一種智能微波治療儀及其控制系統設計

1 引言

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

本文所設計的智能微波治療儀有以下特點(diǎn)：（1）控制系統在硬件上使用了過(guò)載保護，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）在軟件的設計中采用了嵌入式操作系統，使整個(gè)微波治療系統的可操作性能，安全性能以及穩定性都達到了一個(gè)新的高度。

2 微波治療機理

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

在微波治療過(guò)程中，根據采用的微波功率密度的不同，而區分出熱效應治療和非熱效應治療。目前，熱效應治療機制較為明確。其治療機制是：人體組織內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(zhù)微波電場(chǎng)的方向進(jìn)行有序排列的取向運動(dòng)，并隨著(zhù)高頻電場(chǎng)的交變而來(lái)回轉動(dòng)，在轉動(dòng)的過(guò)程中與相鄰的分子產(chǎn)生類(lèi)似摩擦碰撞而生成熱量。使受照射部位機體組織溫度上升，使血管，微血管擴張，達到加快新陳代謝過(guò)程，改善局部營(yíng)養，增強組織修復與再生能力的目的。與其它的熱療方法不同，微波加熱的熱源不是從外部傳導，而是由生物組織本身產(chǎn)生的，這種熱作用效率高，均衡性熱穩定性好[4-6]。

3 系統組成及原理框圖

利用微波致熱效應治療原理，把生物體置于微波輻射場(chǎng)中完成治療過(guò)程。儀器主要由開(kāi)關(guān)高壓源、磁控管、線(xiàn)性電源、波導、微波探頭、傳感器和微控制器等組成。脈寬調制式開(kāi)關(guān)高壓電源產(chǎn)生磁控管所需的高壓，通過(guò)對高壓直流電流的反饋控制，來(lái)穩定磁控管的輸出功率，線(xiàn)性電源則提供穩定的直流電壓給燈絲供電。磁控管采用醫療專(zhuān)用磁控管，波導(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)監測磁控管的輸出功率。微控制器控制用來(lái)整個(gè)系統的正常運行。

通過(guò)一個(gè)全橋整流器和一個(gè)比較器，將正弦交流電轉變?yōu)橐幌盗芯匦尾?，在矩形波的下降沿－即正弦交流電的過(guò)零點(diǎn)，系統將收到中斷申請，表示可以觸發(fā)可控硅和繼電器，合適的觸發(fā)點(diǎn)則由系統控制，以達到所要求的功率。功率傳感器采集磁控管的輸出，用來(lái)監測輸出功率值，組成一個(gè)閉環(huán)控制系統[3]。同時(shí)傳感器的輸出端還連在硬件保護電路上，如果控制系統出現故障，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)，由硬件保護電路將檢測到輸出超標信號，將輸出強行關(guān)斷，以增強系統的可靠性。在治療結束后，上位機軟件將輸出此次治療的相關(guān)信息，并保存到數據庫，以備復診使用和進(jìn)行治療效果的統計分析。

4 控制系統

控制系統是整個(gè)治療儀器的核心，所有的控制指令都由它發(fā)出，所以控制系統的穩定性設計是整個(gè)設計的關(guān)鍵。

為了增強儀器的可靠性和抗干擾性，使用了專(zhuān)門(mén)的硬件保護電路，當硬件出現故障，微波的輸出不受控制，在其功率超過(guò)設定值后，硬件保護電路將被觸發(fā)，自動(dòng)關(guān)斷輸出，提高了整個(gè)微波治療儀的安全性。在軟件設計上采用了嵌入式操作系統，使整個(gè)系統的穩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(xiàn)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，并且在各段設置了不同的校正系數，使輸出更加平穩[1][2]。