實(shí)戰(zhàn)分享:腫瘤電場治療硬件設(shè)計(jì)方案
背景概述
惡性腫瘤一直是困擾人類健康的公共衛(wèi)生問題,腫瘤電場治療是當(dāng)前醫(yī)療市場上熱門的一種創(chuàng)新技術(shù)。這種技術(shù)是通過穿戴設(shè)備,對目標(biāo)位置腫瘤發(fā)出低強(qiáng)度交變電場來干擾癌細(xì)胞,讓它們發(fā)生紊亂,無法正常分裂增殖,從而實(shí)現(xiàn)抗癌效果。該療法有著非常好的耐受性,絕大部分副作用為輕度皮膚刺激。根據(jù)在2023年ASCO年會上發(fā)布的數(shù)據(jù),來自LUNAR試驗(yàn)(NCT02973789)的結(jié)果顯示,在轉(zhuǎn)移性非小細(xì)胞肺癌(NSCLC)患者中,相比單獨(dú)使用標(biāo)準(zhǔn)治療,將腫瘤電場治療與肺癌標(biāo)準(zhǔn)治療中的免疫療法或化療相結(jié)合,可以提高患者總生存率,降低死亡風(fēng)險。
方案介紹
本次技術(shù)型授權(quán)代理商Excelpoint世健邀請了來自專業(yè)醫(yī)療領(lǐng)域企業(yè)的工程師黃工跟大家分享實(shí)戰(zhàn)案例。該公司是世健公司多年的客戶,主要從事醫(yī)療器械的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售,而黃工有著資深的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)。本文中提到的腫瘤電場治療儀主要由生理信號檢測系統(tǒng)、電場刺激發(fā)放系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)組成。該治療儀具有高精度、高準(zhǔn)確度等優(yōu)點(diǎn),黃工及團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)中運(yùn)用到了多個ADI產(chǎn)品。該儀器電場刺激發(fā)放系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案如圖一所示。
圖一 電場刺激發(fā)放系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案
電場刺激發(fā)放中,DDS的選取為ADI的AD9837,這是一款低功耗、可編程波形發(fā)生器,可產(chǎn)生正弦波、三角波和方波輸出;輸出頻率和相位可通過軟件進(jìn)行編程,調(diào)整簡單。黃工表示,選擇該芯片最重要的一個原因是該產(chǎn)品的分辨率高,當(dāng)時鐘速率為5MHz時,可實(shí)現(xiàn)0.02Hz的分辨率。
圖二 AD9837內(nèi)部架構(gòu)
橢圓濾波器的選擇為ADI LTC1560-1,該濾波器是一款5階、連續(xù)時間、低通濾波器;截止頻率可通過引腳選擇為500KHz或1Mhz。與其他高頻濾波器不同,LTC1560-1是專門實(shí)現(xiàn)低噪聲和低失真而設(shè)計(jì)的。對于一個1Vrms輸入信號,信噪比為69db,THD為-63dB。
圖三 LTC1560-1外圍參考電路設(shè)計(jì)
數(shù)字電位器的選擇為AD5282,該器件為雙通道,256位,I2C兼容型數(shù)字電位計(jì)。與數(shù)字電位器配合的運(yùn)放選擇為ADA4805-2,該運(yùn)放為高速電壓反饋,軌至軌輸出放大器,具有500uA級低功耗。此外,更重要的是該運(yùn)放具有105MHz高帶寬(增益為1),160V/us高壓擺率及125uV的低輸入失調(diào)電壓。該運(yùn)放與數(shù)字電位器AD5282進(jìn)行搭配可實(shí)現(xiàn)輸出電壓的增益可調(diào),且能完美實(shí)現(xiàn)輸入信號的保真。
高壓運(yùn)放的選擇為ADHV4702-1,與高壓運(yùn)放搭配的供電電源為LT8304-1。高壓運(yùn)放選擇ADHV4702-1。理由在于該運(yùn)放供電電壓高達(dá)±110V,其輸出電壓也接近軌到軌。此外,該運(yùn)放也具有高壓擺率,可達(dá)74V/us。該款運(yùn)放的高壓擺率和高供電電壓保證了電場激勵的幅度。為了實(shí)現(xiàn)高精度性能,ADHV4702-1 具有170dB的典型開環(huán)增益(AOL)和160dB的典型共模抑制比(CMRR)。ADHV4702-1還具有2μV/°C的最大輸入失調(diào)電壓(VOS)漂移和8 nV/√Hz的輸入電壓噪聲。
高壓電源選取LT8304的理由則在于,該電源芯片為單片式、微功率、隔離型反激式轉(zhuǎn)換器。通過直接從主端反激波形對隔離式輸出電壓進(jìn)行采樣,該器件無需借助第三個繞組或光隔離器來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。輸出電壓利用兩個外部電阻器和第三個任選的溫度補(bǔ)償電阻器來設(shè)置。邊界模式操作提供了一種具有卓越負(fù)載調(diào)節(jié)性能的小型磁性解決方案。低紋波突發(fā)模式操作可在輕負(fù)載條件下保持高效率,同時較大限度地抑制輸出電壓紋波。LT8304-1可在一個3V至100V的輸入電壓范圍內(nèi)工作,并輸送高達(dá)24W的隔離輸出功率。
