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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.mzugvc.icu/article/202005/413609.htm

  摘?要:傳統微波采用頻段為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,使腫瘤細胞產生不可逆的死亡。本文將詳細闡述其組成、原理,并提供實驗其可行性。

  關鍵詞:;;

  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,磁控管的應用范圍很廣最常見的應用是微波爐,磁控管用于產生高功率信號。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波形驅動開關電源,同時實時測量輻射部位溫度,微波需要在一定溫度環境下進行,超出范圍達不到效果反而會惡化腫瘤,故需要實時監測其溫度變化 [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1 GHz,利用該芯片產生433 MHz的信號源產生的數字正弦波經過該芯片內部的D/A數模轉換器后,經過低通濾波器后,可以得到純凈的正弦波驅動開關電源。

  測溫電路主要由溫度傳感器、信號調理電路、模數轉換器、FPGA組成。其中溫度傳感器采用J型熱電偶。信號調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。模數轉換器采用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。

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  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。通過調整R14改變增益值。熱電偶需要冷端補償,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關系,利用電橋和差動放大電路,將熱敏電阻(Rx)作為電橋橋臂,與運算放大器構成電橋差動線性補償電路,實現測溫。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] 。功放模塊的內部結構圖如圖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。

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

  新型微波治療儀采用DDS信號發生器產生433 MHz的信號源,同時采集測溫電路的溫度值,調整輻射強度。具體工作過程是,DDS系統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,當溫度超過設定的工作溫度范圍,模塊產生一個高電平,復位DDS系統,DDS停止工作,停止輻射過程。否則繼續輻射工作。

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  2 腫瘤熱療原理

  傳統微波采用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脂肪內傳播距離為26.2 cm,肌肉為23 cm。故針對腫瘤熱療傳統微波頻段的作用有限。

  腫瘤組織的增長使周圍血管或毛細血管收到壓迫、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。當溫度升高到41~42 ℃,腫瘤細胞會發生血液瘀滯,癌細胞停止分裂,在42.5~43℃,腫瘤細胞發生不可逆損傷,血流停滯,血栓形成、癌細胞變性壞死。臨床中,微波臨界溫度為45.7 ℃,此溫度下正常細胞不會受到損傷。新型微波治療儀由于穿透距離遠,且溫度可以實時測量,利用該原理對腫瘤進行消融工作。

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  3 實驗結果

  圖4為患者經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,圖中已經用紅色箭頭標記,經過微波1個月腫瘤消融處理后,腫瘤部分已消失。

  4 總結

  433 MHz頻段微波熱療對腫瘤的消融已經被醫學界認可,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確的情況下,可以達到消融腫瘤細胞的同時對正常細胞無影響的效果。

  參考文獻:

  [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,2008.

  [2]馮振生.微波治療儀電路設計與溫度測量研究[D].重慶:重慶大學,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,2010.

 ?。ㄗⅲ罕疚膩碓从诳萍计诳峨娮赢a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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