一种微波功率源、治疗设备及微波信号生成方法与流程

本发明涉及微波治疗领域，尤其涉及一种微波功率源、治疗设备及微波信号生成方法。
背景技术：
微波治疗疾病主要是通过热效应来实现的。人体组织70％都是由水分子构成，水分子是一种极性分子，由于极性分子间存在磁阻会对振荡产生阻尼作用，能够消耗微波能量而生热，同时由于微波对于人体组织具备较好的穿透性，因此可以通过微波辐射实现直接加热人体病灶达到较好的治疗效果。例如在肿瘤治疗中，可以在医学影像引导下，把微波天线植入肿瘤瘤体，组织内的极性分子在微波场的作用下高速运动产生热量，当温度升到60℃～100℃以上时，肿瘤细胞的蛋白质变性凝固，导致其不可逆坏死。这种微波消融治疗法具备创口小、痛苦低、效果好、愈合快等优点已经成为一种优选的肿瘤治疗方法。微波治疗仪主要包括微波功率源以及微波天线辐射器(以下简称天线)。其中微波功率源的主要作用是产生并且发射大功率微波信号，是微波治疗仪的核心部件。目前国内外微波功率源主要采用磁控管技术，但是磁控管存在微波信号频率不可设置、频谱复杂、发射功率难以线性控制、发射功率精确度差等缺点，这也是目前微波治疗技术发展的最主要障碍。技术实现要素：本发明实施例提供一种微波功率源、治疗设备及微波信号生成方法，用于精确控制微波功率源发射的微波信号的频率和功率。一种微波功率源，所述微波功率源包括频率综合器、衰减器、射频放大模块、微处理器控制单元，所述频率综合器、所述衰减器和所述射频放大模块依次连接，且所述频率综合器、所述衰减器分别与所述微处理器控制单元连接，其中：所述微处理器控制单元，用于输出设定频率信号，以及输出针对所述设定频率信号的衰减量控制信号；所述频率综合器，用于根据所述微处理器控制单元输出的设定频率信号，输出相应频率的微波信号；所述衰减器，用于根据所述微处理器控制单元输出的衰减量控制信号，对所述频率综合器输出的微波信号进行功率衰减；所述射频放大模块，用于对经过功率衰减后的微波信号进行信号放大后输出。一种微波治疗设备，所述微波治疗设备包括如上所述的微波功率源，或者，包括如上所述的微波功率源和微波天线辐射器。一种微波信号生成方法，所述方法包括：输出设定频率信号，以及输出针对所述设定频率信号的衰减量控制信号；根据所述设定频率信号，输出相应频率的微波信号；根据所述衰减量控制信号，对所述相应频率的微波信号进行功率衰减；对经过功率衰减后的微波信号进行信号放大后输出。本发明实施例提供一种半导体微波功率源，包括依次连接的频率综合器、衰减器和射频放大模块，且频率综合器、衰减器还分别与微处理器控制单元连接。频率综合器根据微处理器控制单元发送的设定频率信号产生微波信号，该微波信号经衰减器进行功率衰减后，经射频放大模块进行信号放大后输出。从而通过微处理器控制单元发送设定频率信号，频率综合器可以产生设定频率的微波信号，相对于现有技术，实现了微波功率源发射的微波信号频率的精确可控。同时通过微处理器控制单元发送衰减量控制信号，衰减器可以对微波信号的功率进行精确调节，相对于现有技术，还实现了微波功率源发射的微波信号功率的精确可控。进一步的，本发明实施例还提供包括本发明实施例的半导体微波功率源的微波治疗设备。附图说明图1为本发明实施例提供的不同温度条件下回波损耗示意图；图2为本发明实施例提供的各个频点对应的不同温度下回波损耗曲线示意图；图3为本发明实施例一提供的微波功率源的结构示意图；图4为本发明实施例二提供的微波功率源自适应地进行频率调整的流程示意图；图5为本发明实施例三提供的微波功率源自适应地进行功率调整的流程示意图；图6为本发明实施例六提供的微波信号生成方法的流程示意图。具体实施方式本发明实施例提供一种半导体微波功率源，通过微处理器控制单元(mcu)控制微波功率源发射的微波信号的频率和功率，实现微波信号的频率和功率的精确可控。