Giải pháp thiết kế phần cứng cho liệu pháp điều trị khối u điện trường 

Tổng quan về giải pháp

Các khối u ác tính từ lâu đã đặt ra một thách thức lớn đối với sức khỏe cộng đồng. Liệu pháp Trường điều trị khối u (TTFields) là một công nghệ tiên tiến và ngày càng phổ biến trong lĩnh vực y tế. Nó sử dụng các thiết bị đeo để phát ra điện trường xen kẽ cường độ thấp tại vị trí khối u, kích thích phá vỡ các tế bào ung thư và ngăn chúng phân chia cũng như sự phát triển sinh sôi nảy nở, từ đó đạt được hiệu quả chống ung thư. Liệu pháp này được dung nạp tốt, hầu hết các tác dụng phụ chỉ giới hạn ở kích ứng da nhẹ.

Theo dữ liệu được công bố tại Hội nghị thường niên ASCO năm 2023, kết quả từ thử nghiệm LUNAR (NCT02973789) cho thấy rằng đối với những bệnh nhân ung thư phổi không phải tế bào nhỏ (NSCLC) di căn, việc kết hợp TTFields với các phương pháp điều trị ung thư phổi tiêu chuẩn (chẳng hạn như liệu pháp miễn dịch hoặc hóa trị) sẽ cải thiện tình trạng bệnh. Tỷ lệ sống sót và giảm nguy cơ tử vong so với những người chỉ sử dụng phương pháp điều trị tiêu chuẩn bình thường.

Giới thiệu chương trình

Excelpoint đã mời Kỹ sư Huang ông làm việc trong một công ty lâu năm chuyên về thiết bị y tế đến chia sẻ những trường hợp thực tế cho khách hàng, cũng như tận dụng kinh nghiệm sâu rộng trong ngành mà ông làm việc trong những năm qua.

Thành phần thiết kế

Thiết bị trị liệu TTFields được thảo luận trong bài viết này chủ yếu bao gồm hệ thống phát hiện tín hiệu sinh lý, hệ thống kích thích điện trường và hệ thống phân tích và xử lý dữ liệu. Được biết đến với độ chính xác và độ chính xác cao, thiết bị này được thiết kế bởi Kỹ sư Huang và nhóm của ông khi sử dụng nhiều sản phẩm ADI. Giải pháp thiết kế phần cứng cho hệ thống kích thích điện trường được minh họa trên Hình 1.

Hình 1: Giải pháp thiết kế phần cứng cho hệ thống kích thích điện trường

Các thành phần chính và phương pháp triển khai

AD9837 DDS:

Trong hệ thống kích thích điện trường, AD9837 của ADI là một máy phát dạng sóng có thể lập trình, công suất thấp được sử dụng. Nó tạo ra các đầu ra sóng hình sin, hình tam giác và hình vuông, với tần số đầu ra và pha được lập trình dễ dàng thông qua phần mềm. Kỹ sư Huang nhấn mạnh rằng lý do chính để sử dụng con chip này là nó có độ phân giải cao, đạt 0,02Hz ở tốc độ xung nhịp 5 MHz.

Hình 2: Sơ đồ khối chức năng AD9837

Bộ lọc hình elip LTC1560-1:

Bộ lọc hình elip LTC1560-1 của ADI là bộ lọc thông thấp, thời gian liên tục, với bậc 5 tần số cắt có thể lựa chọn là 500kHz hoặc 1 MHz thông qua lựa chọn chân cắm. Được thiết kế để có độ ồn thấp và độ méo thấp, nó cung cấp tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) là 69dB và độ méo hài tổng (THD) là -63dB cho tín hiệu đầu vào 1Vrms.

Hình 3: Thiết kế mạch tham chiếu cho LTC1560-1

Chiết áp kỹ thuật số AD5282 và Op-Amp ADA4805-2:

AD5282 là chiết áp kỹ thuật số tương thích I2C kênh đôi, có 256 vị trí được ghép nối với ADA4805-2, op-amp phản hồi điện áp tốc độ cao, công suất thấp (500µA) với đầu ra từ đường ray đến đường ray. Op-amp cung cấp băng thông 105 MHz (tăng 1), tốc độ quay 160V/µs và điện áp bù đầu vào thấp 125µV. Chúng cùng nhau cung cấp mức tăng điện áp đầu ra có thể điều chỉnh trong khi vẫn duy trì tính toàn vẹn của tín hiệu đầu vào.