圖四 LT8304內(nèi)部架構(gòu)
LT8304產(chǎn)生正負(fù)110V高壓參數(shù)選擇及仿真如圖五所示:
圖五 LT8304 正負(fù)110V高壓輸出仿真
在實(shí)際應(yīng)用該芯片時需注意,在原邊添加緩沖電路,對于變壓器、初級側(cè)和次級側(cè)漏電流會導(dǎo)致過大的電壓尖峰,超過IC的絕對最大額定電壓,導(dǎo)致IC損壞。如果允許振鈴時間過長,可能會錯誤地使電源開關(guān)控制電路跳閘。一些電感器具有高漏感的特征,但繞組不良的電感器也會表現(xiàn)出高漏感,雜散電感會加劇由此產(chǎn)生的電壓尖峰,這通常是電路布局不良的結(jié)果。為了防止這種情況,需額外添加緩沖電路,即仿真圖中的D2、D3、R3、R4。緩沖電路的作用是吸收由于漏感L引起的多余能量l,從而保護(hù)IC免受潛在的高電壓或過度振鈴的影響。二極管緩沖器可確保定義明確且一致的箝位電壓,并具有略高的功率效率,而阻容緩沖器可快速抑制電壓尖峰振鈴。
ADHV4702-1產(chǎn)生正負(fù)110V可調(diào)脈沖參數(shù)選擇及仿真如圖六所示:
圖六 ADHV4702-1正負(fù)110V脈沖信號仿真
實(shí)際應(yīng)用ADHV4702-1的過程中,需充分考慮該芯片溫度引腳TMP的運(yùn)用及該芯片扇熱。
ADHV4702-1的TMP引腳可用于監(jiān)測芯片溫度的相對變化。典型的TMP引腳電壓在室溫下約為1.9 V,在- 4.5 mV/°C左右變化。為了避免在超過規(guī)定的溫度下工作,導(dǎo)致芯片性能下降,可將ADHV4702-1的TMP引腳直接與SD引腳相連在與電阻RTEMP連接到地,在RTEMP上改變電阻來設(shè)置熱關(guān)機(jī)閾值溫度如圖七所示。
在進(jìn)行PCB繪制時,建議在該芯片下表面添加一個外露的銅頂層,用于熱管理。將該芯片封裝外露的pad(EPAD)焊在銅層上,保證最佳的散熱效果。頂部暴露的銅區(qū)域通過多個熱過孔組成的陣列連接到底部暴露的銅接地面。此外,還可通過在ADHV4702-1的底部外露接地平面上安裝散熱器的方式,用來提高ADHV4702-1的散熱。
圖七 ADHV4702-1 TMP引腳電壓溫度曲線及該引腳外接參考電路
總結(jié)
本文提及的腫瘤電場治療硬件設(shè)計(jì)方案在芯片選型上均選用ADI的元器件,具有低功耗、高精度、小體積的特點(diǎn)。其突出特性之一是在高壓電源升壓與高壓信號放大的處理上,選用ADI的LT8304可直接從主端反激波形對隔離式輸出電壓進(jìn)行采樣,從而無需借助第三個繞組或光隔離器即可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。腫瘤治療設(shè)備往往對于性能和精密度有極高的要求,高壓運(yùn)放ADHV4702-1,作為業(yè)界一款高電壓、高性能的精密運(yùn)算放大器,具有高輸入阻抗、低輸入偏置電流、低輸入失調(diào)電壓、低漂移和低噪聲的特性,適用于精密、苛刻的應(yīng)用。此外,該運(yùn)放利用ADI公司的下一代專有半導(dǎo)體工藝和創(chuàng)新架構(gòu),使這款精密運(yùn)算放大器能夠使用±110V對稱雙電源、不對稱雙電源或220V單電源供電。
關(guān)于世健——亞太區(qū)領(lǐng)先的元器件授權(quán)代理商
世健是完整解決方案的供應(yīng)商,為亞洲電子廠商包括原設(shè)備生產(chǎn)商(OEM)、原設(shè)計(jì)生產(chǎn)商(ODM)和電子制造服務(wù)提供商(EMS)提供優(yōu)質(zhì)的元器件、工程設(shè)計(jì)及供應(yīng)鏈管理服務(wù)。多次被權(quán)威雜志和行業(yè)機(jī)構(gòu)列入全球領(lǐng)先分銷商榜單。
世健與供應(yīng)商及電子廠商緊密協(xié)作,為新的科技與趨勢作出定位,并幫助客戶把這些最先進(jìn)的科技揉合于他們的產(chǎn)品當(dāng)中。世健分別在新加坡、中國及越南設(shè)有研發(fā)中心,專業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)不斷創(chuàng)造新的解決方案,幫助客戶提高成本效益并縮短產(chǎn)品上市時間。世健研發(fā)的完整解決方案及參考設(shè)計(jì)可應(yīng)用于工業(yè)、無線通信及消費(fèi)電子等領(lǐng)域。
世健擁有超過35年歷史、逾700名員工,業(yè)務(wù)擴(kuò)展至亞太區(qū)的49個城市和地區(qū),遍及新加坡、馬來西亞、泰國、越南、中國、印度、印度尼西亞、菲律賓及澳大利亞等十多個國家。1993年,世健在香港設(shè)立區(qū)域總部——世健系統(tǒng)(香港)有限公司,正式開始發(fā)展中國業(yè)務(wù)。目前,世健在中國擁有十多家分公司和辦事處,遍及中國主要大中型城市。憑借專業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)、頂尖的現(xiàn)場應(yīng)用支持以及豐富的市場經(jīng)驗(yàn),世健在中國業(yè)內(nèi)享有領(lǐng)先地位。
評論