进一步的，发明人研究发现，在微波治疗仪的应用中，微波功率源传输微波信号至天线，并通过天线向治疗对象(人体组织)辐射功率进行热疗或者消融。由于人体组织不是一个标准的50欧姆(ω)理想负载，所以必然存在一部分功率被反射回去，这部分反射回去的功率被称为反射功率。定义微波功率源发射的微波信号的正向输出功率为ptr，反射功率为prev，实际有效发射功率为pem，单位均为瓦特(w)，则，pem＝ptr-prev，并可以用回波损耗(returnloss)来衡量负载匹配程度，retrunloss＝10lg(prev/ptr)，单位为分贝(db)。在实际应用中，天线介入人体的位置以及天线周围的人体组织在治疗过程中产生的温度变化都会对天线的辐射效果造成影响，从而导致治疗效果变差甚至产生危险。以微波治疗仪的微波功率源的输出频率为2450mhz为例，发明人发现，将微波治疗仪的天线插入猪肝内部，同时对猪肝进行加热，记录不同温度条件下该天线对应的回波损耗如图1所示，可见回波损耗随着温度升高发生变化。因此，本发明实施例提出，为了使得微波功率源发射的微波信号的功率能够精确地满足实际需要，可以根据回波损耗的变化，自适应地调整衰减量控制信号，使得微波功率源发射的功率能够自适应的调整到实际需要的功率。同时，发明人发现，扫描工作频段(以工作频段为2400mhz～2500mhz为例)内各个频点，确定不同温度下天线对应的回波损耗，可得出不同温度下，都存在对应最小回波损耗的频点，即最佳匹配频点。各个频点对应的不同温度下回波损耗曲线示意图如图2所示。因此，本发明实施例提出，为了尽可能地减少功率损耗，在相同正向输出功率的情况下，得到尽可能高的实际有效发射功率，可以自适应地进行频率的调整，得到最大的实际有效发射功率。下面结合说明书附图对本发明实施例作进一步详细描述。实施例一如图3所示，为本发明实施例一提供的微波功率源的结构示意图，微波功率源包括频率综合器11、衰减器12、射频放大模块13、微处理器控制单元(mcu)14，频率综合器11、衰减器12和射频放大模块13依次连接，且频率综合器11、衰减器12分别与mcu14连接，其中：mcu14用于输出设定频率信号，以及输出针对设定频率信号衰减量的控制信号；频率综合器11用于根据mcu输出的设定频率信号，输出相应频率的微波信号；衰减器12用于根据mcu输出的衰减量控制信号，对频率综合器输出的微波信号进行功率衰减；射频放大模块13用于将经过功率衰减后的微波信号进行放大并输出。进一步的，为了实现微波信号频率的自适应调整，本实施例提供的微波功率源还可以进一步包括检波模块15，实现对发射的微波信号的正向输出功率和反射功率的检测，用于mcu确定回波损耗，并根据回波损耗自适应地调整频率。具体的，频率综合器11可以为可控频率综合器。衰减器12可以为可控衰减器。射频放大模块13可以为多级半导体射频放大模块。检波模块15与射频放大模块13连接，且与mcu14连接。射频放大模块13对输入的微波信号进行信号放大后，经过检波模块14向外输出。mcu14具体用于按照设定周期产生指定频段内的频率信号作为设定频率信号，且每次产生的频率信号不同，并进一步用于根据检波模块输出的第一信号和第二信号，确定每个指定频段内的频率信号对应的回波损耗，并将确定出的回波损耗中，最小回波损耗对应的频率信号，确定为优化的设定频率信号输出；检波模块15作用于射频放大模块输出的每个指定频段内的频率信号所对应的微波信号，将检测到的该微波信号的正向输出功率转换为第一信号，将对应检测到的该微波信号的反射功率转换为第二信号。第一信号和第二信号可以但不限于为模拟电压。本实施例提供的微波功率源进一步包括检波模块的情况下，mcu还可以根据回波损耗，自适应地调整正向输出功率，得到需要的实际有效发射功率。具体的，mcu调整正向输出功率，是通过对衰减量控制信号的调整实现的。