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，其設備簡單，治療效果明顯，使用安全，并發癥少，對組織損傷小，因此得到醫務界的肯定。微波治療儀是利用微波在人體產生的熱對患者的病變部位進行輻射，從而達到治療目的，鑒于其治療效果顯著，是當今發展無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口的占多數，普遍存在體積大、價格昂貴、操作復雜等缺點，而國內生產的微波治療儀技術還需更新、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，這使得整個系統的安全性不是很好，智能化程度不理想，使用操作起來顯得不方便。所以有必要對其進行重新設計，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：（1）控制系統在硬件上使用了過載保護，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新的高度。

2 微波治療機理

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

在微波治療過程中，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等極性分子組成，在微波電場力矩的作用下，極性分子沿著微波電場的方向進行有序排列的取向運動，并隨著高頻電場的交變而來回轉動，在轉動的過程中與相鄰的分子產生類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程，改善局部營養，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中完成治療過程。儀器主要由開關高壓源、磁控管、線性電源、波導、微波探頭、傳感器和微控制器等組成。脈寬調制式開關高壓電源產生磁控管所需的高壓，通過對高壓直流電流的反饋控制，來穩定磁控管的輸出功率，線性電源則提供穩定的直流電壓給燈絲供電。磁控管采用醫療專用磁控管，波導(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行治療[5]。傳感器用來監測磁控管的輸出功率。微控制器控制用來整個系統的正常運行。

通過一個全橋整流器和一個比較器，將正弦交流電轉變為一系列矩形波，在矩形波的下降沿－即正弦交流電的過零點，系統將收到中斷申請，表示可以觸發可控硅和繼電器，合適的觸發點則由系統控制，以達到所要求的功率。功率傳感器采集磁控管的輸出，用來監測輸出功率值，組成一個閉環控制系統[3]。同時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，由硬件保護電路將檢測到輸出超標信號，將輸出強行關斷，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信息，并保存到數據庫，以備復診使用和進行治療效果的統計分析。

4 控制系統

控制系統是整個治療儀器的核心，所有的控制指令都由它發出，所以控制系統的穩定性設計是整個設計的關鍵。

為了增強儀器的可靠性和抗干擾性，使用了專門的硬件保護電路，當硬件出現故障，微波的輸出不受控制，在其功率超過設定值后，硬件保護電路將被觸發，自動關斷輸出，提高了整個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 閉環控制，同時微波管的輸出功率受到電網電壓，工作溫度和工作時間等多方面的影響，其輸出具有非線性、滯后、時變等特點，所以將傳感器的輸入進行分段擬合，并且在各段設置了不同的校正系數，使輸出更加平穩[1][2]。