本文主要闡述了醫用微波治療儀的智能系統的設計。簡(jiǎn)要介紹了微波治療儀的組成原理及其功能，并詳細描述了該微波治療儀智能化自動(dòng)控制系統的軟硬件設計內容，同時(shí)對微波治療儀的一些組成部件進(jìn)行了相應的介紹。通過(guò)PID 調節和分段擬合對微波治療儀的智能化控制，使得此微波治療儀工作運行比沒(méi)有利用此控制方案的情況更加穩定可靠，測試結果也表明該設計是切實(shí)可行。同時(shí)開(kāi)發(fā)了上位機軟件，為復診以及治療效果的統計分析提供了一個(gè)平臺。

 

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。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。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。

 

微波治療儀的系統原理框圖如圖 1 所示。

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。

 

4.1 控制系統硬件設計

 

硬件主要分為以下幾個(gè)部分。電源為控制系統提供電源；鍵盤(pán)和 LCD 顯示電路完成人機對話(huà)功能；磁控管的控制電路根據程序指令的要求達到對病人不同疾病的治療效果；硬件保護電路對控制系統出現的故障提供了可靠的保護；功率傳感器和AD 轉換器對微波管的輸出進(jìn)行監控；輸出驅動(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的信息交換；蜂鳴器驅動(dòng)電路結合發(fā)光二極管共同對預熱結束、治療結束和故障進(jìn)行報警工作。

 

硬件組成框圖如圖 2 所示：

 

 

4.1.1 電源和人機交互電路

 

為了防止干擾從電源竄入，電源由開(kāi)關(guān)電源和濾波電路組成，抗干擾性能較好。為了方便操作，設置了治療理療轉換鍵，工作暫停鍵，功率調節鍵，時(shí)間調節鍵和復位鍵；顯示采用液晶屏幕加LED 指示燈，用來(lái)顯示當前功率、時(shí)間和治療狀態(tài)等信息。

 

4.1.2 磁控管的控制和驅動(dòng)電路

 

磁控管是微波的發(fā)射源，由陽(yáng)極、諧振腔、陰極和磁場(chǎng)組成，當給磁控管燈絲加上3.3V直流燈絲電壓，使陰極加熱，同時(shí)陽(yáng)極和陰極之間加2000V 左右的直流高壓，陰極所發(fā)射的電子在強磁場(chǎng)作用下飛向陽(yáng)極，陽(yáng)極上有多個(gè)小的諧振腔，當電子打到陽(yáng)極之前在這些諧振腔內發(fā)生振蕩，諧振頻率約為2450MHz。在治療開(kāi)始之后，閉合繼電器，可控硅在過(guò)零點(diǎn)之后觸發(fā)，控制微波的強度。同時(shí)功率傳感器開(kāi)始工作，監測微波強度。當可控硅擊穿或者出現其它故障，系統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，當斷開(kāi)可控硅無(wú)效的情況下，硬件保護電路動(dòng)作，關(guān)閉繼電器，斷開(kāi)高壓電源，同時(shí)報警，提醒操作人員儀器出現故障。

 

4.1.3 報警和通訊電路

 

報警電路主要由發(fā)光二極管和蜂鳴器組成。當治療結束或者是出現故障時(shí)，報警電路動(dòng)作，將目前狀態(tài)以聲光方式通知操作人員。通訊電路主要負責本儀器與上位機之間的數據通訊，在治療完畢之后，將此次治療的相關(guān)信息上傳至上位機。

 

4.2 控制系統軟件設計

 

本系統軟件包括上位機和儀器軟件兩部分。上位機軟件使用VB 編寫(xiě)，主要記錄治療的信息，以便復診和對治療效果的統計分析。微控制器部分采用MicroC/OS-II 嵌入式操作系統，使整個(gè)控制系統穩定性和抗干擾性能大大增強，同時(shí)加快了設計速度并且代碼易于維護。

 

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

 

程序流程圖如圖 3 所示。

 

 

5 結語(yǔ)

 

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問(wèn)題。硬件上增加的保護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(xiàn)性化好的特點(diǎn)，又有PID 控制精度高、穩定性好的優(yōu)點(diǎn)，克服了微波功率控制中非線(xiàn)性，滯后，時(shí)變等帶來(lái)的困難。