一种医用微波治疗设备的制作方法

1.本实用新型涉及一种微创治疗设备的信号发生装置，尤其涉及一种医用微波治疗设备。


背景技术：

2.微波技术在外科手术凝血、组织切割、肝脏及甲状腺肿瘤/结节等的消融治疗方面已经有数十年的应用。相比于传统的外科手术，可显著减少手术出血量，提高手术成功率，而在肝脏、甲状腺结节的治疗领域，其效果甚至可媲美外科手术切除，且具有手术创伤小、术后恢复快、肝功/甲功可最大限度保留等优势，也因此在介入(超声)科、内分泌科、肿瘤科、外科等科室应用越来越普及。
3.微波治疗设备内部都有一个或多个微波信号发生装置，该类发生装置主要采用磁控管、固态微波源两种方案，磁控管方案内部含高压变压器模块，不仅寿命短、效率低，而且因内部工作电压大(≥1500v)导致的安全性不佳，输出功率在温度影响下还易漂移，所以磁控管方案在医用微波领域的应用会越来越窄。
4.而固态微波源方案不仅体积小，重量轻，而且效率高于磁控管方案，基于半导体技术的不断发展，固态微波源方案在输出功率的准确性、整体可靠性方面日益提高，是医用微波设备的应用方向。
5.专利文献授权公告号为cn103271769b的大功率2450mhz固态源微波治疗仪专利如图1所示，公开了该治疗仪由晶振锁相微波振荡器、固态放大器、环形器、微波功率开关、嵌入式微处理器、液晶触摸屏、电源组成，有多种工作频率和工作方式供选择，同时还具有超温报警和反射功率报警功能。
6.1、温度变化会导致固态源微波治疗仪输出功率发生偏差，该专利未解决温度变化对固态源输出功率准确性的影响。
7.2、固态微波源内工作参数，如正反向功率、驻波比、工作电流等等都会实时变化，该专利未能实时监控其工作状态，难以保障微波治疗手术的安全。
8.因此，有必要进一步提高固态源的输出功率准确性，工作的安全可靠性并实时掌握固态微波源的工作状态，以便微波治疗仪实时做出反应。


