高频纳秒脉冲串作用下活体兔肌肉收缩剂量效应研究

为探究不同参数高频纳秒脉冲串作用下动物肌肉收缩的剂量效应,研究了不同电场强度(1 kV/cm、4 kV/cm和8 kV/cm)、串内频率(10 kHz、100 kHz和1 MHz)和串内脉冲个数(1个、10个和100个)的10串单极性高频纳秒脉冲串对活体兔肌肉收缩的影响。将不同参数组合的高频纳秒脉冲串通过平板电极施加至新西兰大白兔大腿股二头肌表面皮肤处,采用贴敷于该肌肉表面皮肤上的三轴加速度传感器测得的加速度信号来评估肌肉收缩的强度。对合加速度模值信号的时域和频域分析结果表明,随着脉冲串各参数强度的增加,信号峰值也会增加,但信号频谱分布均相似,主要分布在60 Hz以下。对实验结果进行多元非线性回归分析发现,信号峰值可以表示成3参数的函数关系,进而说明当施加的脉冲串内频率相对较低时,适当增加串内脉冲个数不会引起肌肉收缩强度的大幅增加;然而当施加的脉冲串内频率相对较高时,串内脉冲个数应该尽量减少以尽可能限制肌肉收缩强度。     

基于模块化多电平换流器的模块化前后沿可调高压纳秒脉冲发生器的研制

为了研究高压纳秒脉冲的前后沿时间对于离体肿瘤细胞杀伤效果的影响,需要一种能够产生前后沿可调高压纳秒脉冲的发生器。提出了一种基于半桥型模块化多电平换流器(HB-MMC)结构的新型发生器拓扑结构,通过HB-MMC子模块的级联构成2组桥臂,以产生任意极性的高压纳秒脉冲方波;采用MOSFET作为固态开关,并通过控制MOSFET的开关时序,改变导通和关断延迟时间来改变输出脉冲的前后沿。该文首先对提出的发生器拓扑结构以及工作原理进行了详细的介绍;然后采用PSpice仿真软件进行仿真验证,证实了该拓扑结构的正确性与可行性;最后研制了一台5级的脉冲发生器并进行性能测试。测试结果表明,该发生器能够输出幅值0～±4kV可调、脉宽100～500ns可调、频率0～5kHz可调的方波脉冲,且脉冲的上升沿能在15～65ns范围内平滑调节,脉冲的下降沿能在30～100ns范围内平滑调节。     

基于磁脉冲压缩的DBD高频双极性纳秒脉冲发生器的设计及其放电特性

作为高压高重复频率脉冲电压发生器的开关器件,磁开关的耐压、通流能力以及寿命远高于半导体开关,因而适用作为介质阻挡放电(DBD)激励电源的开关。为研究双极性高频下DBD等离子体放电特性,提出高频双极性磁脉冲压缩系统。首先,阐释通过全桥逆变电路、脉冲变压器和磁开关产生双极性脉冲的原理,并叙述该系统关键器件的设计;其次,利用PSpice仿真软件研究电路关键参数对输出波形的影响规律,测试电阻性负载电压波形,并与仿真结果进行对比分析。测试结果表明,通过双极性磁脉冲压缩系统,能够在负载两端输出的纳秒脉冲电压具有以下参数:幅值在5~13k V可调,上升沿100ns左右,重复频率可高至几千Hz。最后,针对高频双极性下的放电现象进行研究,结合DBD放电模型和放电图片探索高频双极性脉冲电压下放电特性与频率的关系,充实了高频放电理论研究。     

高频纳秒脉冲串对皮肤癌细胞的杀伤效果实验研究

为了克服目前脉冲电场治疗肿瘤所存在的不足,研究了高频ns脉冲串对人体黑色素瘤细胞A375即皮肤癌细胞的杀伤效应,通过改变电场强度、脉冲宽度、脉冲串内重复频率、脉冲串内脉冲个数等参数,分析了不同参数的高频ns脉冲串作用时细胞凋亡率和细胞坏死率的规律。研究结果表明：细胞坏死率随着脉冲串内重复频率的升高而增加,细胞凋亡率则是随着脉冲串内重复频率的升高而降低,因而在借鉴调制技术时,脉冲串内重复频率不宜太高;脉冲串内高电平持续时间相同时,脉冲宽度较大的脉冲所引起的细胞凋亡率和细胞坏死率比脉冲宽度较小的脉冲高,并且其细胞凋亡率之差随着电场强度的增加而减小,细胞坏死率之差随着电场强度的增加而呈现先增大后减小的趋势,因此在电场强度较高时,为了更好地平衡ns效应和μs效应,可以适当降低脉冲宽度并同时增加脉冲串内脉冲个数;另外,细胞悬液阻抗比可以作为反映细胞坏死率的参数,细胞坏死率与细胞悬液阻抗比降低率成正比。这些研究结果为后续高频ns脉冲串的类似应用提供了参考。     

基于Blumlein和TLT的模块化全固态纳秒脉冲发生器

为了研究高频纳秒脉冲电场治疗肿瘤的生物医学效应,需要一种能产生高频纳秒脉冲的紧凑型脉冲电场发生器。结合Blumlein脉冲形成线和传输线变压器(TLT)提出了一种新的模块化设计的高频纳秒脉冲发生器结构,发生器可以使用更少的开关数输出电压、频率可调的高频纳秒方波脉冲。对单级和多级发生器在阻抗匹配时的脉冲形成过程进行了理论分析,并分析了多级发生器在阻抗不匹配时负载波形的变化;使用微带线设计Blumlein脉冲形成线,介绍了微带线的设计过程,同时介绍了传输线变压器的设计以及固态开关的控制策略;研制了一台小型发生器对提出的拓扑结构进行验证。最后,三级发生器在匹配负载(300Ω)上,可以输出幅值0~3 kV可调,脉宽100 ns,重复频率0~10 kHz可调的高频纳秒脉冲。