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          新型微波治療儀研究

          作者:孫曉偉 時間:2020-05-27 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏

            孫曉偉(天津金米特科技股份有限公司,天津?天津?300100)

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202005/413609.htm

            摘?要:傳統(tǒng)微波采用頻段為2450 MHz,新型采用433 MHz頻段,不僅具有理療功能,同時對也有一定功效,使腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生不可逆的死亡。本文將詳細(xì)闡述其組成、原理,并提供實驗其可行性。

            關(guān)鍵詞:;;

            0 組成

            微波治療儀由功率源、輻射器和智能控制電路組成。功率源一般采用由磁控管,磁控管的應(yīng)用范圍很廣最常見的應(yīng)用是微波爐,磁控管用于產(chǎn)生高功率信號。輻射器的作用是將功率源輸出的功率集中在病變部位。智能控制電路輸出PWM波形驅(qū)動開關(guān)電源,同時實時測量輻射部位溫度,微波需要在一定溫度環(huán)境下進(jìn)行,超出范圍達(dá)不到效果反而會惡化腫瘤,故需要實時監(jiān)測其溫度變化 [1] 。

            具體組成框圖如圖1所示。

            1 微波治療儀硬件電路

            微波治療儀控制電路處理器采用Altera公司Cyclone系列FPGA,芯片EP1C12Q240I7,除了主控芯片,我們還采用了ADI公司的DDS芯片型號為AD9858,該DDS芯片工作頻率可以高達(dá)1 GHz,利用該芯片產(chǎn)生433 MHz的信號源產(chǎn)生的數(shù)字正弦波經(jīng)過該芯片內(nèi)部的D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器后,經(jīng)過低通濾波器后,可以得到純凈的正弦波驅(qū)動開關(guān)電源。

            測溫電路主要由溫度傳感器、信號調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、FPGA組成。其中溫度傳感器采用J型熱電偶。信號調(diào)理電路由模擬放大器、濾波器組成,由于J型熱電偶輸出為微弱信號,故模擬放大器需要采用儀表放大器本文采用INA118,該芯片具有低溫漂及高共模抑制比。非常適合放大微弱小信號。模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用ADI公司的AD7671,該芯片為并行輸出,16位輸出。該并行輸出給FPGA。由于該FPGA只完成溫度信號采集功能采用MICROSMEI公司的APA030芯片即可滿足要求,將采集的溫度信號反饋給主FPGA,調(diào)整功率輸出,保證治療位置溫度保持在42 ℃-44 ℃ [2] 。測溫電路如圖2所示。

          1591594370512923.jpg

            R12、C1組成低通濾波器,U2A的增益為1+R 14 /R 13 ,輸出電壓U1=(1+R 14 / R 13 )Ui。通過調(diào)整R14改變增益值。熱電偶需要冷端補(bǔ)償,測量熱電偶冷端溫度電壓,采用熱敏電阻實時測量冷端溫度,由于熱敏電阻阻值和溫度成指數(shù)關(guān)系,利用電橋和差動放大電路,將熱敏電阻(Rx)作為電橋橋臂,與運(yùn)算放大器構(gòu)成電橋差動線性補(bǔ)償電路,實現(xiàn)測溫。最終的溫度值為U1-U2的電壓值。

            功率放大器選用MITSUBISHI公司的集成功放模塊RA60H4047M1,該功放的工作頻率范圍為400 MHz~470 MHz,我們這里采用433 MHz作為工作頻段。功率放大后經(jīng)隔離器后輸出給輻射器。該集成功放模塊輸入與輸出阻抗都是50 Ω,在傳輸過程中無損且匹配,輸入端頻率任意,信號源不變情況下,輸出端功率不變 [3] 。功放模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。圖中引腳1為信號輸入端,引腳2為柵極電壓輸入端,控制輸出功率,引腳3為漏極輸入端,引腳4為信號輸出端,引腳5為地。

            傳統(tǒng)微波治療儀的開關(guān)電源采用高壓變壓器、調(diào)壓器、整流濾波電路組成。該方式的開關(guān)電源體積較大,效率較低,在冬天時啟動較慢。

            新型微波治療儀采用DDS信號發(fā)生器產(chǎn)生433 MHz的信號源,同時采集測溫電路的溫度值,調(diào)整輻射強(qiáng)度。具體工作過程是,DDS系統(tǒng)通過功率放大后開始輻射,測溫電路同時實時采集輻射組織溫度,當(dāng)溫度超過設(shè)定的工作溫度范圍,模塊產(chǎn)生一個高電平,復(fù)位DDS系統(tǒng),DDS停止工作,停止輻射過程。否則繼續(xù)輻射工作。

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            2 腫瘤熱療原理

            傳統(tǒng)微波采用2450 MHz頻段,該頻段也成為厘米波熱療法,輻射深度為12.25 cm,新型微波采用433 MHz頻段,為分米波熱療法,輻射深度可以達(dá)到69 cm。由于不同組織對微波有吸收作用,已上述兩種頻段為例,2450 MHz遇到脂肪只能輻射3.04 cm,肌肉為1.7 cm。433 MHz脂肪內(nèi)傳播距離為26.2 cm,肌肉為23 cm。故針對腫瘤熱療傳統(tǒng)微波頻段的作用有限。

            腫瘤組織的增長使周圍血管或毛細(xì)血管收到壓迫、扭曲、變得狹窄,造成血液流受阻。腫瘤血流量為周圍組織的2%~15%,且散熱作用低于正常組織。在同等條件微波照射下,腫瘤部位比正常組織溫度高5 ℃~15℃,如此高的溫度差足以是癌組織壞死,而正常組織免受損傷。當(dāng)溫度升高到41~42 ℃,腫瘤細(xì)胞會發(fā)生血液瘀滯,癌細(xì)胞停止分裂,在42.5~43℃,腫瘤細(xì)胞發(fā)生不可逆損傷,血流停滯,血栓形成、癌細(xì)胞變性壞死。臨床中,微波臨界溫度為45.7 ℃,此溫度下正常細(xì)胞不會受到損傷。新型微波治療儀由于穿透距離遠(yuǎn),且溫度可以實時測量,利用該原理對腫瘤進(jìn)行消融工作。

          微信截圖_20200608132708.jpg

            3 實驗結(jié)果

            圖4為患者經(jīng)過微波治療儀治療前后的對比,從圖中可以看出,該患者存在3處腫瘤,圖中已經(jīng)用紅色箭頭標(biāo)記,經(jīng)過微波1個月腫瘤消融處理后,腫瘤部分已消失。

            4 總結(jié)

            433 MHz頻段微波熱療對腫瘤的消融已經(jīng)被醫(yī)學(xué)界認(rèn)可,從效果來看,對患者不造成很大痛苦,在保證實時溫度采集準(zhǔn)確的情況下,可以達(dá)到消融腫瘤細(xì)胞的同時對正常細(xì)胞無影響的效果。

            參考文獻(xiàn):

            [1]楊立生.微波腫瘤消融治療儀的工程研制[D].南京:南京理工大學(xué),2008.

            [2]馮振生.微波治療儀電路設(shè)計與溫度測量研究[D].重慶:重慶大學(xué),2004.

            [3]姚為駿.新一代分米波治療儀的研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2010.

            (注:本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第06期第65頁,歡迎您寫論文時引用,并注明出處。)



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