يُعد المجال الكهربائي النبضي ، أو التثقيب الكهربائي ، تطورًا مثيرًا في مجالات الجراحة الكهربائية وعلوم الحياة التي تتيح العديد من العلاجات الجديدة. ونتيجة لذلك ، فإن تبني هذه التقنية آخذ في الازدياد. يعد البحث والتطوير في مجال الاجتثاث الميداني النبضي (PFA) ذا أهمية خاصة ، حيث تزيد النبضات القصيرة جدًا من التأثيرات العلاجية مع تقليل المشكلات الحرارية.
ومع ذلك ، يجب أن يكون مصممو الأنظمة الفعالون قادرين على توصيل طاقة كهربائية عالية الجهد (HV) بدقة. مع استمرار الباحثين في صقل الأساليب ، تحتاج هذه الأنظمة إلى تلبية معايير متنوعة دون المساس بالتحكم الدقيق.
في هذه المقالة ، تبحث شركة Advanced Energy في التطورات والتحديات في هذا القطاع وما تعنيه لتصميم نظام الطاقة. ستنظر المقالة أيضًا في بعض اللبنات الأساسية لمثل هذا النظام.
Electroporation هي تقنية يتم من خلالها تطبيق HV (مجال كهربائي ، عادةً آلاف الفولت لكل سنتيمتر) على الخلايا لزيادة نفاذية غشاء الخلية. هناك نوعان من التثقيب الكهربائي: قابل للانعكاس ولا رجوع فيه.
يصف Electroporation للانعكاس تشكيل المسام غير الدائم حيث يتم تطبيق مجال كهربائي منخفض الكثافة لا يتجاوز عتبة الأنسجة المستهدفة. يسمح هذا للمواد الكيميائية أو الأدوية أو الحمض النووي بدخول الخلية. تشمل التطبيقات الأولية النقل الكهربائي للجينات والمعالجة الكهروكيميائية.
التثقيب الكهربائي الذي لا رجوع فيه (IRE) هو إنشاء مسام دائمة عندما يتجاوز المجال الكهربائي عتبة الأنسجة المستهدفة. تؤدي هذه المسام الدائمة إلى اضطراب التوازن الخلوي ، ويبلغ ذروته في موت الخلايا. تشمل التطبيقات الأساسية لـ IRE الاستئصال القلبي واستئصال الورم.
من منظور تقني ، فإن الاختلاف بين نوعي التثقيب الكهربائي هو ببساطة دالة لشدة المجال الكهربائي والمدة التي يتم فيها تطبيق المجال.
كتقنية لتقديم التثقيب الكهربائي ، فإن PFA هي طريقة طاقة غير حرارية تم استخدامها لاستئصال ورم الأعضاء الصلبة لبعض الوقت. في الآونة الأخيرة ، أظهر الباحثون ملف تعريف أمان فريدًا وفعالية جر تتعلق بقدرتها على استهداف خلايا عضلة القلب بشكل انتقائي مع تجنب الأضرار الجانبية التي تلحق ببنية النسيج الضام. وقد أدى هذا إلى إجراء بحث كبير في قطارات النبض المختلفة لتحديد النهج الأكثر فاعلية لحالات الاستخدام المختلفة.
تطبق مناهج PFA المعمول بها بين 80 و 120 نبضة أحادية القطب ، بمدة نبضة تتراوح من 50 إلى 100 مللي ثانية ومجال كهربائي يتجاوز 1000 فولت / سم. في حين أنه يمكن أن يكون فعالًا ، إلا أن بروتوكول IRE النموذجي هذا قد يثير تقلص العضلات أثناء الإجراء ، مما يؤدي إلى الألم للمريض والتسبب في إزاحة إبر القطب.
في الآونة الأخيرة ، ظهر نوع جديد من تقنية IRE يسمى IRE عالي التردد (H-FIRE). يستخدم H-FIRE مجموعة من رشقات النبض ثنائي القطب تتكون من نبضات فردية بفترات تتراوح من 0.5 إلى 10 مللي ثانية ، مجمعة في انفجار يصل إلى 100 مللي ثانية.
كمثال محدد ، هناك العديد من الدراسات الموثقة لتطبيق IRE على أورام الكبد ، ويعود تاريخ أقدمها إلى عام 2011. تراوحت الأورام في الحجم من 2 مم إلى 100 مم ، على الرغم من وجود درجة عالية من القواسم المشتركة بين الأجهزة الكهربائية معلمات علاج IRE. كان الجهد المطبق دائمًا في نطاق 1.5-3 كيلو فولت / سم ، بمدة 70-100 ميكرو ثانية ، وتم الحصول على أفضل النتائج باستخدام أقطاب لوحة لتوصيل 80 نبضة من 100 مللي ثانية عند 0.3 هرتز ، مع مجال كهربائي بحجم 2.5 كيلو فولت / سم عبر الورم.
