近日，中国科学院苏州生物医学工程技术研究所（以下简称“苏州医工所”）生物电课题组在纳秒脉冲电场消融（nsPFA）技术领域取得重要进展。团队提出了一种模块化、本质安全型的高频双极纳秒脉冲发生器拓扑架构，有效解决了复杂动态生物负载下的能量稳定投送与系统安全性难题。
相关研究成果以 “A Modular, Inherently Safe High-Frequency Bipolar Nanosecond Pulse Generator for Complex Dynamic Biological Loads” 为题，发表于电力电子领域国际顶级期刊 《IEEE Transactions on Power Electronics》 (IEEE TPEL, 中国科学院一区 TOP, IF=6.5) 。
纳秒脉冲电场消融（nsPFA）作为一种前沿非热消融技术，因其脉宽极窄，几乎消除了微秒级脉冲固有的严重神经肌肉刺激，在无需全麻的情况下即可进行房颤治疗和肿瘤消融，已临床应用中展现出显著优势。然而，从微秒级向纳秒级的跨越对脉冲发生器提出了严苛挑战。一方面是安全与性能的矛盾，临床要求设备具备数千伏高压与纳秒级上升沿，同时必须保证电气隔离和患者安全。另一方面是负载的动态复杂性，消融过程中生物组织阻抗会发生剧烈的非线性动态下降；此外，传统高压脉冲源往往体积偏大，难以满足手术室对设备小型化的需求。
针对上述痛点，团队并未简单堆砌现有技术，而是提出了一种协同优化的混合拓扑架构（如图1所示）。该方案创造性地将双极固态Marx发生器与升压脉冲变压器（PT）相结合，构建了一个可扩展的感性电压叠加平台。
图1 系统原理图
该系统的主要技术创新在于： 首先，设计了双层本质安全机制。 利用脉冲变压器的“伏秒积”特性被动抑制长脉冲故障，并在拓扑上物理隔离充放电回路，从根源上杜绝了“直流直通”这一灾难性故障风险，构建了医疗级的安全防御体系。 其次，实现了卓越的能效与紧凑度。 引入电感充电方案，将半导体开关数量减少50%，并利用双极脉冲特性实现磁芯自动复位。经量化基准测试（Benchmarking），该拓扑结构的综合品质因数（Figure of Merit, FoM）是现有同类主流拓扑的2.4至2.8倍，显著提升了系统的集成度与性价比。
团队研制了脉冲电源样机并进行了详尽测试。该发生器可输出 0-±11 kV 可调电压，脉宽 100-500 ns 可调，爆发频率达 500 kHz，在电阻负载下的电能效率达 94.85%。
图2 脉冲电源模块与组织消融实验平台实物图
图3 高频双极性纳秒脉冲串波形 (频率500 kHz, 脉宽 500 ns)
为验证设备在真实生物环境下的鲁棒性，团队开展了离体（马铃薯）和活体（小鼠）消融实验。在离体实验中，即使面对组织阻抗从 2.488 kΩ 骤降至 491 Ω（降幅超80%） 的极端工况，设备依然稳定运行。在活体小鼠实验中，面对组织快速的动态阻抗变化，发生器仍能保持输出波形的平顶特性和纳秒级边沿，电压幅值偏差小于 6.25%。实验成功在小鼠腿部肌肉制造了清晰的消融损伤，且全过程未引起明显的肌肉收缩。
图4 小鼠活体实验和土豆实验示意图及消融后病理切片与消融深度统计结果
该研究为应对复杂生物负载提供了一种强健、安全的电力电子解决方案，进一步推动国产高端医疗器械在纳秒脉冲消融领域的核心技术自主可控。
苏州医工所博士生刘荣荣为论文第一作者，庄杰研究员和饶俊峰特聘研究员为通讯作者。本研究受江苏省基础研究专项资金（重大创新平台计划）、江苏省双创人才计划 (JSSCRC2021559, JSSCRC2022224)、姑苏创新领军人才计划 (ZXL2023210) 等项目的资助。
原文链接：https://doi.org/10.1109/TPEL.2026.3660064
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