Szukaj Logowanie Kontakt
             Kontakt Blog Kalendarz

  ANSYS Elite Channel Partner ANSYS Polska ANSYS Logo cropped 164px

ANSYS Elite Channel Partner ansys logo czarne tlo SMALL ANSYS Logo cropped 164px
    ANSYS Elite Channel Partner

Spis Treści:

rys6 smPrawdziwą weryfikacją rezultatów symulacji były badania prototypu generatora przedstawionego na rysunku obok. Całe urządzenie udało się zmieścić w obudowie o wymiarach 20 × 20 × 6 cm, włącznie z sześcioma litowo-jonowymi akumulatorami 18650 stanowiącymi zasilanie. Widać okienko pozwalające obserwować pracę iskiernika i 10 otworów na pojemniki z komórkami poddawanymi elektroporacji. Pojemniki umieszczono pomiędzy wbudowanymi w urządzenie elektrodami generującymi pole elektryczne.

Generator impulsów wysokiego napięcia oparto na tranzystorze IGBT International Rectifier IRG4PH50K o maksymalnym napięciu 1,2 kV. Cewki mają indukcyjność 1 μH i 1 mH, kondensator 500 pF. Rezystor ładujący linię ma wartość 150 Ω. Charakterystyczna impedancja linii transmisyjnych to 75 Ω, a opóźnienie jednej sekcji to 20 ns.

rys7Wyjściowe napięcie generatora (pojedynczy impuls) pokazano na rysunku z prawej. Widać duże podobieństwo do wyników symulacji w programie ANSYS, choć oczywiście wyjściowy impuls różni się nieco – jest to spowodowane uproszczeniami przyjętymi w modelu numerycznym.

Kolejnym etapem prac były symulacje pola elektrycznego wewnątrz kuwety umieszczonej w zewnętrznym polu elektrycznym. Wykazały one, że ze względu na specyfikę hodowli komórek poddawanych testom niezbędne jest doprowadzenie napięcia bezpośrednio do elektrod zanurzonych w płynie zawierającym komórki. To zmusiło autorów do przebudowy urządzenia, by dopasować konstrukcję linii do impedancji kuwety wypełnionej płynem.

Po przeprowadzeniu badań pozwalających ustalić zastępczą impedancję kuwety przy wymuszeniu nanosekundowymi impulsami okazało się, że optymalna impedancja charakterystyczna sekcji linii Blumleina powinna wynosić około 15 Ω. Realizacja takiej linii w technologii PCB wymagałaby zastosowania bardzo cienkiego substratu (impedancja charakterystyczna linii jest odwrotnie proporcjonalna do pierwiastka z jednostkowej pojemności linii, która jest tym większa im cieńszy jest substrat), co mogłoby spowodować problemy z wytrzymałością napięciową linii. Łatwiejszym rozwiązaniem było wykorzystanie trzech linii 50-omowych połączonych równolegle, co pozwoliło na zastępczą impedancję na poziomie 16,6 Ω.

Na rysunku poniżej przedstawiono kuwetę elektroporacyjną, wyniki symulacji pola elektrycznego w otoczeniu uproszczonego modelu komórki oraz drugi generator impulsów, dopasowany impedancyjnie do kuwety.

rys8a rys8b rys8c sm 

rys9Na ostatnim rysunku widać serię impulsów poprawionego generatora. Charakteryzują się one dobrą powtarzalnością. Czas narastania (około 2,75 ns) w porównaniu z szerokością 30 ns pozwala uznać ich kształt za zadowalający. Eksperymenty prowadzone w Centrum Inżynierii Biomedycznej Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie potwierdziły, że parametry impulsów wystarczają do uzyskania efektu elektroporacji.

Z użyciem oprogramowania ANSYS-HFSS zaprojektowano w drodze symulacji komputerowych niewielką linię Blumleina o wymaganych parametrach. Szybko opracowano niewielki, tani generator o bardzo zadowalających osiągach: zasilany z akumulatorów o wypadkowym napięciu około 22 V pozwala on na uzyskanie quasi-prostokątnych impulsów wysokiego napięcia o amplitudzie 2 kV i szerokości 30 ns z powtarzalnością sięgającą 100 impulsów na sekundę. Generator podłączony do elektrod urządzenia do elektroporacji wytwarza impulsowe pole elektryczne wystarczające do uzyskania efektu elektroporacji błony komórkowej.

Prezentacja wyników na międzynarodowej konferencji IEEE „Pulsed Power and Plasma Science Conference” w czerwcu 2019 r. wzbudziła duże zainteresowanie. Okazało się, że dzięki dobremu dopasowaniu impedancji generatora do kuwety elektroporacyjnej do uzyskania efektów potrzeba niemal trzykrotnie niższego napięcia niż wartości stosowane w innych ośrodkach.
 
Dzięki wykorzystaniu symulacji komputerowych proces projektowania linii zajął niecałe dwa tygodnie.

 

Autorzy:

Yahia Achour, Wojskowa Akademia Technicza

Jacek Starzyński, Politechnika Warszawska

 

ANSYS Electronics

 

 

Kontakt

 

 


Powiadomienia

Chcesz wiedzieć gdy dodamy nowy artykuł? Wybierz kategorię, która Cię interesuje!

ANSYS WORKBENCH

Oprogramowanie

STREFA AKADEMICKA