技术实现要素：

9.针对上述问题，本实用新型提供的医用微波治疗设备及其控制方法可基于温度变化通过补偿方法不断校正固态微波源的输出功率，同时可实时检测固态微波源的工作电流，正、反向功率，实时工作效率，驻波比变化等情况，保障固态微波源及其附件组成的微波治疗系统安全、可靠的用于微波治疗手术，降低手术风险。
10.本实用新型提供的医用微波治疗设备采用如下技术方案：
11.一种医用微波治疗设备由6个模块组成，分别是微波振荡器、滤波及驱动模块、射频隔离及末级放大模块、参数采集及嵌入式控制模块、主控及辅助功能模块，电源模块则为
上述5模块提供必须的电源供给，下面对各模块及彼此之间的级联关系进行详细阐述。
12.滤波及驱动模块包括固定衰减器、可调衰减器、滤波器、功率驱动放大器。固定衰减器输入端与微波振荡器的输出端相连，可调衰减器的输入端与固定衰减器的输出端相连，滤波器的输入端与可调衰减器的输出端相连，功率驱动放大器的输入端与滤波器的输出端相连，功率驱动放大器由单级或多级功率驱动放大电路组成。
13.射频隔离及末级放大模块包括射频隔离器和功率末级放大器，射频隔离器的输入端与滤波及驱动模块的输出端相连，功率末级放大器输入端与射频隔离器的输出端相连。
14.参数采集及嵌入式控制模块包括电流采集电路、温度采集电路、功率检波电路、开关电路、嵌入式控制器，功率检波电路包括功率衰减器和功率检波器。
15.电流采集电路、温度采集电路从功率末级放大器中采集电流及温度实时值，嵌入式控制器得到电流、温度实时值后，与预置的电流阈值、温度阈值进行比较，如果超过相应的阈值，嵌入式控制通过控制开关电路进而控制功率驱动放大器和功率末级放大器开路以切断控制固态微波源(56)功率输出；如果均未超过相应的阈值，嵌入式控制器根据预存其中的温度/功率补偿表，通过调节可调衰减器的端口电压值，调节其插损值，进而对功率末级放大器输出端口功率进行补偿，以保证最终输出功率的准确性。
16.功率衰减器连接在射频隔离器与功率检波器之间，嵌入式控制器的一输入端口与功率检波器的输出端口相连。通过功率检波电路，嵌入式控制器对射频隔离器输出端口的正向、反向功率进行监控，若反向功率超过预置阈值，嵌入式控制器通过控制开关电路进而控制功率驱动放大器和功率末级放大器开路以停止功率输出。
17.主控及辅助功能模块包括冷却系统、温度采集系统、人机交互模块、主控制器。冷却系统包括蠕动泵、冷却液管及应用部件内的冷却液循环回路。
18.蠕动泵与主控制器的控制端口相连，由主控制器控制蠕动泵的启停、转速大小。温度采集系统包括温度传感器、采集电路、滤波电路、信号放大电路。温度传感器设计于应用部件内部，温度采集系统的信号输出端与主控制器的输入端连接，当主控制器的温度值高于预置阈值，发送切断指令通过通信电路及接口给嵌入式控制器，嵌入式控制器通过开关电路控制功率驱动放大器和功率末级放大器开路以停止功率输出。人机交互模块与主控制器相连，通过人机交互模块获得系统的实时工作情况。
19.所述的微波振荡器的输出频率可以是2450mhz、915mhz或433mhz。
20.所述的可调衰减器可以选用压控性的二极管衰减器。
21.所述的射频隔离及末级放大模块中的功率末级放大器输出功率一般不高于 120w。
22.所述的通过人机交互模块获得系统的实时工作情况，是指主控制器通过通信电路及接口从嵌入式控制器获得系统内实时温度、实时电流、实时正/反向功率值。主控制器通过正/反向功率计算出的实时驻波值，通过实时电流、正向功率计算出的实时效率，通过人机交互模块显示给用户。
23.本实用新型的有益效果在于：基于温度变化通过补偿方法不断校正固态微波源的输出功率，同时可实时检测固态微波源的工作电流，正、反向功率，实时工作效率，驻波比变化情况，保障固态微波源及其附件组成的微波治疗系统安全、可靠的用于微波治疗手术，降低手术风险。
附图说明
24.图1为现有技术附图；
25.图2为本实用新型微波治疗设备系统框图；
26.图3为本实用新型中冷却系统框图；
27.图4为本实用新型中温度采集系统框图；
28.图5为本实用新型微波治疗系统外部接口及应用部件示意图；
29.图6为本实用新型的温度—功率补偿表。
30.其中：51-微波振荡器，52-滤波及驱动模块，53-射频隔离及末级放大模块， 54-参数采集及嵌入式控制模块，55-主控及辅助功能模块，56-固态微波源。
31.图6中：p—预置功率；preal1—实际输出功率；tn—嵌入式控制器采集到的温度实时值；δpn—预置功率p与实际输出功率preal的差值。
具体实施方式
32.下面结合附图对本实用新型做进一步说明。
33.如图2，本实用新型提供的医用微波治疗设备由6个模块组成，分别是微波振荡器51、滤波及驱动模块52、射频隔离及末级放大模块53、参数采集及嵌入式控制模块54、主控及辅助功能模块55，电源模块则为上述5个模块提供必须的电源供给，下面对各模块及彼此之间的级联关系进行详细阐述。
34.微波振荡器51是整个系统的信号发生器件，可根据临床需要设计成2450mhz 或915mhz，可选用可靠性高、稳定性好、噪声低的发生器件实现，本实施例，选用集成vco的超低噪声、超低寄生0.37ghz至6.39ghz整数n pll合成器ltc6946 作为微波振荡源，可实现2450mhz的输出频率要求。微波振荡器51的频率还可以为433mhz。
