体外心脏震波产生和触发系统的设计

体外心脏震波产生和触发系统的设计
张晔;尹亮;祁欣
【摘要】本文主要研究体外震波治疗冠心病系统的震波源换能器及触发电路系统的结构与设计。

震波源换能器主要由圆柱型电感线圈、金属膜及反射杯组成，实现冲击波的产生与聚焦。

触发电路系统主要包括高压升压模块、升压控制模块、储能电容阵列、高压开关模块、充电计数模块和混合信号处理模块。

经实验测量，触发系统可输出频率、幅值稳定的高压脉冲，安全可靠；高压脉冲接入震波换能器实现电能经电磁方式转换为机械能，发射低能量、窄脉宽、高压强的冲击波。

%This article introduces the placing signage of the extracorporeal cardiac shock wave source transducer and the trigger system of high voltage. The shock wave source transducer composed by cylinder coil, metal iflm and relfection cup which can generate and focus the shock waves. High voltage trigger system includes: high voltage booster module, voltage control module, energy storage capacitor array, high voltage switch module, charging counting module and mixed signal processing module. The shock wave trigger system can output high voltage pulse whose frequency and amplitude is stable. When the shock wave source sensor receive the high voltage pulse, it can complete the conversion from electric energy to mechanical energy, and emission low energy, narrow pulse width and high pressure shock wave.
【期刊名称】《现代仪器与医疗》
【年(卷),期】2015(000)001
【总页数】4页(P5-8)
【关键词】冠心病;冲击波;高压储能
【作者】张晔;尹亮;祁欣
【作者单位】北京化工大学理学院，环境有害化学物质分析北京市重点实验室，北京 100029;北京化工大学理学院，环境有害化学物质分析北京市重点实验室，北
京 100029;北京化工大学理学院，环境有害化学物质分析北京市重点实验室，北
京 100029
【正文语种】中文
【中图分类】TH789
目前，冠心病(Coronary Artery Disease,CAD)已严重危害了人们生命健康，除药物疗法外，较为理想的治疗方法就是冠状旁路移植术和经皮冠状动脉介入治疗[1]。

低能量的体外震波治疗冠心病（Extracorporeal Cardiac Shock Wave Therapy，ECSWT）可促进血管再生，成为冠心病治疗领域的新型无创治疗法。

2003年瑞士STORZ MEDICAL 公司研制出全球第一台体外心脏震波治疗仪MODLITH SLC[3]。

2010年Kikuchi等[4]对难治性冠心病患者进行震波治疗，证实CSWT可缓解终末期冠心病患者症状。

在国内，郑志远、陶四明等[5-6]通过临床研究发现ECSWT可促进心肌内微血管的修复再生，促进侧支循环形成。

国内对体外震波治疗冠心病系统的研究较少。

本文主要研究体外震波治疗源换能器的结构设计及触发系统的电路设计。

利用高压电路系统为电容阵列充电，经过LC振荡系统将电能通过电磁方式转换为机械能，由电感线圈与金属膜的电磁感应产生低能量高频冲击波。

实验证明，设计的震波源换能器及触发系统可产生周期稳定、低能量、窄脉宽的震波。

冠脉血流通路的形成是治疗冠心病的关键，体外低能量震波冲击心肌缺血的部位，由于冲击波对治疗部位的机械剪切力和空化作用[3]，可诱导血管内皮细胞生长因
子（Vascular Endothelial GrowthFactor，VEGF）和基底成纤维细胞生长因子（Basal Fibroblast Growth Factor,BFGF）的增加，促使新毛细血管再生[7]，增强冠状血管生成，改善心肌缺血的症状，如图1所示。

震波治疗冠心病使用一种低能量、窄脉宽的脉冲声波，能量仅为震波碎石治疗能量的1 /10，大小为2～7J，在人体组织中传播时衰减小、切应力小、穿透力强，能稳定的到达治疗区域，同时也不会对人体其他组织造成大的损伤。

体外震波系统的总体框图如图2所示；主要包括以下几个部分：震波源换能器；触发电路系统；
控制主机；B超定位；心电监护系统；水循环系统。

根据震波总系统，本文主要设计和研究震波源换能器及其触发电路系统。

电磁式震波源的原理是利用高频线圈与金属膜的电磁感应现象产生脉冲冲击波[8]。

本文设计的震波源，为圆筒式，利用反射杯将能量聚焦于病变区域。

如图3所示，在震波源中心，为圆柱状的中空的绝缘支架，上绕制高频电磁线圈，外层为金属膜。

当线圈通入高压脉冲时，由于电磁感应原理，在金属膜中会产生反向的感应电流，从而产生排斥力，使金属膜迅速膨胀，产生冲击波；波源外围为抛物面形反射杯，冲击波通过介质传播，经反射杯内表面反射聚焦在治疗靶区。

震波的治疗深度为
15cm，反射体曲面由抛物线y=583χ2旋转得到，结构如图4所示:
3.1 触发电路系统的整体框
为产生冲击波，需对高频线圈加高压脉冲信号，将电能转换为机械能，采用高压储能电容，与高频线圈组成LC振荡电路，实现能量转换。

