一種智能微波治療儀及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言

微波治療是臨床上一種新的治療手段，其設(shè)備簡(jiǎn)單，治療效果明顯，使用安全，并發(fā)癥少，對(duì)組織損傷小，因此得到醫(yī)務(wù)界的肯定。微波治療儀是利用微波在人體產(chǎn)生的熱對(duì)患者的病變部位進(jìn)行輻射，從而達(dá)到治療目的，鑒于其治療效果顯著，是當(dāng)今發(fā)展無(wú)損傷治療的理想醫(yī)療設(shè)備。目前各醫(yī)院使用的微波治療儀進(jìn)口的占多數(shù)，普遍存在體積大、價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜等缺點(diǎn)，而國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的微波治療儀技術(shù)還需更新、輸出功率穩(wěn)定性欠佳，致使治療效果不明顯，缺乏一些必要的保護(hù)措施，這使得整個(gè)系統(tǒng)的安全性不是很好，智能化程度不理想，使用操作起來(lái)顯得不方便。所以有必要對(duì)其進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，尤其在安全性和控制系統(tǒng)方面要使用新的設(shè)計(jì)方法，以達(dá)到最佳效果。

本文所設(shè)計(jì)的智能微波治療儀有以下特點(diǎn)：（1）控制系統(tǒng)在硬件上使用了過載保護(hù)，軟件上采用了PID 控制加分段擬合的方法，使治療儀的安全性能和輸出功率有了根本性的改變；（2）在軟件的設(shè)計(jì)中采用了嵌入式操作系統(tǒng)，使整個(gè)微波治療系統(tǒng)的可操作性能，安全性能以及穩(wěn)定性都達(dá)到了一個(gè)新的高度。

2 微波治療機(jī)理

微波是頻率為300~300000MHz 波長(zhǎng)1mm~1m 的超高頻電磁波，屬于非電離輻射。微波技術(shù)在醫(yī)療診斷和治療兩方面發(fā)揮重要作用。

在微波治療過程中，根據(jù)采用的微波功率密度的不同，而區(qū)分出熱效應(yīng)治療和非熱效應(yīng)治療。目前，熱效應(yīng)治療機(jī)制較為明確。其治療機(jī)制是：人體組織內(nèi)大部分是由水和蛋白質(zhì)等極性分子組成，在微波電場(chǎng)力矩的作用下，極性分子沿著微波電場(chǎng)的方向進(jìn)行有序排列的取向運(yùn)動(dòng)，并隨著高頻電場(chǎng)的交變而來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中與相鄰的分子產(chǎn)生類似摩擦碰撞而生成熱量。使受照射部位機(jī)體組織溫度上升，使血管，微血管擴(kuò)張，達(dá)到加快新陳代謝過程，改善局部營(yíng)養(yǎng)，增強(qiáng)組織修復(fù)與再生能力的目的。與其它的熱療方法不同，微波加熱的熱源不是從外部傳導(dǎo)，而是由生物組織本身產(chǎn)生的，這種熱作用效率高，均衡性熱穩(wěn)定性好[4-6]。

3 系統(tǒng)組成及原理框圖

利用微波致熱效應(yīng)治療原理，把生物體置于微波輻射場(chǎng)中完成治療過程。儀器主要由開關(guān)高壓源、磁控管、線性電源、波導(dǎo)、微波探頭、傳感器和微控制器等組成。脈寬調(diào)制式開關(guān)高壓電源產(chǎn)生磁控管所需的高壓，通過對(duì)高壓直流電流的反饋控制，來(lái)穩(wěn)定磁控管的輸出功率，線性電源則提供穩(wěn)定的直流電壓給燈絲供電。磁控管采用醫(yī)療專用磁控管，波導(dǎo)(微波電纜)用來(lái)傳輸微波，微波探頭插入病人患部組織里面進(jìn)行治療[5]。傳感器用來(lái)監(jiān)測(cè)磁控管的輸出功率。微控制器控制用來(lái)整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

通過一個(gè)全橋整流器和一個(gè)比較器，將正弦交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橐幌盗芯匦尾?，在矩形波的下降沿－即正弦交流電的過零點(diǎn)，系統(tǒng)將收到中斷申請(qǐng)，表示可以觸發(fā)可控硅和繼電器，合適的觸發(fā)點(diǎn)則由系統(tǒng)控制，以達(dá)到所要求的功率。功率傳感器采集磁控管的輸出，用來(lái)監(jiān)測(cè)輸出功率值，組成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)[3]。同時(shí)傳感器的輸出端還連在硬件保護(hù)電路上，如果控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，輸出不受控制，則可能造成輸出功率超出本儀器所要求的范圍，此時(shí)，由硬件保護(hù)電路將檢測(cè)到輸出超標(biāo)信號(hào)，將輸出強(qiáng)行關(guān)斷，以增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。在治療結(jié)束后，上位機(jī)軟件將輸出此次治療的相關(guān)信息，并保存到數(shù)據(jù)庫(kù)，以備復(fù)診使用和進(jìn)行治療效果的統(tǒng)計(jì)分析。

4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是整個(gè)治療儀器的核心，所有的控制指令都由它發(fā)出，所以控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)是整個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

為了增強(qiáng)儀器的可靠性和抗干擾性，使用了專門的硬件保護(hù)電路，當(dāng)硬件出現(xiàn)故障，微波的輸出不受控制，在其功率超過設(shè)定值后，硬件保護(hù)電路將被觸發(fā)，自動(dòng)關(guān)斷輸出，提高了整個(gè)微波治療儀的安全性。在軟件設(shè)計(jì)上采用了嵌入式操作系統(tǒng)，使整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性有了較大的提高。為了提高控制的可靠性和快速響應(yīng)的性能，使用了PID 閉環(huán)控制，同時(shí)微波管的輸出功率受到電網(wǎng)電壓，工作溫度和工作時(shí)間等多方面的影響，其輸出具有非線性、滯后、時(shí)變等特點(diǎn)，所以將傳感器的輸入進(jìn)行分段擬合，并且在各段設(shè)置了不同的校正系數(shù)，使輸出更加平穩(wěn)[1][2]。