检波模块15用于针对射频放大模块输出的微波信号，将检测到的该微波信号的正向输出功率转换为第一信号，将对应检测到的该微波信号的反射功率转换为第二信号；mcu14具体用于根据微波信号的正向输出功率为需要的实际有效发射功率，确定衰减量控制信号，并进一步用于根据此时对应的第一信号和此时对应的第二信号，确定实际有效发射功率与需要的实际有效发射功率之间差值的绝对值是否不大于设定值，若是，将此时对应的衰减量控制信号确定为最终产生的衰减量控制信号，否则，根据此时对应的第一信号和此时对应的第二信号，确定回波损耗，并根据该回波损耗确定需要的实际有效发射功率对应的正向输出功率，根据该正向输出功率，再次确定衰减量控制信号并发送给衰减器，直至确定出的实际有效发射功率与需要的实际有效发射功率之间差值的绝对值不大于设定值。本实施例在实现微波功率源发射的微波信号的频率和功率的精确可控的基础上，还提供了一种可以针对不同负载状态自适应调整微波功率源发射频率以及发射功率的设计方法。可以实时监测天线的匹配状态，并根据匹配状态，自动寻优，找到匹配最优的微波发射频率，同时根据算法精准计算并且控制微波能量的大小，有效地解决了目前微波功率源无法自动实时控制保持最佳发射匹配状态的问题。将该微波功率源应用到微波治疗设备，如微波治疗仪中，还可以大幅度提高微波治疗仪的可靠性，稳定性，并取得更好的治疗效果。在微波功率源工作过程中，为了实现本发明的负载自适应功能，mcu可以根据正向输出功率与反射功率的值，控制可控频率综合器，可控频率综合器可以但不限于为可控数字频率综合器，让微波功率源工作在输出匹配最佳的频率，尽量减少反射功率。下面通过实施例二对本发明实施例一中的自适应地进行频率的调整的过程进行说明。实施例二本发明实施例二提供的微波功率源自适应地进行频率调整的流程如图4所示，包括：步骤101、mcu发送初始频率信号。在本步骤中，mcu可以向可控频率综合器发送一个初始的频率信号。以可控频率综合器工作的指定频段为2400mhz～2500mhz为例，在本步骤中，mcu可以将2400mhz作为初始的频率信号发送给可控频率综合器。步骤102、mcu确定回波损耗。可控频率综合器在接收到频率信号后，产生该频率的微波信号，并将产生的微波信号输入可控衰减器，经功率衰减后输入射频放大模块，经信号放大后经过检波模块向外输出。检波模块将检测到的输出的微波信号的正向输出功率(检测到的输出的微波信号的正向输出功率可以但不限于理解为检测到的天线的正向输出功率)转换为第一信号，将对应检测到的输出的微波信号的反射功率(检测到的输出的微波信号的反射功率可以但不限于理解为检测到的天线的反射功率)转换为第二信号，并将转换得到的第一信号和第二信号输入mcu。mcu根据第一信号和第二信号确定回波损耗。步骤103、mcu改变频率信号，并发送。在本步骤中，mcu可以按照设定长度，如按照步进1mhz改变频率信号，并将改变后得到的频率信号发送至可控频率综合器。即在本实施例中，可以从2400mhz开始，每步进1mhz，直至2500mhz的每个频率作为设定频率信号依次发送给可控频率综合器。步骤104、mcu确定回波损耗。可控频率综合器在接收到新的频率信号后，继续产生新的微波信号。该微波信号经检波模块向外输出后，检波模块将检测到的正向输出功率转换为第一信号，将对应检测到的反射功率转换为第二信号，并将转换得到的第一信号和第二信号输入mcu。mcu根据该第一信号和该第二信号再次确定回波损耗。步骤105、mcu确定指定频段是否扫描完毕。以指定频段为2400mhz～2500mhz为例，假设初始的频率信号为2400mhz，按照设定周期，步进1mhz改变频率信号，在本步骤中，可以确定频率信号是否达到2500mhz，如果频率信号达到2500mhz，确定指定频段扫描完毕，继续执行步骤106，否则，返回执行步骤103。