脈沖電場或電穿孔是電外科和生命科學領域令人興奮的發展，使許多新的治療方法成為可能。因此，這種技術的采用正在增長。脈沖場消融（PFA）的研究和開發特別令人感興趣，因為超短脈沖增加了治療效果，同時最大限度地減少了熱問題。

然而，有效的系統設計人員必須能夠準確地提供高壓（HV）電能。隨著研究人員不斷完善方法，這些系統需要在不影響精確控制的情況下滿足各種參數。

電穿孔是一種將HV（電場，通常為每厘米數千伏特）施加到細胞上以增加細胞膜通透性的技術。電穿孔有兩種類型：可逆和不可逆。

可逆電穿孔描述了非永久性孔的形成，其中施加不超過目標組織閾值的低強度電場。這允許化學物質，藥物或DNA進入細胞。主要應用包括基因電轉移和電化學療法。

不可逆電穿孔（IRE）是當電場超過目標組織的閾值時產生永久性孔。這些永久性毛孔導致細胞穩態破壞，最終導致細胞死亡。IRE的主要應用包括心臟消融和腫瘤消融。

從技術角度來看，兩種電穿孔類型之間的差異只是電場強度和施加電場的持續時間的函數。

作為一種輸送電穿孔的技術，PFA是一種非熱能方式，已被用于實體器官腫瘤消融已有一段時間。最近，研究人員已經證明了獨特的安全性和消融功效，這與它能夠選擇性地靶向心肌細胞，同時避免對結締組織結構的附帶損害有關。這推動了對不同脈沖序列的大量研究，以確定針對各種用例的最有效方法。

已建立的PFA方法適用于80至120個單極性脈沖，脈沖持續時間為50至100 ms，電場超過1，000 V/cm。雖然它可能有效，但這種典型的IRE方案可能會在手術過程中引起肌肉收縮，導致患者疼痛并導致電極針移位。

最近，一種稱為高頻IRE（H-FIRE）的新型IRE技術出現了。H-FIRE使用一組雙極性脈沖脈沖串，由持續時間為0.5至10 ms的單個脈沖組成，分組為長達100 ms的脈沖群。

作為一個具體的例子，有多個關于IRE應用于肝腫瘤的記錄研究，最早可以追溯到2011年。腫瘤的大小從2毫米到100毫米不等，盡管IRE治療的電參數之間存在高度的共性。施加的電壓始終在1.5-3 kV / cm的范圍內，持續時間為70-100 μs，并且使用板電極以80.100 Hz提供0個3 ms的脈沖獲得最佳結果，電場大小為2.5 kV / cm穿過腫瘤。

電源設計人員面臨的 PFA 挑戰

PFA系統電源解決方案設計的主要挑戰是需要可靠、可重復地提供高能高壓脈沖。對于生命科學應用，通常只需要 2 至 300W 區域的電源系統。對于PFA等外科應用，單個脈沖最高可達20 kW，系統的平均功率為千瓦區域。

隨著研究的繼續，所需的波形也在不斷變化，這可能會增加電源設計的挑戰。早期IRE的單極性脈沖已經演變為雙極性脈沖，可能是對稱的，也可能是不對稱的。

所需電壓通常在 1 kV 至 3 kV 范圍內，某些應用需要高達 5 kV 的電流和高達 65 A 的電流。脈沖寬度通常在 100 ns 至 100 μs 范圍內，突發模式頻率高達 5 MHz。脈沖的相關壓擺率既重要又具有挑戰性。

電源需要過流保護和電壓/電流監控等功能，并符合相關醫療安全標準和EMI/EMC法規。

PFA 解決方案的體系結構

通常，PFA應用的電源解決方案由多個級組成，從交流電源輸入轉換為治療所需的高壓脈沖直流輸出。圖中顯示了典型設計的框圖，盡管這是一個簡化的視圖，因為AC/DC前端通常具有多個輸出，為顯示器和HMI等外圍設備供電。

第一階段是交流輸入和功率因數校正（PFC），以橙色顯示。這解決了關鍵的一致性參數，包括初級-次級隔離、漏電流、EMI濾波和PFC。 輸入可以是任何交流電源電壓（甚至是直流電壓），輸出通常是約380 V的隔離直流電壓。

先進能源的雅特生科技 AIF04ZPFC 系列全磚 PFC 模塊是一項適用于前端 PFC 的技術，可接受 85 至 264 VAC 的通用輸入，并具有統一的功率因數。這些模塊還可以配置為接受 120 至 370 VDC 范圍內的直流輸入，額定功率為 1，600 W，具有 95% 的高轉換效率，并提供 380 VDC 的標稱非隔離輸出電壓。這些模塊采用行業標準的 2.4 × 4.6 英寸全磚外形，高度僅為 0.5 英寸，功率密度為 290 W/in。3.提供使能功能，AIF04ZPFC 模塊可以并聯運行，適用于需要更高功率水平的系統。提供電源故障警告信號，以及用于控制 DC/DC 轉換器等下游設備的使能輸出。

下一級是DC/DC轉換器，它從PFC級的大約380 V輸出產生嚴格調節的電壓。該模塊（以藍色顯示）還增加了進一步的隔離和控制，同時降低了輸出紋波和噪聲。輸出的完整規格在很大程度上取決于后續高壓級的要求。

最后階段（以綠色顯示）是連接到患者的高壓脈沖直流輸出。這通常是一種分立的板載解決方案，例如Advanced Energy的UltraVolt大功率1/8C至6C系列。這些穩壓 DC/DC 轉換器專為需要快速上升時間和受控電壓過沖的高壓電容器充電應用而設計。高功率 C 系列器件采用 24V 輸入供電，由藍色 DC/DC 轉換器級的輸出驅動。

有幾種器件可供選擇，所有器件都具有 125 至 6 kV 的單極性輸出，功率水平為 60 W、125 W 或 250 W。高精度輸出的紋波值為 <1.0%，溫度系數為 50 ppm/°C。

提供一系列工廠配置選項，包括用于控制和監控的 5V 或 10V 操作選項，接頭可替換為 D-sub 連接器。還提供工廠安裝的散熱器和用于PCB安裝的螺紋支座。

通過添加光纖布拉格光柵分析儀（FBGA）進行精確的溫度監控，可以進一步增強系統控制和反饋。最新的FBGA沒有移動部件，采用高效的光學設計，可提供出色的波長可重復性、分辨率、長期穩定性、超低功耗、亞毫秒級響應時間和壽命校準。