[发明专利]一种基于DSP+CPLD架构的高压电脉冲肿瘤治疗仪控制器

说明书

本发明提出了一种基于DSP+CPLD架构的高压电脉冲肿瘤治疗仪控制器，属于外科手术机器人技术领域。控制器顶层采用DSP28335作为主控制单元，负责控制整个治疗的流程，CPLD作为辅助控制单元，负责扩展DSP的IO接口，同时其内部逻辑可以产生脉冲宽度、脉冲频率和脉冲个数均可调的驱动脉冲。底层包括模拟信号输出、模拟信号输入、数字信号输入和数字信号输出接口电路，所有电路均采用电气隔离。光电耦合器件两侧使用不同电源供电，数字电路和模拟电路供电电源之间通过电感抑制噪声串扰。具备以上模块的控制器满足了被控对象对于多种输入输出信号的需求，并且具有很强的抗干扰能力。

技术领域

本发明属于外科手术机器人技术领域，具体涉及一种基于DSP+CPLD架构的高压电脉冲肿瘤治疗仪的控制器。

背景技术

高压电脉冲肿瘤治疗仪一种新型癌症治疗仪器，高压电脉冲消融也称“纳米刀”，通过向病灶区域释放高压电脉冲诱导细胞发生不可逆电穿孔凋亡而实现肿瘤的灭活处理，其具有热损伤小，治疗周期短的优势，成为治愈癌症的重大希望之一。目前研究中使用的高压电脉冲肿瘤治疗仪通常采用电容组作为储能设备，IGBT作为脉冲发生单元的高压开关，同时可能会引入继电器等其他隔离开关。治疗过程中，治疗仪状态以及电流电压也需要反馈给控制器。

高压电脉冲治疗仪工作过程中要求多种控制信号，又要满足脉冲能量可控，即脉冲宽度，脉冲频率和脉冲幅值可控。同时，治疗仪的状态和电流电压等信息也需反馈到控制。基于以上要求，控制器需要具备多种信号输入和输出功能，包括数字电平信号，数字脉冲信号，模拟信号，其中数字脉冲信号应具有脉冲个数，脉冲频率和脉冲宽度可控的特点。

控制器是高压脉冲治疗仪重要组成部分，控制器结构和功能上应满足以下要求：①稳定性：控制器需稳定发送高压脉冲肿瘤治疗仪需要的控制信号，决不能出现脉冲驱动信号脉宽超限，脉冲个数增多，隔离开关失控等情况；②安全性：具有良好的故障处理功能，一旦治疗仪出现故障，立刻封锁脉冲输出；③抗干扰性：抑制治疗仪高频噪声进入控制器；④准确性：准确的控制治疗仪高压幅值并准确接收治疗仪反馈的电流电压值。

现有的一些高压脉冲治疗仪控制方案中，完全使用硬件电路实现控制过程，使用555定时器作为核心器件，通过调整外围电路中的电阻电容值实现脉宽和频率调节。但是，阻值和容值的不连续性势必影响调节的范围，结果只能得到几个离散的固定的输出脉宽和频率。

中国专利CN107809222A提供了一种产生脉冲信号的方法。使用LM555定时器构成一个固定频率单次脉冲发生电路或者重频脉冲发生电路，电路的输出端接到CD4098芯片的输入端，在CD4098芯片的外围电路中设有可变电阻，通过调节该可变电阻，可调节脉冲信号的脉宽。脉宽问题解决了，但脉冲个数无法限定。

高压电脉冲治疗应该具备良好的故障处理功能，设备工作过程中应该时刻监控并反馈高压开关的工作状态，以及电路的电流电压信息。紧急的故障处理功能要求控制器具备相应反馈信号的预留接口。

中国专利CN102882493B提供了一种脉冲发生器的控制方案，其使用FPGA模块作为脉冲发生的控制器，但控制器单向向脉冲发生器发送控制序列，却没有接收反馈。一旦脉冲发生器发生故障，系统可能立刻失控。

中国专利CN202548609提供了一种控制器整体架构方案和模拟输出以及模拟检测方案，其通过使用ARM作为控制台架构，通过外部数模转化芯片(DAC)控制模拟量输出，通过外部模数转化芯片(ADC)转化反馈的模拟量，这种方案在高压强干扰环境中极不稳定，ADC和DAC非常容易出现故障导致系统停止工作。

高压电脉冲治疗的治疗环境决定了控制器将工作在一个具有极大噪声干扰环境中，一些现有方案中直接将控制部分和高压电脉冲发生部分融合在一起的方案也不利于设备的稳定工作。将控制器独立单独作为一个模块，能够极大地减小高压环境中辐射的噪声。对于控制信号和反馈信号的通路，引入电气隔离模块能减小通过线路传输的噪声。

发明内容