一种医用微波治疗设备及其控制方法与流程

1.本发明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，以及控制微波功率输出的方法。


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，本发明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.本发明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，与预置的电流阀值、温度阀值进行比较，如果超过相应的阀值，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阀值，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阀值，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，当主控制器得温度值高于预置阀值，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。
23.一种医用微波治疗设备的控制方法，包括以下步骤：
24.第一步：微波振荡器的输出信号依次经滤波及驱动模块中的固定衰减器、滤波器、功率驱动放大器。滤波及驱动模块中的功率驱动放大器输出依次经射频隔离及末级放大模块中的射频隔离器、功率末级放大器。射频隔离及末级放大模块中的功率末级放大器输出
经射频输出接口至应用部件。
25.第二步：参数采集及嵌入式控制模块中的电流采集电路、温度采集电路分别采集射频隔离及末级放大模块中的功率末级放大器的温度参数和工作电流参数送至参数采集及嵌入式控制模块中的嵌入式控制器。
26.射频隔离及末级放大模块中射频隔离器的另一路输出依次经采集及嵌入式控制模块中的功率衰减器、功率检波器送至嵌入式控制器。
27.第三步：嵌入式控制器读取电流采集电路和温度采集电路采集电流及温度实时值，与其内预置的电流阀值、温度阀值进行比较：
28.如果超过预置阀值(imax或tmax)，嵌入式控制器通过采集及嵌入式控制模块(54)中的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。
29.如果均未超过相应的阀值(tmax)，嵌入式控制器根据预存其中的温度/功率补偿表，通过连接在固定衰减器和滤波器之间的可调衰减器，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。
30.嵌入式控制器读取功率检波器的输出值，对射频隔离器输出端口的正向、反向功率进行监控，若反向功率超过其内预置阀值，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停止功率输出。
31.第四步：在主控及辅助功能模块中，温度采集系统将设置在应用部件中温度传感器信号依次经采集电路、滤波电路、信号放大电路后送至主控制器。
32.主控制器比较温度传感器信号与内设预置阀值，当温度值高于预置阀值，主控制器发送切断指令通过通信电路及接口给嵌入式控制器，再由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，进而切断整个系统的功率输出。
33.第五步：在主控及辅助功能模块中，主控制器控制冷却系统中的蠕动泵的启停、转速。
34.蠕动泵、冷却液管及应用部件内的冷却液循环回路构成冷却液循环通路。
35.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，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。
36.本发明的有益效果在于：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
37.图1为现有技术附图；
38.图2为本发明微波治疗设备系统框图；
39.图3为本发明中冷却系统框图；
40.图4为本发明中温度采集系统框图；
1-30器件实现，功率末级放大器则仍然选用ldmos晶体管实现。
50.参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，会与预置的电流阀值imax、温度阀值tmax进行比较，如果超过相应的阀值，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，电流阀值imax可以通过实验测得。如果均未超过相应的阀值，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，进而对本发明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。
51.这里电流阀值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，因此可以设置电流阀值imax为16a。
52.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阀值，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。
53.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，当主控制器得温度值高于预置阀值，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。
54.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。