*fuFA#%Ti”也雹輛町嗎*K.1E:VfinftlHV!.iIAjI沖L思n卜屮*.LirHita.IfafcPwwf.krr3人耳皿自專taviMHidKoMVHM4.電;flu彎A*|-fit牛審j.MHkh-q

4、H4x0|umui.!，呼1耳電夕*t.lhhlE用.Ih-I*Kh.VARWTTJI1：上呼nH-AY9.flUililj|HUi|.HHt-fei4.U!CFIMINA41：r電iiW昶衲叩用F電ifli.ri-i：iti-:事|j-wwi.frir口4d-CiM.1甘*ItXTI.片丸14乞韭REIT弄dL*X(%贏HIM韋&AUM4kiL-.tui.vitwrnLn氏厭耳iL.tii.t耳UAUWBT.HXC.aL|MftKA.HC.J,MM3KHHi.r.-H:.LiH-AC4BAil-VI.A-TI4HfH.KtatHHHM=爵書:電電雪U.!raa.HHnHV#mai!iiA-1

5、110儀器儀表學報第引卷3高壓納秒脈沖發生器的研制高壓納秒脈沖發生器的原理框圖如圖3所示,該裝置主要由高壓直流電源、納秒脈沖形成系統和脈沖整形及計數系統三大部分組成。納秒脈沖形成系統.企.鈕刮里h習剄一傳:感厶畸器ryt圖3高壓納秒脈沖發生器基本原理框圖Fig.3Thebasicprincip1esofthehishvo1tagenanosecondpu1segenerator高壓納秒脈沖發生器基本原理:高壓直流電源通過限流保護電阻向LC形成線網絡充電，在達到自擊穿開關閾值電壓時,自擊穿開關瞬間擊穿并在匹配負載（50Q處產生幅值為充電電壓一半的高壓納秒方波脈沖。電流傳感器在放電回路中采集脈沖電

6、流,經過濾波、脈沖整形處理電路引入脈沖計數器,在脈沖輸出重復頻率一定時,通過計數器內置繼電器控制整個裝置的電源輸入,從而實現本裝置治療時間窗口可控。3.1高壓直流電源為減小裝置的體積和重量,滿足醫用設備便攜、簡單可靠特性,高壓直流電源采用高壓恒流源（天津東文DWIX303.1F1D。輸出電壓:DCO一+30kV;最大輸出電流:1mA，電源配有電流、電壓顯示模塊和調節電位器，并具有過壓、過流保護模塊。通過調節電源輸出電流來控制LC形成線網絡的充電速度，進而控制自擊穿開關的閉合頻率，最終實現裝置輸出脈沖重復頻率可調，便于尋找最佳腫瘤細胞治療劑量。3.2納秒脈沖形成系統納秒脈沖形成系統主要由LC網絡

7、、自擊穿開關和負載電阻組成。高陡度方波脈沖所包含的高頻分量將有助于腫瘤細胞內電處理效應，進一步提高腫瘤細胞凋亡率及治療效果，因此如何提高輸出脈沖上升沿陡度是本裝置的關鍵技術之一。根據電路理論，脈沖的上升時間與雜散電感成正比，因此本裝置主要從兩個方面提高方波前沿的陡度。一方面在設計過程中，選擇優質無感電容、電阻;合理布線，盡量減小回路所包含的面積，以減小回路雜散電感。另一方面，設計低導通時延的高性能自擊穿開關。3.2.1LC網絡高壓電容選用無感陶瓷電容（西安九元CT8-1。電容值200pF，充分考慮裕度，電容耐壓值選40kV。LC網絡中電感的精確度直接影響輸出脈沖的脈寬、上升沿及網絡阻抗匹配，因