步骤106、mcu确定最小回波损耗。mcu从确定出的回波损耗中，确定最小回波损耗。步骤107、mcu确定最佳匹配频率。mcu将对应最小回波损耗的频率信号确定为最佳匹配频率，将该频率信号发送给可控频率综合器，并可以保持频率信号不变，使得微波功率源在该最佳匹配频率下稳定工作。可控频率综合器产生的最佳匹配频率的微波信号，在相同正向输出功率的情况下，反射功率最少，实际有效发射功率最高。在正向输出功率为200w的情况下，表1是将频率设定在固定值2450mhz情况下，测试得出的不同组织温度条件下的回波损耗和实际有效发射功率，表2是进行频率自适应调整后，测试得出的不同组织温度条件下的回波损耗、实际有效发射功率、实际有效发射功率相对于表1的提升值和提升比例。表1组织温度(℃)405060708090回波损耗(db)-11-9-7-5-4-3.5实际有效发射功率(w)184.1134174.8215160.0948136.7544120.3786110.6633表2组织温度(℃)405060708090最佳匹配频点(mhz)244024502460247024802490回波损耗(db)-13-11-12-13-12-12实际有效发射功率(w)189.9763184.1134187.3809189.9763187.3809187.3809有效功率提升值(w)5.862829.29194427.286153.2218167.0022976.71757有效功率提升比例(％)3.18％5.32％17.04％38.92％55.66％69.33％本发明实施例提供的方案，可以在微波治疗仪工作过程中，微波功率源自动扫描并计算不同频率下的天线回波损耗，自适应寻优，将工作频率设置为回波损耗的最佳点，从而使反射功率最小，实际有效发射功率最大，达到负载自适应的效果。通过表1和表2，可以看到在不同温度状态下，回波损耗始终保持在最佳状态，实际有效发射功率大幅度提升，尤其是在温度较高的情况下，实际有效发射功率提升比例达到40％以上，可以较大程度地改善微波能量的收效率，从而可以缩短治疗时间，提高治疗效果。在微波功率源工作过程中，还可以实现精确计算与调整实际有效发射功率。下面通过实施例三对本发明实施例一中的自适应的进行功率的调整的过程进行说明。实施例三本发明实施例三提供的微波功率源自适应地进行功率调整的流程如图5所示，包括：步骤201、mcu发送衰减量控制信号。在本步骤中，mcu根据需要的实际有效发射功率，确定衰减量控制信号，并发送给可控衰减器，使得检波模块检测到的、输出的设定频率信号对应的微波信号的正向输出功率，为需要的实际有效发射功率。假设需要的实际有效发射功率pem＝a。在本步骤中，通过控制衰减量控制信号，需要使得正向输出功率ptr＝a。步骤202、检波模块检测正向输出功率和反射功率。在本步骤中，检波模块可以检测输出的微波信号的正向输出功率和反射功率，并将检测到的正向输出功率转换为第一信号，将对应检测到的反射功率转换为第二信号，并将第一信号和第二信号输入mcu。步骤203、mcu确定实际有效发射功率。在本步骤中，mcu可以根据第一信号和第二信号(即根据正向输出功率和反射功率)确定实际有效发射功率。假设确定出的实际有效发射功率pem＝a’。步骤204、mcu确定实际有效发射功率是否满足要求。在本步骤中，mcu可以确定实际有效发射功率与需要的实际有效发射功率之间差值的绝对值是否不大于设定值。若是，可以执行步骤205。否则，可以继续执行步骤206。在本步骤中，mcu可以确定a-a’的绝对值是否不大于设定值。在本实施例中，设定值可以设定为0。设定值设定为0时，在本步骤中，mcu可以确定a’是否为a。步骤205、mcu保持衰减量控制信号不变。