實戰(zhàn)分享：腫瘤電場治療硬件設(shè)計方案

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，對目標位置腫瘤發(fā)出低強度交變電場來干擾癌細胞，讓它們發(fā)生紊亂，無法正常分裂增殖，從而實現(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(NCT02973789)的結(jié)果顯示，在轉(zhuǎn)移性非小細胞肺癌(NSCLC)患者中，相比單獨使用標準治療，將腫瘤電場治療與肺癌標準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。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、高準確度等優(yōu)點，黃工及團隊在設(shè)計中運用到了多個ADI產(chǎn)品。該儀器電場刺激發(fā)放系統(tǒng)硬件設(shè)計方案如圖一所示。

圖一 電場刺激發(fā)放系統(tǒng)硬件設(shè)計方案

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，當時鐘速率為5MHz時，可實現(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是專門實現(xiàn)低噪聲和低失真而設(shè)計的。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

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。與數(shù)字電位器配合的運放選擇為ADA4805-2，該運放為高速電壓反饋，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。該運放與數(shù)字電位器AD5282進行搭配可實現(xiàn)輸出電壓的增益可調(diào)，且能完美實現(xiàn)輸入信號的保真。

高壓運放的選擇為ADHV4702-1，與高壓運放搭配的供電電源為LT8304-1。高壓運放選擇ADHV4702-1。理由在于該運放供電電壓高達±110V，其輸出電壓也接近軌到軌。此外，該運放也具有高壓擺率，可達74V/us。該款運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行采樣，該器件無需借助第三個繞組或光隔離器來實現(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償電阻器來設(shè)置。邊界模式操作提供了一種具有卓越負載調(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24W的隔離輸出功率。

圖四 LT8304內(nèi)部架構(gòu)

LT8304產(chǎn)生正負110V高壓參數(shù)選擇及仿真如圖五所示：

圖五 LT8304 正負110V高壓輸出仿真

在實際應(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)漏電流會導致過大的電壓尖峰，超過IC的絕對最大額定電壓，導致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110V脈沖信號仿真

實際應(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)機閾值溫度如圖七所示。

在進行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。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行采樣，從而無需借助第三個繞組或光隔離器即可實現(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，高壓運放ADHV4702-1，作為業(yè)界一款高電壓、高性能的精密運算放大器，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，該運放利用ADI公司的下一代專有半導體工藝和創(chuàng)新架構(gòu)，使這款精密運算放大器能夠使用±110V對稱雙電源、不對稱雙電源或220V單電源供電。