8、此繞制精確度較高的電感是改善裝置輸出波形質量的關鍵因素。LC網絡阻抗設定為50Q,由網絡阻抗公式Z=(C”2，則電感值取500nH。電感由漆包線在制定好的塑料骨架上繞制而成，由經驗公式(1引：=哇嘎，式中:b為線圈長度;o為線圈半徑;17，為線圈匝數;p。為真空磁導率。為長崗系數。取口=4.2mm、b=39.7mm、n=18、KW=0.88(查長岡系數表可得。所繞制電感線圈均由TH2816型寬頻LCR數字電橋進行測量矯正。裝置獨特的使用銅板共地接線方式。Lc網絡的電感、電容均勻分布在銅板之上，構成一個網絡模塊，整體效果美觀。可根據需要添加或減少模塊來改變裝置輸出脈沖脈寬，進而尋找誘導腫瘤細胞凋

9、亡的最佳脈寬參數。3.2.2自擊穿開關自擊穿氣體火花開關具有較高的擊穿電壓且重量較輕、擊穿電壓便于控制等優點。結合裝置實際情況，研制出圓柱平球頭電極開關,單個電極長度30mm，直徑10mm,倒角4mm，開關電極間距2mm，并根據J.C.Martin公式馴計算出開關擊穿延時在1.5n8以內，滿足設計要求。利用COMSOLMultiphsics有限元分析軟件仿真分析開關模型靜電場下(30kV的電場分布，如圖4所示。開關間隙最大場強為15.8kV/mm，電場不均勻系數為1.053。配6=(24.58d+6.7/剮(2式中:U“起始擊穿電壓/kV;6:空氣相對密度;d:距離間彬cm:電場不均勻系數。圖

10、4氣體開關靜電場分布Fig.4Electrostaticfielddistributionofthegas1110switch第5期姚陳果等:一種誘導腫瘤細胞凋亡的多參數可調高壓納秒脈沖發生器11ll由稍不均勻電場靜態擊穿電壓式（2可得:當開關內充有0.496MPa干燥空氣，且LC形成線網絡充滿30kV電壓時,自擊穿火花氣體開關瞬間擊穿,并在匹配負載電阻處產生15kV高壓納秒脈沖。開關頂部安裝有進、出氣閥，通過調節密閉氣體氣壓即可調節開關擊穿電壓，從而實現裝置輸出脈沖幅值連續可調。根據仿真模型制作的開關實物圖如圖5所示。出禪il：祐e甬協r議衣土谷出由稍不均勻電場靜態內充有0496MPa干燥空

11、圖5自擊穿氣體火花開關實物照片Fig.5Thepicturesoftheautobreakdowngasswitch3.2.3負載電阻負載電阻選用超高頻高電流氧化膜無感電阻（咸陽秦華RYGDL,該電阻超高頻性能穩定，能夠響應網絡輸出的高壓納秒脈沖信號。阻值50Q+1%,能精確匹配LC形成線網絡阻抗,避免困折反射引起的脈沖波形振蕩。3.3脈沖整形及計數系統為了實現納秒脈沖電場治療時間窗口及劑量可控,裝置采用自制電流傳感器采集高壓納秒脈沖信號H“，傳感器以圓環形硅鋼片為骨架，外徑28.35mm,內徑13.9mm。上面均勻纏繞150匝銅質漆包線（西0.65toni。為了濾除傳感器信號中的負半波部分，

12、傳感器信號經過二極管IN4007引入到RC脈沖整形電路。再經過光電隔離及555脈寬調制電路,傳感器采集到的高壓納秒脈沖就變為可被脈沖計數器（上海卓一電子ZYCA811識別的毫秒級低壓脈沖信號，該計數器具有撥碼開關設定功能，配合計數器內置繼電器可實現裝置輸出脈沖個數可設定的智能化控制,在輸出脈沖鶯復頻率一定情況下，最終實現裝置治療時間窗口可控。脈沖整形及計數電路的原理框圖如圖6所示。傳卜脈沖卜感脈沖計數器-7/光電隔離-3/555脈寬調制曠整形器圖6脈沖整形及計數系統示意圖Fig.6Blockdiagramofthepulseshapingandcountingsystem4高壓納秒脈沖發生器性