35.滤波及驱动模块52是微波振荡器的下级，主要作用是满足功率末级放大器的输入功率要求，由固定衰减器、可调衰减器、滤波器、功率驱动放大器组成。固定衰减器输入端与微波振荡器51输出端相连，其主要作用是抑制输入功率过大，导致功率末级放大器过早饱和，线性度变差，本实施例中我们选用t型或π型衰减器实现。可调衰减器输入端与固定衰减器输出端相连，其主要作用是解决因温度变化造成的功率末级放大器输出功率准确性差的问题。可调衰减器可选压控性的二极管衰减器，温度变化时，嵌入式控制器会根据温度调节二极管衰减器的电压值进而控制其插损值，从而起到对功率末级放大器输出端功率进行补偿调节的目的。滤波器的输入端与可调衰减器的输出端相连，其作用是滤除其他频率信号，防止噪声信号进入下级的功率驱动放大器，最终干扰正常工作频率，由于医用微波频率以2450mhz、915mhz为主，所以，该滤波器一般选用高通滤波电路实现。功率驱动放大器的输入端与滤波器的输出端相连，可由单级或多级功率驱动放大电路组成，其作用是对经过滤波器的输出功率进行放大，以满足后级(射频隔离器)足够的功率输入要求，为了确保微波治疗设备输出功率的高线性要求，功率驱动放大电路需选用高线性、耐高反射功率而不损伤的器件，本实施例选用功率 ldmos晶体管实现功率放大，ldmos晶体管能经受住高于双极型晶体管3倍的驻波比，在较高的反射功率下运行而不破坏ldmos设备。
36.射频隔离器及末级放大模块53主要包括射频隔离器和功率末级放大器两部分。对于微波治疗设备，微波传输通道的某点连接不佳会造成驻波增大、反射功率增加，如果不对
发射功率进行抑制/隔离，则会对上级模块造成损坏，所以，需要在功率驱动放大器与功率末级放大器之间增加射频隔离器，射频隔离器即可防止负载失配、开路情况下，反射功率增大造成上级电路的损耗。功率末级放大器输入端与射频隔离器的输出端相连，其作用是对射频隔离器输出端的功率进行最终放大，以使微波治疗设备的输出功率满足预期功率要求，医用微波治疗设备的输出功率一般不高于120w，本实施例中，射频隔离器选用wg1925x-1-30器件实现，功率末级放大器则仍然选用ldmos晶体管实现。
37.参数采集及嵌入式控制模块54包括电流采集电路、温度采集电路，功率检波电路(含配套功率衰减器)，开关电路、嵌入式控制器组成。电流采集电路、温度采集电路从功率末级放大电路中采集电流及温度实时值(功率末级放大器是电流、温度最大的电路模块)，嵌入式控制器得到电流、温度实时值后，会与预置的电流阈值imax、温度阈值tmax进行比较，如果超过相应的阈值，嵌入式控制通过控制开关电路进而控制功率驱动放大器和功率末级放大器开路以切断控制固态微波源功率输出，电流阈值imax可以通过实验测得。如果均未超过相应的阈值，嵌入式控制器会根据预存其中的温度—功率补偿表对功率进行补偿，如图6所示，以纠正输出功率。其中，图6中的p为预置功率，δpn为预置功率p和功率计实测功率preal的差值，该表可通过实验测得。通过调节可调衰减器的端口电压值，调节其插损值，进而对本实用新型医用微波治疗设备的功率末级放大器输出端口功率进行补偿，以保证最终输出功率的准确性。其中，上述温度—功率补偿表由实验测得并存储于嵌入式控制器的flash中。
38.这里电流阈值imax是正常工作的电流最大值，一般固态微波源在偶有元器件异常时，电流值会异常升高，比如正常情况下工作电流不高于10a，此时会达到16a，但是这时功率输出还在可控范围内，如果电流再高，其他器件会陆续烧毁，所以这时候要有一个保护机制，切断功率输出，以从电流角度对固态微波源起一个保护作用，因此可以设置电流阈值imax为16a。
39.功率检波电路由功率衰减器和功率检波器组成，功率衰减器与射频隔离器的输出端口相连，与功率检波器的输入端口相连。嵌入式控制器的一输入端口与功率检波器输出端口相连，通过功率检波电路，嵌入式控制器可对射频隔离器输出端口的正向、反向功率进行监控，若反向功率超过预置阈值，嵌入式控制亦可通过控制开关电路进而控制功率驱动放大器和功率末级放大器开路以停止功率输出，起到对整个系统的保护作用。
40.主控及辅助功能模块55包括冷却系统、温度采集系统、人机交互模块、主控制器四部分。其中，如图3所示，冷却系统由蠕动泵、冷却液管及应用部件内的冷却液循环回路组成，蠕动泵与主控制器的一端口相连，由主控制器控制蠕动泵的启停、转速大小，进而控制整个冷却系统的冷却启停及水流量大小。冷却系统可以降低应用部件的温度，防止应用部件烫伤患者体表。如图4所示，温度采集系统由温度传感器、数据采集电路、滤波电路、信号放大电路等组成，温度传感器设计于应用部件内部，信号输出端(温度采集系统的输出端)与主控制器的另一路连接，当主控制器的温度值高于预置阈值，同样会发送切断指令给嵌入式控制器，进而切断整个系统的功率输出。人机交互模块与主控制器相连，通过人机交互模块可以获得系统的实施工作情况，比如：系统内实时温度、实时电流、实时正/反向功率，此外，主控制器通过正/反向功率计算出的实时驻波值，通过实时电流、正向功率计算出的实时效率，也可通过人机交互模块显示给用户。
41.电源模块负责整个医用微波治疗设备的供电，具备整流、降压、隔离等功能。功率末级放大器一般端口电压为28
±
1v，冷却系统中的蠕动泵一般供电电压为 24v，嵌入式控制器、主控制器、滤波及驱动端电路一般端口电压为5v或3.3v，电源模块负责上述所有模块/电路的电压转换及供电，要求输出功率不低于400w。