在本步骤中，mcu如果确定实际有效发射功率与需要的实际有效发射功率之间差值的绝对值不大于设定值，则可以将此时对应的衰减量控制信号确定为最终产生的衰减量控制信号，并可以保持该衰减量控制信号不变，使得微波功率源正向输出功率保持不变，稳定工作，从而持续得到需要的实际有效发射功率。步骤206、mcu调整衰减量控制信号并发送。在本步骤中，mcu可以根据第一信号和第二信号确定回波损耗。并根据该回波损耗确定需要的实际有效发射功率对应的正向输出功率，根据该正向输出功率，再次确定衰减量控制信号并发送给可控衰减器。并继续执行步骤202。需要的实际有效发射功率pem＝a时，假设需要的正向输出功率ptr＝b。如果mcu根据第一信号和第二信号确定出的回波损耗returnloss＝c，则可以根据公式c＝10lg((b-a)/b)，确定出b＝a/(1-10c/10)。从而根据b的值，再次确定衰减量控制信号，对微波信号的功率进行衰减。根据本实施例提供的方案，可以精确计算并调整实际有效发射功率，实现精准治疗的目的。在微波治疗仪应用中，精确的控制有效的微波发射能量是实现有效治疗的关键，而在现有技术中，无法对实际有效发射功率进行控制与调整，在本发明方案中，有效解决了这个问题，可以实现精确计算并自适应调整实际有效发射功率。实施例四在本发明实施例一～三提供的微波功率源的基础上，本发明实施例四进一步提供一种微波治疗仪，该微波治疗仪可以包括本发明实施例一～三提供的微波功率源和微波天线辐射器。实施例五在本发明实施例一～三提供的微波功率源的基础上，本发明实施例五进一步提供一种微波治疗设备，该微波治疗设备可以包括本发明实施例一～三提供的微波功率源。或者，该微波治疗设备可以包括本发明实施例一～三提供的微波功率源和微波天线辐射器。实施例六本发明实施例六提供一种微波信号生成方法，如图6所示，该方法包括以下步骤：步骤301、输出设定频率信号和衰减量控制信号。在本步骤中，可以输出设定频率信号，以及输出针对设定频率信号的衰减量控制信号。其中，输出设定频率信号，具体包括：按照设定周期产生指定频段内的频率信号作为设定频率信号，且每次产生的频率信号不同；针对每个指定频段内的频率信号对应的微波信号，将检测到的该微波信号的正向输出功率转换为第一信号，将对应检测到的该微波信号的反射功率转换为第二信号；根据第一信号和第二信号，确定每个指定频段内的频率信号对应的回波损耗，并将确定出的回波损耗中，最小回波损耗对应的频率信号，确定为优化的设定频率信号输出。其中，输出针对设定频率信号的衰减量控制信号，具体包括：根据设定频率信号对应的微波信号的正向输出功率为需要的实际有效发射功率，确定衰减量控制信号；针对输出的微波信号，将检测到的该微波信号的正向输出功率转换为第一信号，将对应检测到的该微波信号的反射功率转换为第二信号；根据此时对应的第一信号和此时对应的第二信号，确定实际有效发射功率与需要的实际有效发射功率之间差值的绝对值是否不大于设定值，若是，将此时对应的衰减量控制信号确定为最终产生的衰减量控制信号，否则，根据此时对应的第一信号和此时对应的第二信号，确定回波损耗，并根据该回波损耗确定需要的实际有效发射功率对应的正向输出功率，根据该正向输出功率，再次确定衰减量控制信号，直至确定出的实际有效发射功率与需要的实际有效发射功率之间差值的绝对值不大于设定值。步骤302、输出微波信号。在本步骤中，可以根据设定频率信号，输出相应频率的微波信号。步骤303、进行功率衰减。在本步骤中，可以根据衰减量控制信号，对相应频率的微波信号进行功率衰减。步骤304、信号放大输出。在本步骤中，可以对经过功率衰减后的微波信号进行信号放大后输出。本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本发明是参照根据本发明实施例的方法、装置(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。当前第1页12