基于移相全桥的射频消融信号发生系统设计*

邹金成,张爱丽

(上海交通大学 生物医学工程学院,上海 200030)

0 引言

射频消融利用高频电流流经组织时,诱导组织内带电粒子的往复运动摩擦产热,提高局部组织温度,实现热疗效果[1-3]。该治疗方法由于热物理能量的高可控性,热作用的可逆性及低副作用,在临床上被广泛用于各种良性与恶性疾病、运动损伤、组织重塑等的治疗[4-8]。

研究者们对典型热消融治疗方式的相关研究发现,精确地控制射频治疗能量输出,实现射频治疗区域的精准可控[9-10],能进一步提高治疗效果。通过实时控制射频治疗过程中的阻抗与温度分布,可解决组织在射频治疗过程中的碳化脱水问题[11];通过精准温热控制,可增强干扰素的合成和抗增值活动,提高机体的免疫监视功能[12-13],还能诱导热激蛋白(HSP70)的合成、活化天然免疫细胞、促进趋化因子和血管粘附分子表达,提高机体抗肿瘤免疫力[14-16];控制高温消融术的温度,能够促使体内产生凝固性坏死的炎症反应,引起免疫反应[17];采用多模态射频消融术精准控制肿瘤细胞消融过程的温度,可促使细胞破碎,使得具有活性的肿瘤抗原充分保留,有效激发机体天然的免疫与适应性细胞免疫,抑制肿瘤的复发和转移[18-20]。因此,要实现上述射频能量的精准热疗控制,提高射频的临床治疗效率,射频能量输出设备需具有快速射频消融信号的响应输出能力,才能实现射频治疗过程中对射频能量及消融过程中组织温度的实时精准控制,提高射频能量消融的治疗效果。

目前,医用射频设备一般包括开关电源、射频功放、主控模块等部分,设备在主控模块控制下由开关电源提供直流信号,再由射频功率放大器将直流信号转化成射频消融功率,并通过调节开关电源的输出电压,调节射频电压与射频功率的输出[21-22]。然而,由于开关电源的局限性,响应速度都在10 ms以上,很难实现调节的快速响应,导致射频信号的输出延迟,难以真正达到射频消融能量的快速精准控制。为解决上述问题,本研究提出了移相控制的射频消融信号系统设计方案,通过控制移相信号的相位差,实现射频电压与射频功率的快速响应控制,并通过设置调节系统的额定阻抗,控制射频宽阻抗范围的输出,满足不同临床组织射频消融的需求。

1 系统工作原理及体系架构

1.1 全桥移相控制工作原理

全桥移相控制原理图见图1(a),通过改变图中左右两边开关管栅极-源极电压(即VGS1、VGS2与VGS3、VGS4)的相移Δψ,控制开关管输出信号正负电压的占空比,控制输出电压、输出电流和输出功率,同时保持工作频率f不变,其工作频率即为谐振频f0。

图1 全桥移相控制电路工作原理

全桥移相控制工作电压波形图见图1(b),开关管S1和S3导通,S2和S4断开,谐振电路两端的电压u=0,之后S1和S4导通,S2和S3断开,谐振两端的电压u=VI,S1和S3断开,S2和S4导通,谐振两端的电压u=0,最后,S1和S4断开,S2和S3导通,谐振电路两端的电压u=-VI。因此,谐振电路两端的电压u的正脉冲或负脉冲宽度的占空比D满足式(1):

(1)

将波形图中谐振电路两端电压u的波形进行傅里叶级数展开,由方波的傅里叶级数可知,电压u的偶次波都为零,奇次波的振幅为:

(2)

再经过谐振电路后,更高频的谐波分量被充当带通滤波器的谐振电路衰减。由式(1)、式(2)可得电压u的基波分量幅值Vm为:

(3)

