基于数字信号处理器的陡脉冲肿瘤治疗系统的设计与实现方法研究

论文摘要

实验和理论研究初步证实,细胞膜的电穿孔程度（包含穿孔可逆或不可逆）与施加电脉冲的多个特征参数相关。为了更深入地研究电脉冲作用于细胞膜的内部机制,满足目前临床试验和应用的要求,有必要研制一套参数调节灵活、输出稳定、监测方便并能用于肿瘤细胞发生不可逆电穿孔试验研究的高压陡脉冲肿瘤治疗系统。 本论文在交流一直流功率转换电路的基础上,提出一种基于数字信号处理器的电脉冲参数控制和测量一体化方案。结合现场可编程门阵列和其他电子元器件,设计并实现的高压陡脉冲肿瘤治疗系统不仅能对系统输出的电压幅值、上升时间、下降时间、重复频率和脉冲宽度等参数进行在线监测,而且可对上述部分参数进行闭环控制,保持输出的稳定性。文中详细介绍了功率转换电路PWM控制的基本原理和频率差值倍增技术的具体方法,简要阐述了液晶显示电路、日历时钟模块和电容切换电路的控制策略,重点探讨了电压幅值测量模块、上升时间和下降时间测量模块、电压幅值控制模块及键盘接口电路、RS-232通信等电路的设计依据、结构和功能。此外,还介绍了对电压幅值测量模块、上升时间和下降时间测量模块进行仿真的过程和结果。本论文采用了典型的前后台模式的软件组织形式,以主程序作为后台任务,中断服务程序作为前台任务,通过对前后台任务的快速切换和优先级排序,达到及时响应测量、控制和显示等一系列任务的目的。 本论文对设计完成的高压陡脉冲肿瘤治疗系统进行了测试和校正,通过对测量模块、控制模块和显示模块等的检验和调试,以及系统整机联调和带负载测试,对测试结果进行了分析,表明本论文提出的设计方案和实现方法能够满足使肿瘤细胞不可逆电击穿机理研究及临床试验和应用的需要,达到了预期设计目标。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 研究的目的和意义
• 1.3 电脉冲的特征参数与细胞电穿孔之间关系的国内外研究现状
• 1.4 细胞电穿孔仪器的国内外研究现状及发展方向
• 1.5 本论文的主要工作
• 2 系统的基本原理及方法研究
• 2.1 概述
• 2.2 功率转换电路的结构和功能
• 2.2.1 IGBT的工作原理和特性
• 2.2.2 直流电压变换的工作原理
• 2.3 控制信号发生电路的选择
• 2.3.1 单片脉宽调制控制器SG1525
• 2.3.2 数字信号处理器
• 2.4 系统输出电脉冲参数测量电路的选择
• 2.4.1 基于PC机的数据采集卡式参数测量模式
• 2.4.2 基于嵌入式微处理器的脉冲参数测量模式
• 2.5 基于数字信号处理器的高压陡脉冲肿瘤治疗系统实现方案
• 2.6 小结
• 3 系统硬件设计的研究
• 3.1 系统结构
• 3.2 系统模块的详细设计
• 3.2.1 电压传感器模块的设计
• 3.2.2 峰值保持电路的设计
• 3.2.3 脉冲上升时间/下降时间测量模块的设计
• 3.2.4 PWM输出电压变换电路的设计
• 3.2.5 电容切换控制电路的设计
• 3.2.6 RS-232接口电路的设计
• 3.2.7 日历时钟模块设计
• 3.2.8 键盘接口电路设计
• 3.2.9 液晶接口电路设计
• 3.3 硬件设计中的几点考虑
• 3.3.1 DSP设计
• 3.3.2 印刷电路板设计
• 3.4 小结
• 4 系统软件设计的研究
• 4.1 软件设计方法
• 4.2 主程序设计
• 4.3 中断服务程序设计
• 4.3.1 脉冲电压幅值测量模块
• 4.3.2 脉冲上升时间/下降时间测量模块
• 4.3.3 键盘扫描模块
• 4.3.4 参数设置模块
• 4.3.5 数据存储模块
• 4.3.6 串口通信模块
• 4.3.7 液晶显示模块
• 4.4 软件抗干扰措施
• 4.5 小结
• 5 系统的实验及性能分析
• 5.1 实验方案
• 5.2 测量功能实验及分析
• 5.2.1 电压幅值的测量实验
• 5.2.2 上升时间/下降时间和脉冲宽度的测量实验
• 5.2.3 频率测量实验
• 5.3 控制功能实验及分析
• 5.3.1 切换不同的电容器
• 5.3.2 改变脉冲输出电压幅值
• 5.3.3 改变脉冲输出重复频率
• 5.3.4 改变放电回路电阻
• 5.3.5 液晶显示
• 5.3.6 上位机与下位机通讯软件
• 5.4 整机动态带载测试
• 5.5 小结
• 6 全文总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A: 论文相关专业缩略语
• 附录B: 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 附录C: 攻读硕士学位期间承担的科研项目