系统框图如图5所示。

触发电路系统包括以下几个部分：高压升压模块、储能电
容阵列、充电控制模块、充电计数模块、高压开关模块、混合信号处理模块等几部分组成[9]。

3.2 高压升压模块
高压升压模块主要基于SG3525A芯片和变压器将低压直流信号转换为千伏级高压直流输出。

升压模块电路图如图6所示。

SG3525A是PWM控制器基准电压源输出的芯片，精度可以达到（5.1±1）%V，设有过流保护电路，可将低压直流信号转化为交流信号作为变压器的初级输入[10]。

CT，RT，Discharge内有一个双门限比较器和电容充放电电路，外接的电阻RT、RD和电容CT电路共同构成SG3525A的振荡器，振荡周期为:
Output B输出频率为1/T的方波信号，低压端使用直流电源供电12V，Output
B输出信号通入MOSFET管，控制其导通关断，作为变压器初级交流信号输入，
经高压变压器升压，次级产生交流高压，在高压端并联高压取样电阻，可调节高压输出。

SG3525A的Inv. Input作为反馈信号输入端，起过流保护作用，由于电路系统涉及高压信号，为保证电路安全，加光电耦合器进行隔离将反馈信号与
SG3525A芯片进行隔离。

3.3 储能电容阵列
本系统选用电容阵列作为储能模块，使电容与震波源的高频线圈构成LC振荡电路，完成电能与磁能之间的能量转换。

为提高电容耐压、方便电容值的改变和安全考虑，不直接选择高压大电容，而制作电容阵列，如图7所示。

制作电容阵列，选用20只200nF/4kV的无极性电容先并联、再串联的模式，每
只电容同时并联一个1MΩ的电阻释放残余电荷，电容阵列的基座和固定装置使用抗高压、耐高温的尼龙材料，等效得到一个1μF的无极电容，此时电容两端耐压
可达到8kV，电压调节范围宽；电容大小可直接通过给电容组串联或并联新的电
容组即可。

3.4 充电控制模块
储能电容充电完成即要断开充电电路，此时就需要控制模块实时监控电容两端电压
值。

控制模块主要由STC11F01单片机、发光二极管组成。

首先在电容两端并联
高压取样电阻，调整取样电阻阻值，控制取样电压值小于初始设置值；作为
STC11F01的输入信号，随着充电电压的升高，依次点亮充电二极管；当取样电压达到预设值，10盏发光二极管全亮，电容充电完成，此时STC11F01输出高电平信号给混合信号处理模块。

控制模块电路图如图8所示。

3.5 充电计数模块
充电过程中，每当完成一次充电周期，控制模块输出一个低电平信号给计数模块，通过CD4011芯片控制数码管的变化，显示充电数目。

3.6 高压开关模块
电容充电完成，断开充电回路，闭合高压开关。

选用CRSSHV12V真空高压继电
器作为LC回路的开关器件。

当混合信号处理模块接收到充电完成的信号，启动放电程序，89C52单片机P2.2口输出脉宽为3ms的脉冲信号，三极管8050导通，高压继电器吸合，导通放电回路，构成LC振荡回路，电能经电磁方式转换为机械能释放，图9为高压开关电路。

3.7 混合信号处理单片机
混合信号处理器选用低功耗、高性能CMOS8位微控制器STC89C52单片机。

STC89C52作为电路系统的混合信号处理模块，其中P2.0作为充电取样信号输入端口；P2.1为充电回路关断输出脚；P2.2为放电回路脉冲信号输出脚。

充电完成后，控制电路拉高P2.0端口电压，此时单片机由P2.1口输出高电平接入SG3525的Shutdown启动芯片中断，断开充电回路，同时启动P2.2口输出3ms脉冲信
号闭合放电回路，放电结束后，重新拉低P2.1和P2.2口电位，启动充电电路。

软件采用编程语言为C语言，平台为IAR Embedded Workbench，运用模块化
编程方法。

基于心脏搏动的周期性特点，震波治疗的冲击波周期应与心脏搏动周期相匹配[11]，
在心脏间歇期进行震波治疗。

触发电路系统发射能量频率应在1Hz左右，电容阵列充电完成之后，产生一个微秒级别的放电脉冲。

选用TDS210型示波器测试高压充电周期，如图10所示：
由图10可以看出，触发电路系统的周期频率为1Hz左右，每秒完成一次充电周期，产生一个脉宽为3ms放电信号控制LC振荡回路的关断，放电周期性稳定，冲击波脉冲宽度达到放电精度要求。

高压输出值为2575V,电容阵列容量为1μF，此时电容储能:
在震波治疗冠心病能量2～7J范围之内，产生冲击波上升沿为0.7μs左右，半高宽为1.8μs。

本文利用LC振荡回路的能量转换及电磁感应原理完成体外震波源换能器的设计；基于变压器及储能电容阵列产生脉冲高压，完成震波源触发电路系统的设计。

通过实验测量，震波源触发系统可达到设计要求，触发系统能够稳定输出频率为1Hz、脉宽为3ms的高压脉冲；震波源换能器可实现电能-机械能的高速转化，产生脉宽为1.8μs、能量可控的冲击波。

【相关文献】
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[11] Franca Di Meglio, Daria Nurzynska, Clotilde Castaldo. Cardiac Shock Wave Therapy: Assessment of Safety and New Insights into Mechanisms of Tissue Regeneration[J]. Journal of Cellular and Molecular Medicine. 2012, 16(4): 936-942.。