13、能測試整個裝置緊湊設計,連線、焊接、布局都盡力減小引入電感,研制出的高壓納秒脈沖發生器實物如圖7所示。整個裝置尺寸:440iTlmx370millx220mill,重量為7.5kg,有效滿足了醫學實驗研究便攜件的要求。圖7高壓納秒脈沖發生器實物圖Fig.7Photographofthehishvoltagenanosecondpulsegenerator選擇一個LC網絡模塊（8級Lc網絡,自擊穿氣體火花開關內充滿0.49MPa干燥潔凈空氣，當高壓恒流源充電電壓為30kV時，氣體開關瞬間擊穿。采用美國Tektronic公司DP04054型數字熒光示波器和P6015A型高壓探頭對裝置輸出高壓納秒脈

14、沖波形進行測試。得到如圖8所示方波脈沖，脈沖幅值15kV、上升沿10嚙、半高寬脈寬200ns，脈沖波形穩定、無明顯毛刺，與理論輸出波形基本一致。遙馨脈寬,m圖8脈沖發生器輸出實測波形Fig.8Measuredwaveforlnofthepulsegenerator5誘導腫瘤細胞凋亡窗口參數選擇實驗研究納秒脈沖電場誘導腫瘤細胞凋亡機理是多參數（脈iiii|L:峠斗4總牛9H冃if.Aid!雷Mi哺也FOMB*94l*-V-.flM|f：MliHkBV#.T4.-!rH1片子科JI:kltnilr-AfIfri曲崛diiIrtIM口譽犧WiM“打騎1；I.tK.hIfVV1；Ml罰VP砂r*ra亡

15、珥：MkCJI-C-.IHO-IbmMpiiiMffigHAII.P-IJaiaAARai電l即ia-HVtHP-存屮/斗*iwiX中.rts.wjtrrFTHI駅rKHLKVAi4IHKRMRnirm槪出itn缶iwm!-p-trti.罰：T?乩翼卻孔,idKAiTFWCHU町vH*!1d+rLE!4T*Q血4審泗、rmenwH-HM-qiir.11.-Hnai|*r4K.*-n-軸甲議甲就対*J-.-R-JTH*EVKV1.3kiFfWaiF矗KU丘卻什鼻*丘Vlti4n.lr|iHi：TIM:*VKI*17klftniMIMVMIriM.jl53.Tflf*.心甲*E*L呻iilitP!

16、iMW片K更曹豊Zd丁IAH*3ii.見葺口申!jhl晅HAdHiibriUkrijAiniH.mmIHrHOW-M.JIUli!*hr*nhaH-iiF14*4i-PWKHaMSif-01iBttl*pHIJKTrfJ!.-!Wml-HItEI4|弗一*曹宴4UJifehB4|tt*：卿B4pl用EftH2-aF.RHIIP*t*+口0rtRtiL!tiipFTHB4Ir.jvvnHI；.adM-PinvBKHrirKvuii.日第5期姚陳果等：一種誘導腫瘤細胞凋亡的多參數可調高壓納秒脈沖發生器tionsPlasmalll3誘導細胞凋亡的窗口參數，為研究納秒脈沖電參考文獻1場誘導腫瘤細胞的凋

17、亡效應及其窗口參數選擇規律奠定了基礎。wdiEEE,22ANGQ.2包家立,梁文權,reseEEECrchnfeCenBUESCHERESceUularefflpulsesJ122440448.ctiontohig胡巧紅,等.mweel12PoweectmmaAlSrpu經皮給藥電穿孔儀的研制JT,ZHse.儀器儀表學報，2000,(01):6669.BAOtechnologyM.woTldScientific13MARTINMartinPress,1995.TH,GUENTHERAH,KRISTIANSENpIllsedM.JCJL,HANGWQ,HUQH,etakDevelopmentof