تحدي PFA لمصممي الطاقة
يتمثل التحدي الأساسي لتصميم حلول الطاقة لأنظمة PFA في الحاجة إلى تقديم نبضات عالية الطاقة عالية الطاقة بشكل موثوق ومتكرر. بالنسبة لتطبيقات علوم الحياة ، عادةً ما يكون كل ما هو مطلوب هو نظام طاقة في منطقة 2 إلى 300 واط. بالنسبة للتطبيقات الجراحية مثل PFA ، يمكن أن تصل النبضات الفردية إلى 20 كيلو واط ، بمتوسط طاقة للنظام في منطقة كيلو واط.
مع استمرار البحث ، يتطور الشكل الموجي المطلوب ، مما قد يزيد من التحدي لتصميم الطاقة. تطورت النبضات أحادية القطب من IRE المبكر إلى نبضات ثنائية القطب ، والتي قد تكون متماثلة أو غير متناظرة.
عادةً ما يكون الجهد المطلوب في النطاق من 1 كيلو فولت إلى 3 كيلو فولت ، مع بعض التطبيقات التي تتطلب ما يصل إلى 5 كيلو فولت مع تيارات تصل إلى 65 ألفًا. عادةً ما يكون عرض النبضة في نطاق 100 نانوثانية إلى 100 ميكروثانية ، مع ترددات وضع الاندفاع حتى 5 ميجا هرتز. تعد معدلات التدفق الكبيرة المصاحبة للنبض مهمة وصعبة.
يتطلب مصدر الطاقة ميزات مثل حماية التيار الزائد ومراقبة الجهد / التيار ، بالإضافة إلى الامتثال لمعايير السلامة الطبية ذات الصلة ولوائح EMI / EMC.
هندسة حل PFA
عادةً ما يتكون حل الطاقة لتطبيق PFA من مراحل متعددة ، يتم التحويل من مدخلات التيار المتردد الرئيسية إلى خرج التيار المستمر النبضي عالي الجهد المطلوب للمعالجة. يتم عرض مخطط كتلة لتصميم نموذجي ، على الرغم من أن هذا عرض مبسط ، حيث أن الواجهة الأمامية AC / DC عادة ما يكون لها مخرجات متعددة لتشغيل الأجهزة الطرفية مثل شاشات العرض و HMI.
المرحلة الأولى هي إدخال التيار المتردد وتصحيح عامل الطاقة (PFC) ، كما هو موضح باللون البرتقالي. يتناول هذا معايير الامتثال الحرجة ، بما في ذلك العزل الأولي والثانوي ، تيار التسرب ، تصفية EMI و PFC. يمكن أن يكون الإدخال أي جهد تيار متردد (أو حتى جهد تيار مستمر) ، وسيكون الناتج عادةً جهد تيار مستمر معزول يبلغ حوالي 380 فولت.
إحدى التقنيات المناسبة للواجهة الأمامية PFC هي سلسلة Artesyn AIF04ZPFC من Advanced Energy من وحدات PFC كاملة الطوب ، والتي تقبل إدخال 85- إلى 264-VAC عالميًا وتقدم عامل طاقة واحد. الوحدات ، التي يمكن تهيئتها أيضًا لقبول مدخلات التيار المستمر في نطاق 120 إلى 370 فولت تيار مستمر ، مصنفة عند 1600 واط ، ولها كفاءة تحويل عالية تبلغ 95٪ وتوفر جهد خرج اسمي غير معزول يبلغ 380 فولت تيار مستمر. تتميز بعامل شكل كامل الطوب مقاس 2.4 × 4.6 بوصة مطابق لمعايير الصناعة وارتفاع يبلغ 0.5 بوصة فقط ، وتتميز الوحدات النمطية بكثافة طاقة تبلغ 290 وات / بوصة.3. يتم توفير وظيفة تمكين ويمكن تشغيل وحدات AIF04ZPFC بشكل متوازٍ للأنظمة التي تتطلب مستويات طاقة أكبر. يتم توفير إشارة تحذير من انقطاع التيار الكهربائي ، كما هو الحال بالنسبة لإخراج التمكين للتحكم في أجهزة المصب مثل محول DC / DC.
المرحلة التالية هي محول DC / DC ينتج جهدًا منظمًا بإحكام من الناتج 380-V تقريبًا لمرحلة PFC. تضيف هذه الكتلة (الموضحة باللون الأزرق) أيضًا مزيدًا من العزلة والتحكم مع تقليل تموج الإخراج والضوضاء. يتم تحديد المواصفات الكاملة للمخرجات إلى حد كبير من خلال متطلبات المرحلة HV التالية.
المرحلة النهائية (الموضحة باللون الأخضر) هي إخراج التيار المستمر النبضي عالي الجهد المتصل بالمريض. غالبًا ما يكون هذا حلًا منفصلاً مثبتًا على اللوحة ، مثل سلسلة UltraVolt عالية الطاقة من شركة Advanced Energy 1 / 8C إلى 6C. تم تصميم محولات DC / DC المنظمة لتطبيقات شحن مكثف الجهد العالي التي تتطلب أوقات ارتفاع سريعة مع تجاوز الجهد المتحكم فيه. تعمل الأجهزة في سلسلة C عالية الطاقة من إدخال 24 فولت ، مدفوعًا بالإخراج من مرحلة محول DC / DC الأزرق.
