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新型微波治疗仪研究

作者:孙晓伟时间:2020-05-27来源:电子产品世界收藏

  孙晓伟(天津金米特科技股份有限公司,天津 天津 300100)

本文引用地址:500万彩票网http://www.dzszp.com/article/202005/413609.htm

  摘 要:传统微波采用频段为2450 MHz,新型采用433 MHz频段,不仅具有理疗功能,同时对也有一定功效,使肿瘤细胞产生不可逆的死亡。本文将详细阐述其组成、原理,并提供实验其可行性。

  关键词:

  0 组成

  微波治疗仪由功率源、辐射器和智能控制电路组成。功率源一般采用由磁控管,磁控管的应用范围很广最常见的应用是微波炉,磁控管用于产生高功率信号。辐射器的作用是将功率源输出的功率集中在病变部位。智能控制电路输出PWM波形驱动开关电源,同时实时测量辐射部位温度,微波需要在一定温度环境下进行,超出范围达不到效果反而会恶化肿瘤,故需要实时监测其温度变化 [1]

  具体组成框图如图1所示。

  1 微波治疗仪硬件电路

  微波治疗仪控制电路处理器采用Altera公司Cyclone系列FPGA,芯片EP1C12Q240I7,除了主控芯片,我们还采用了ADI公司的DDS芯片型号为AD9858,该DDS芯片工作频率可以高达1 GHz,利用该芯片产生433 MHz的信号源产生的数字正弦波经过该芯片内部的D/A数模转换器后,经过低通滤波器后,可以得到纯净的正弦波驱动开关电源。

  测温电路主要由温度传感器、信号调理电路、模数转换器、FPGA组成。其中温度传感器采用J型热电偶。信号调理电路由模拟放大器、滤波器组成,由于J型热电偶输出为微弱信号,故模拟放大器需要采用仪表放大器本文采用INA118,该芯片具有低温漂及高共模抑制比。非常适合放大微弱小信号。模数转换器采用ADI公司的AD7671,该芯片为并行输出,16位输出。该并行输出给FPGA。由于该FPGA只完成温度信号采集功能采用MICROSMEI公司的APA030芯片即可满足要求,将采集的温度信号反馈给主FPGA,调整功率输出,保证治疗位置温度保持在42 ℃-44 ℃ [2] 。测温电路如图2所示。

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  R12、C1组成低通滤波器,U2A的增益为1+R 14 /R 13 ,输出电压U1=(1+R 14 / R 13 )Ui。通过调整R14改变增益值。热电偶需要冷端补偿,测量热电偶冷端温度电压,采用热敏电阻实时测量冷端温度,由于热敏电阻阻值和温度成指数关系,利用电桥和差动放大电路,将热敏电阻(Rx)作为电桥桥臂,与运算放大器构成电桥差动线性补偿电路,实现测温。最终的温度值为U1-U2的电压值。

  功率放大器选用MITSUBISHI公司的集成功放模块RA60H4047M1,该功放的工作频率范围为400 MHz~470 MHz,我们这里采用433 MHz作为工作频段。功率放大后经隔离器后输出给辐射器。该集成功放模块输入与输出阻抗都是50 Ω,在传输过程中无损且匹配,输入端频率任意,信号源不变情况下,输出端功率不变 [3] 。功放模块的内部结构图如图3所示。图中引脚1为信号输入端,引脚2为栅极电压输入端,控制输出功率,引脚3为漏极输入端,引脚4为信号输出端,引脚5为地。

  传统微波治疗仪的开关电源采用高压变压器、调压器、整流滤波电路组成。该方式的开关电源体积较大,效率较低,在冬天时启动较慢。

  新型微波治疗仪采用DDS信号发生器产生433 MHz的信号源,同时采集测温电路的温度值,调整辐射强度。具体工作过程是,DDS系统通过功率放大后开始辐射,测温电路同时实时采集辐射组织温度,当温度超过设定的工作温度范围,模块产生一个高电平,复位DDS系统,DDS停止工作,停止辐射过程。否则继续辐射工作。

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  2 肿瘤热疗原理

  传统微波采用2450 MHz频段,该频段也成为厘米波热疗法,辐射深度为12.25 cm,新型微波采用433 MHz频段,为分米波热疗法,辐射深度可以达到69 cm。由于不同组织对微波有吸收作用,已上述两种频段为例,2450 MHz遇到脂肪只能辐射3.04 cm,肌肉为1.7 cm。433 MHz脂肪内传播距离为26.2 cm,肌肉为23 cm。故针对肿瘤热疗传统微波频段的作用有限。

  肿瘤组织的增长使周围血管或毛细血管收到压迫、扭曲、变得狭窄,造成血液流受阻。肿瘤血流量为周围组织的2%~15%,且散热作用低于正常组织。在同等条件微波照射下,肿瘤部位比正常组织温度高5 ℃~15℃,如此高的温度差足以是癌组织坏死,而正常组织免受损伤。当温度升高到41~42 ℃,肿瘤细胞会发生血液瘀滞,癌细胞停止分裂,在42.5~43℃,肿瘤细胞发生不可逆损伤,血流停滞,血栓形成、癌细胞变性坏死。临床中,微波临界温度为45.7 ℃,此温度下正常细胞不会受到损伤。新型微波治疗仪由于穿透距离远,且温度可以实时测量,利用该原理对肿瘤进行消融工作。

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  3 实验结果

  图4为患者经过微波治疗仪治疗前后的对比,从图中可以看出,该患者存在3处肿瘤,图中已经用红色箭头标记,经过微波1个月肿瘤消融处理后,肿瘤部分已消失。

  4 总结

  433 MHz频段微波热疗对肿瘤的消融已经被医学界认可,从效果来看,对患者不造成很大痛苦,在保证实时温度采集准确的情况下,可以达到消融肿瘤细胞的同时对正常细胞无影响的效果。

  参考文献:

  [1]杨立生.微波肿瘤消融治疗仪的工程研制[D].南京:南京理工大学,2008.

  [2]冯振生。微波治疗仪电路设计与温度测量研究[D]。重庆:重庆大学,2004。

  [3]姚为骏.新一代分米波治疗仪的研究[D].西安:西安电子科技大学,2010.

  (注:本文来源于科技期刊《电子产品世界》2020年第06期第65页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。)



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