1.2 系统工作原理

为实现调节相移Δψ和射频输出功率的快速调节,本研究采用UCC3895作为移相控制芯片,通过DAC控制UCC3895的PWM输出占空比的误差放大器,控制相移,调节射频输出功率。因此,系统电路包括:全桥移相控制电路,射频功率放大电路、显示控制电路、射频参数采集电路、显示控制电路和微处理器模块。工作过程中,系统通过显示控制模块设置治疗参数,传输到微处理器模块,微处理器模块控制全桥移相电路输出波形的相移,从而控制射频功放电路输出功率的大小,同时射频参数采集电路实时采集治疗参数,反馈到微处理模块,用于实时调整射频输出,实现稳定的射频功率输出。系统工作原理框图见图2。

图2 系统结构框图

2 系统的硬件设计

2.1 全桥移相射频功率放大电路

本研究的射频功率放大电路采用全桥D类功率放大电路。为适应不同组织的消融需求,在宽阻抗范围内输出足够功率射频信号,射频功率放大电路的额定阻抗设定为300 Ω,工作频率为435 kHz,输出功率为0～120 W可调,电路包括全桥移相控制电路、LC串联谐振电路、阻抗匹配电路、隔离输出电路,见图3。工作时,输入电压VI经过扼流圈L1后,通过全桥移项控制输出一定脉宽、幅值为±VI的脉冲电压,再通过LC串联谐振电路滤波选频后,传输到阻抗匹配网络产生正弦波的射频消融信号,经隔离变压器隔离输出,其中阻抗匹配网络主要由电容C1和隔离变压器构成,本研究中隔离变压器的原副线圈比为1∶3。

图3 全桥移相D类功率放大电路

2.2 UCC3895移相控制电路

本研究选用TI公司推出的UCC3895主控芯片作为移相控制射频功率控制器。其内部结构主要由UCC3895控制芯片、斜坡补偿电路、时钟与锯齿波形成电路、测量电路、隔离驱动电路等组成。控制系统采用电压、电流双闭环控制,其外围控制电路见图4。

图4 UCC3895移相控制电路

UCC3895的时钟信号由芯片内部产生,工作频率由CT和RT值决定,具体计算公式为:

(4)

在工作过程中,为实现开关过程中开关管的过流保护,采用UCC3895自带的死区延时,设置输出延时时间,其中,DELAB设置OUTA与OUTB的输出延时,DELCD设置OUTC和OUTD的输出延时,具体参照式(5)来调节:

(5)

其中:

VDEL=0.75×(VCS-VADS)+0.5V

(6)

本研究设计的射频工作频率为435 kHz,设置固定输出PWM占空比为37.5%,因此,通过式(4)可得CT=330 PF,即图4中电容C57的值;RT=22.6 kΩ,即图4中电阻R89的值,由式(5)、式(6)可得图4中延迟电阻R91和R95均为4.7 kΩ。

UCC3895移相控制电路见图4,通过DAC控制误差放大器EAP的输入电压,控制输出的四路PWM信号的相位差,将PWM信号放大后,经隔离变压器分别控制全桥电路中的四个开关管的工作。

2.3 微处理器控制模块

本研究中微处理器控制模块主要功能包括:实现DAC控制移相控制电路输出PWM信号的相移;高精度ADC实现射频信号的实时采集;实时时钟控制系统的工作与控制算法的实现等。主控制器选用意法半导体公司的STM32F407片上系统,该器件集成了专用浮点运算的处理器和数字信号处理器,能实现高速采集计算。

本设计利用微处理器模块的串口与触控显示屏进行通信,设置系统的工作参数,同时显示射频消融过程中的实时数据;采用IO口控制UCC3895移相器的工作性能,并采用DAC控制移相控制电路输出的4路PWM信号相移,控制射频输出功率;同时使用ADC实时采集射频消融参数,反馈到微处理器;利用微处理的运算处理功能实现全桥移相射频消融系统输出功率的精准控制。

3 系统测试

3.1 移相控制射频信号测试

将射频输出接入高频电刀分析仪(福禄克QA-ESⅢ),以提供300 Ω的额定负载并测量射频输出功率。将示波器(是德科技DSOX4024A)的探头1连接到移相控制器UCC3895的PWM输出OUTA,探头2连接到移相控制器UCC3895的PWM输出OUTC,比较两路PWM信号的时间差ΔT,再利用式(7)计算图1(b)中的相位差Δψ,探头4的差分高压隔离探头(普源RP1100D)连接到射频输出,采集射频输出信号。