18、apparatusJournaloffortransdermaldrugScientificdeliveryonpowerM.NewYofk：PlenumelectroperationJ.Chinese(01):6669.3Press,1996.Instrument,2000,14萇凝凝，魯昌華，劉春.納秒級周期脈沖信號檢測方法的研究J.電子測量與儀器學報，2006,(4)：8689.CHANGNN,LUCHH,LIUlionmethodofofCH.Researchon姚陳果，孫才新，米彥，等.能量可控陡脈沖腫瘤治療儀的研制J.儀器儀表學報，2003,24(06)：636639.YAOCHG

19、,SUNCX,MIY,etal.DevelopmentofenergycontrollablesteeppulseapparatusfortumoroftreatdetecnanosecondperiodicpulsesignalJ.Meas皿ementJournalElectronicandInstrument,2006.(4):8689.15BEEBEpulsedSJ,FOXPM,RECLJ,eta1.NanosecondonmentJ.ChineseJournal2003,24(06)：636.639.ScientificInstrument,electricfield(nsPEF)ef

20、fectscellsandtissues：apoptosisinductionandtumorgrowthinhibitionU,CHENX,etal,Nanto4NUCCITELLIRoseeondpulsedL,PHQUETY【J.IEEETransactions(1)：286292.onPlasmaScience,2002,30electricfieldscausemelanomasandBiophysicalselfdestruetJ.BiochemicalResearchCom作者簡介姚陳果，2003年于重慶大學電氣工程學院獲得博士學位，現為重慶大學教授、博士生導師。主要從事生物醫學

21、的電工新技術研究。munications,2006：343351360.5SCHOENBACHKH.KATSUKIS,STARKRH.etal.Bioelectricsnew野J.IEEE(1)：293300.6applicationsforpulsedpowertechnoloonTransactionsPlasmaScience,2002,30E一mail：yaochenguoYaoChenguoColJeg|(1oiLlcctricalin2003.Heisa姚陳果,孫才新,米彥,等.陡脈沖不可逆性電擊穿治療腫瘤的研究J.高電壓技術，2007,33(2):713.YAOCHG,SUNCX

22、,MIY,etal.ExperimentalstudiesonkillingandinhibitingreceivedPhD.degreefromUniversity,China,inChongqingEngineering,ChongqingpwfesBanddoctofialcurrentsupervisoreffectsofsteeppulsedelectricVoltageUniversitynow.HisresearchworkincludesIl刪electricalitstreatmentfield(SPEF)totargetcancercellsJ.Hishengineerin

23、gtechniqueapparatus.inbiomedicalengineeringandEngneerng,2007,33(2)：713.7HAHNU.HERRMANNM.LEIPOLDF,etal.Nanoseof趙東陽,2006年于中國礦業大學獲得電氣工程學士學位,現為重慶大學電氣工程學院碩士研究生,主要從事脈沖功率技術及過電壓與接地研究。Email：20071 HYPERLINK mailto:102120.ca 102120.caZhaoDongyangc0nd，ki10V01tPu1segenerat0rsJDigestTechnica1PaPers,2001,2:1575157

24、8.8BEHRENDM:,KUTHIA,GUXY,eta1Pu1segenerat0rsf0rPu1sedandtissuesfE1ectrica1e1ectricfieldexPogure0fbi010gica1ce11s0nJ1IEEETransacti0nsDie1ectricsandreceiVedBSdegreeinensu1ati0n,2003,10(5):8208251ectrica1engineeringfromChinaUniVersity0fMiningandTechn010gy,China，in2006，hedegreeinC011ege0fE1ectrica1tyHis

25、researchisiscurrent1y9KOLBPu1sedJF,KONOS,SCHOENBACHKHNan0sec0nde1ectricfie1dgenerat0rsforthestudy0fsubce11u1arworkingtowardMSUniVersiEngineering,ChongqinghighV01tageeffectsJBiee1ectromagnetics92006271610CHANEYA,SUNDARARAJANRSimp1eMOSFETbasedf0cused0nPu1setechn010gy,and1ightningandearthing11ighV01tag