هناك العديد من الأجهزة المتاحة ، جميعها ذات مخرجات أحادية القطب تتراوح من 125 إلى 6 كيلو فولت عند مستويات طاقة تبلغ 60 واط أو 125 واط أو 250 واط. .
تتوفر مجموعة من الخيارات التي تم تكوينها في المصنع ، بما في ذلك اختيار تشغيل 5-V أو 10-V للتحكم والمراقبة ، ويمكن استبدال الرأس بموصل D-sub. يتوفر أيضًا مبدد حراري مُركب في المصنع ومواقف ملولبة لتركيب ثنائي الفينيل متعدد الكلور.
يمكن تحسين التحكم في النظام وردود الفعل بشكل أكبر من خلال إضافة محلل الألياف الزجاجية (FBGA) لمراقبة درجة الحرارة بدقة. لا تحتوي أحدث FBGAs على أجزاء متحركة وتستخدم تصميمات بصرية عالية الكفاءة توفر قابلية تكرار ممتازة لطول الموجة ، ودقة ، واستقرارًا طويل المدى ، واستهلاكًا منخفضًا للغاية للطاقة ، ووقت استجابة أقل من مللي ثانية ، ومعايرة مدى الحياة.
حلول مرنة
مع وجود العديد من التكوينات المحتملة لأنظمة PFA ، تعد المرونة مفتاحًا لضمان تلبية احتياجات التطبيق النهائي. تعتبر مصادر طاقة التيار المتردد / التيار المستمر القابلة للتكوين مثالية ، لأنها توفر العزل الطبي وتيارات التسرب المطلوبة ، ويمكنها دمج وحدات إخراج متعددة للأجهزة الطرفية ووحدة الطاقة ذات الجهد العالي. هذا مفيد بشكل خاص خلال المراحل التجريبية ، حيث يمكن تغيير التكوين باستخدام مفك البراغي.
مثال جيد يأتي من شركة الأجهزة الطبية الكبرى التي عملت مؤخرًا مع Advanced Energy لتقديم حل PFA جديد يستخدم مصدر طاقة غير حراري ومجالات كهربائية HV مملوكة للتغلب على تحديات طرق الاجتثاث التقليدية القائمة على درجة الحرارة. يتطلب هذا الحل مصدر طاقة HV DC / DC لشحن مكثف بإخراج منظم بإحكام يصل إلى 2000 فولت. في حين أن وحدة UltraVolt عالية الطاقة من السلسلة C تلبي المتطلبات الفنية بسهولة ، كشفت النماذج الأولية عن الحاجة إلى كل من موصل التحكم الذي يمكن تأمينها بمسامير وتبريد مدمج للوحدة. لتلبية هذه المتطلبات ، تمت إضافة موصل DB15 D-sub وخيار المبدد الحراري إلى الوحدة النمطية ، وتم تسليم عينة جديدة والموافقة عليها بسرعة.
بالإضافة إلى ذلك ، طلب العميل محول تيار مستمر / تيار مستمر منخفض الطاقة وقابل للتعديل. في هذه الحالة ، أوصى مهندسو الطاقة المتقدمة بحل قياسي UltraVolt AA series 1 / 16AA24-P20 (62-V / 20-W) لتوفير مصدر طاقة منظم جيدًا وقابل للتعديل من 0 إلى 62 فولت مع تموج منخفض وثبات جيد .
خاتمة
Electroporation جزء علاجي ناشئ. نظرًا للتقدم في تقنية HV النبضية الدقيقة ، فإننا نشهد زيادة سريعة في استفسارات التصنيع حول حلول التحكم في الطاقة الدقيقة. اعتمادًا على التطبيق ، يمكن تطوير هذه الحلول من وحدات قياسية أو مصادر طاقة قابلة للتكوين. ومع ذلك ، في حالات معينة ، يلزم توفر منتج قياسي معدل أو حتى تخصيص كامل.
يلخص الشكل 5 الأنواع المختلفة لتقنيات الطاقة التي يمكن اختيارها لتطبيقات PFA. بطبيعة الحال ، بالإضافة إلى معالجة المواصفات الفنية لتطبيق معين ، فإن كل هذه التقنيات متوافقة مع المعايير الطبية ذات الصلة لتقليل الاختبارات والاعتماد التي يحتاجها النظام النهائي.
من خلال اختيار أفضل تقنية طاقة لتطبيق معين ، يمكن لمصممي المعدات الطبية تقديم أنظمة استئصال متقدمة تضمن استهدافًا أكثر دقة للأورام ، وتحسين فعالية العلاجات ، وفي النهاية ، تقديم نتائج محسنة للأطباء والمرضى.
قم بزيارة الكتاب الإلكتروني للحصول على المقالة كاملة
اكتشاف المزيد من مجلة الإخلاص
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