Op-Amp điện áp cao ADHV4702-1:

Để khuếch đại tín hiệu điện áp cao, ADHV4702-1 có điện áp cung cấp ±110V và tốc độ quay cao 74V/µs. Độ chính xác cao của nó bao gồm mức tăng vòng lặp mở (AOL) 170dB, tỷ lệ loại bỏ chế độ chung 160dB (CMRR), độ lệch điện áp bù đầu vào (VOS) 2µV/°C và nhiễu điện áp đầu vào 8 nV/√Hz. Mô phỏng tạo xung ±110V có thể điều chỉnh bằng ADHV4702-1 được minh hoạ trên Hình 4.

Hình 4: Mô phỏng tín hiệu xung ±110V sử dụng ADHV4702-1

Bộ nguồn LT8304:

LT8304 là bộ chuyển đổi flyback nguyên khối, công suất thấp, cách ly điều chỉnh điện áp đầu ra bằng cách lấy mẫu dạng sóng flyback phía sơ cấp, loại bỏ sự cần thiết của cuộn dây thứ ba hoặc bộ ghép quang. Nó hoạt động tuyệt vời ở chế độ biên để điều chỉnh tải và chế độ nổ để đạt hiệu suất cao khi tải nhẹ, giảm thiểu gợn sóng đầu ra. LT8304-1 hỗ trợ dải đầu vào 3V đến 100V và cung cấp công suất đầu ra cách ly lên tới 24W, như minh họa trong Hình 6.

Hình 5: Sơ đồ khối LT8304

Hình 6: Mô phỏng đầu ra điện áp cao ±110V sử dụng LT8304

Cân nhắc trong thực tế

Khi áp dụng ADHV4702-1, hãy cân nhắc sử dụng chân TMP để theo dõi nhiệt độ và tản nhiệt thích hợp. Chân TMP theo dõi sự thay đổi nhiệt độ với điện áp thông thường là 1,9 V ở nhiệt độ phòng, dao động khoảng -4,5 mV/°C. Để tránh quá nhiệt, hãy kết nối trực tiếp chân TMP với chân SD và nối đất qua điện trở (RTEMP). Việc điều chỉnh giá trị của RTEMP sẽ đặt ngưỡng tắt nhiệt, như minh hoạ trong Hình 7.

Hình 7: Đường cong nhiệt độ-điện áp chân ADHV4702-1 TMP và mạch tham chiếu bên ngoài

Trong thiết kế PCB, hãy thêm một lớp đồng trên cùng bên dưới chip để quản lý nhiệt. Hàn miếng đệm tiếp xúc của chip (EPAD) vào lớp này để tản nhiệt tối ưu. Kết nối khu vực đồng tiếp xúc trên cùng với mặt đất đồng tiếp xúc phía dưới thông qua một loạt các vias nhiệt. Ngoài ra, việc gắn tản nhiệt vào mặt phẳng tiếp xúc phía dưới có thể tăng cường khả năng tản nhiệt hơn nữa.

Bản kết luận tóm tắt

Bài viết này đề cập đến thiết kế phần cứng cho liệu pháp điện trường khối u, sản phẩm sử dụng các thành phần của ADI được biết đến với mức tiêu thụ điện năng thấp, độ chính xác cao và có kích thước nhỏ gọn. Một tính năng chính là LT8304 giúp tăng công suất điện áp cao và lấy mẫu điện áp đầu ra cách ly trực tiếp từ dạng sóng flyback sơ cấp, loại bỏ sự cần thiết của cuộn dây thứ ba hoặc bộ ghép quang.

Op-amp điện áp cao ADHV4702-1 là sản phẩm lý tưởng cho thiết bị điều trị khối u nhờ trở kháng đầu vào cao, dòng điện phân cực đầu vào thấp, điện áp bù thấp, độ lệch thấp và độ ồn thấp. Nó hoạt động với nguồn điện kép đối xứng ±110V, nguồn điện kép không đối xứng hoặc nguồn điện 220V duy nhất, được hưởng lợi từ quy trình bán dẫn tiên tiến và kiến ​​trúc cải tiến của ADI.