26、enanosecondPu1secircuitJIEEETramac萬方數據一種誘導腫瘤細胞凋亡的多參數可調高壓納秒脈沖發生器作者：作者單位：刊名：英文刊名：年，卷（期：被引用次數：姚陳果，趙東陽，王劍飛，王建，章錫明，YaoChenguo，ZhaoDongyang，WangJianfei，WangJian，ZhangXiming重慶大學輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室,重慶,400044儀器儀表學報CHINESEJOURNALOFSCIENTIFICINSTRUMENT2010，31（50次參考文獻（15條1.SCHOENBACHKH.BEEBESJ.BUESCHERESIntra

27、cellulareffectofultrashortelectricalpulses20012.包家立.梁文權.胡巧紅經皮給藥電穿孔儀的研制2000(13.姚陳果.孫才新.米彥.熊蘭.胡麗娜能量可控陡脈沖腫瘤治療儀的研制2003(64.NUCCITELLIRL.PHQUETYU.CHENXNanosecondpulsedelectricfieldscausemelanomastoself-destruct20065.SCHOENBACHKH.KATSUKIS.STARKRHBioelectrics-newapplicationsforpulsedpowertechnology2002(16.姚

28、陳果.孫才新.米彥.李成祥陡脈沖不可逆性電擊穿治療腫瘤的研究2007(27.HAHNU.HERRMANNM.LEIPOLDFNanosecond,kilovoltpulsegenerators20018.BEHRENDM.KUTHIA.GUXYPulsegeneratorsforpulsedelectricfieldexposureofbiologicalcellsandtissues2003(59.KOLBJF.KONOS.SCHOENBACHKHNanosecondpulsedelectricfieldgeneratorsforthestudyofsubcellulareffects200

29、610.CHANEYA.SUNDARARMANRSimpleMOSFET-basedhigh-voltagenanosecondpulsecircuit2004(511.SUNKAMRK.SELMICRR.HAYNIEDTSolid-slatenanopulsegenerator:applicationinultra-widebandbioeffectsresearch200412.PAIST.ZHANGQIntroductiontohighpowerpulsetechnology199513.MARTINTH.GUENTHERAH.KRISTIANSENMJCMartinonpulsedpo

30、wer199614.萇凝凝.魯昌華.劉春納秒級周期脈沖信號檢測方法的研究2006(415.BEEBESJ.FOXPM.RECLJNanosecondpulsedelectricfield(nsPEFeffectsoncellsandtissues:apoptosisinductionandtumorgrowthinhibition2002(1相似文獻(2條1.期刊論文胥飛.肖登明.XUFei.XIAODengming脈沖電場對細胞作用的模型分析和實驗研究-高電壓技術2006,32(6根據細胞結構及其電學參數提出了電阻電容電路模型模擬電場對細胞的作用,并利用該模型解釋了實驗研究中不同斜率的斜坡電

31、場作用后,細胞死亡特性的差異現象.還利用該模型分析了特定斜率的斜坡電場對腫瘤細胞的選擇性作用.結果表明由于亞性細胞其線粒體膜上的跨膜電壓上升較正黨細胞為快,而其細膩膜上的跨膜電壓上升則較慢,說明這種選擇性是存在的.2.學位論文米彥納秒脈沖電場誘導腫瘤凋亡的窗口效應與實驗研究2009惡性腫瘤嚴重威脅人類生命健康，傳統的治療手段由于受其適應癥、禁忌癥和副作用等因素的限制，對惡性腫瘤的療效仍不夠理想。傳統腫瘤治療方法的機理在于殺傷腫瘤細胞并抑制其生長與增殖，因而只能延緩腫瘤的進展，不能達到治愈的目的。而誘導腫瘤細胞凋亡能使腫瘤組織縮小甚至消失，并減少對正常細胞的損害和治療過程中的不良反應，因此，研究誘導腫瘤細胞凋亡