Δψ=(180-360×ΔT×435×103)°

(7)

分别设置移相控制的DAC为1、1.5、2、2.5、3、3.2 V,测量各控制电压下的OUTA与OUTC的时间差,即移相时间ΔT,计算相位差Δψ,同时记录射频输出功率,测试结果见表1。其中,DAC为3.2 V时,移相控制信号与射频输出信号见图5。其中,黄色曲线为移相控制信号OUTA,绿色曲线为移相控制信号OUTC,红色曲线为对应控制输出的射频信号,X2与X1的间隔为控制信号OUTA与OUTC之间的时间差。

表1 DAC控制射频功率输出

图5 移项控制信号与射频输出信号

3.2 控制响应速度测试

在射频消融过程中,需实时快速调控射频信号的输出,才能实时控制射频能量,调节射频消融过程中的组织温度,实现精准射频消融,这要求系统产生的射频信号具备快速响应能力。

在实验中,将射频输出接入高频电刀分析仪的300 Ω负载上,差分高压隔离探头连接到射频输出两端,接入示波器通道4,同时将示波器的通道1探头接入移相控制电路的DAC输入端,分别控制DAC值为1.6、2.2、2.8、3 V,10 ms控制修改一次DAC值,测量射频输出响应。图6中,红色线为移相控制DAC,绿色区域为输出射频电压信号。由图6可知,控制信号与输出响应几乎同时上升,且从DAC输出到射频输出稳定时间均小于200 μs。对比测试采用雅特生UMP04S-S2Y-ILL-00开关电源设计的射频消融系统的射频输出响应,UMP04S-S2Y-ILL-00电源采用0～5 V输入线性控制电源,0～60 V输出调控射频电压,测试时将控制信号从1 V升至3 V时的射频响应,见图7。其中,黄线为控制DAC信号,绿色区域为输出射频电压信号,射频响应时间约为9 ms,说明本研究设计的系统具有较快的响应速率。

图6 射频输出的响应速度

3.3 系统全功率曲线测试

系统的全功率曲线是衡量射频消融系统带载能力的重要参数,为不同负载组织下能输出的最大射频功率。由于不同组织、不同部位表现的电阻抗特性不同,因此,为验证系统在不同电阻抗特性下,具备一定的射频输出功率,测试过程中,将射频输出接入高频电刀分析仪,将移相控制DAC设置3.2 V,改变高频电刀分析仪的负载阻抗,系统输出的全功率曲线见图8。系统在负载阻抗为20～2 000 Ω的范围内输出的最大射频功率不小于40 W,说明本设计研发的射频消融系统具有较强的带载工作能力。

图8 系统全功率负载特性曲线

3.4 射频功率的测试

将系统的输出接入到高频电刀分析仪的输入,分别测量阻抗在50、300、500、2 000 Ω时的10～120 W的实际射频功率输出,设置间隔为10 W。各阻抗下的实际输出功率见图9(a)。其中,50、300、500、2 000 Ω阻抗下的最大输出分别为54.6、120.0、107.0和40.5 W。额定阻抗下,实际输出功率误差见图9(b),输出功率误差均小于3%,远低于国家标准[23]规定的20%射频输出功率误差。

图9 射频功率测试结果

4 结论

本研究基于全桥移相控制与D类射频功率放大器的基本原理,提出了基于DAC控制全桥移相射频消融信号发生系统的设计方案,研制了435 kHz射频消融信号发生系统。通过实验验证了DAC控制移相,调整射频输出电压,进而控制射频功率的可行性;测试了系统响应速率、全功率曲线与实际输出功率,结果表明,系统能够实现微秒级的快速控制射频输出响应,并能实现在20～2 000 Ω阻抗范围内输出功率不小于40 W,额定阻抗下功率输出误差小于3%,最大功率为120 W的射频消融信号,证明本研究系统具有较精准的控制能力与较强的带载能力。