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]。傳感器用來監(jiān)測(cè)磁控管的輸出功率。微控制器控制用來整個(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ǎ诰匦尾ǖ南陆笛兀凑医涣麟姷倪^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，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]。

4.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件主要分為以下幾個(gè)部分。電源為控制系統(tǒng)提供電源；鍵盤和 LCD 顯示電路完成人機(jī)對(duì)話功能；磁控管的控制電路根據(jù)程序指令的要求達(dá)到對(duì)病人不同疾病的治療效果；硬件保護(hù)電路對(duì)控制系統(tǒng)出現(xiàn)的故障提供了可靠的保護(hù)；功率傳感器和AD 轉(zhuǎn)換器對(duì)微波管的輸出進(jìn)行監(jiān)控；輸出驅(qū)動(dòng)則由繼電器和可控硅同時(shí)完成；通訊電路完成控制器和上位機(jī)的信息交換；蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路結(jié)合發(fā)光二極管共同對(duì)預(yù)熱結(jié)束、治療結(jié)束和故障進(jìn)行報(bào)警工作。

4.1.1 電源和人機(jī)交互電路

為了防止干擾從電源竄入，電源由開關(guān)電源和濾波電路組成，抗干擾性能較好。為了方便操作，設(shè)置了治療理療轉(zhuǎn)換鍵，工作暫停鍵，功率調(diào)節(jié)鍵，時(shí)間調(diào)節(jié)鍵和復(fù)位鍵；顯示采用液晶屏幕加LED 指示燈，用來顯示當(dāng)前功率、時(shí)間和治療狀態(tài)等信息。

4.1.2 磁控管的控制和驅(qū)動(dòng)電路

磁控管是微波的發(fā)射源，由陽極、諧振腔、陰極和磁場(chǎng)組成，當(dāng)給磁控管燈絲加上3.3V直流燈絲電壓，使陰極加熱，同時(shí)陽極和陰極之間加2000V 左右的直流高壓，陰極所發(fā)射的電子在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下飛向陽極，陽極上有多個(gè)小的諧振腔，當(dāng)電子打到陽極之前在這些諧振腔內(nèi)發(fā)生振蕩,諧振頻率約為 2450MHz。在治療開始之后，閉合繼電器，可控硅在過零點(diǎn)之后觸發(fā)，控制微波的強(qiáng)度。同時(shí)功率傳感器開始工作，監(jiān)測(cè)微波強(qiáng)度。當(dāng)可控硅擊穿或者出現(xiàn)其它故障，系統(tǒng)不能控制磁控管的輸出時(shí)，功率傳感器采集到的值大于安全功率的上限，當(dāng)斷開可控硅無效的情況下，硬件保護(hù)電路動(dòng)作，關(guān)閉繼電器，斷開高壓電源，同時(shí)報(bào)警，提醒操作人員儀器出現(xiàn)故障。

4.1.3 報(bào)警和通訊電路

報(bào)警電路主要由發(fā)光二極管和蜂鳴器組成。當(dāng)治療結(jié)束或者是出現(xiàn)故障時(shí)，報(bào)警電路動(dòng)作，將目前狀態(tài)以聲光方式通知操作人員。通訊電路主要負(fù)責(zé)本儀器與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊，在治療完畢之后，將此次治療的相關(guān)信息上傳至上位機(jī)。

4.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件包括上位機(jī)和儀器軟件兩部分。上位機(jī)軟件使用VB 編寫，主要記錄治療的信息，以便復(fù)診和對(duì)治療效果的統(tǒng)計(jì)分析。微控制器部分采用 MicroC/OS-II 嵌入式操作系統(tǒng)，使整個(gè)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾性能大大增強(qiáng)，同時(shí)加快了設(shè)計(jì)速度并且代碼易于維護(hù)。

在治療狀態(tài)下，首先閉合繼電器，然后檢測(cè)電壓的過零點(diǎn)，在過零點(diǎn)之后延時(shí)觸發(fā)可控硅，延時(shí)時(shí)間由輸出驅(qū)動(dòng)電路和功率傳感器組成PID 閉環(huán)系統(tǒng)控制。由于微波管的輸出不是成線性變化的，所以將傳感器的輸入用不同的校正系數(shù)進(jìn)行分段校正、擬合后，再用于PID調(diào)節(jié)。提高了控制系統(tǒng)的可靠性和快速響應(yīng)能力，并且使輸出更加平穩(wěn)。

5 結(jié)語

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：該微波功率的控制方案從根本上解決了微波輸出功率的失調(diào)問題。硬件上增加的保護(hù)電路使儀器的安全性能有了很大的提高，控制策略采用了分段擬合加PID控制融合的方法，既有線性化好的特點(diǎn)，又有PID 控制精度高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，克服了微波功率控制中非線性，滯后，時(shí)變等帶來的困難。