一种智能微波治疗仪及其控制系统设计

 1 引言

微波治疗是临床上一种新的治疗手段，其设备简单，治疗效果明显，使用安全，并发症 少，对组织损伤小，因此得到医务界的肯定。微波治疗仪是利用微波在人体产生的热对患者的病变部位进行辐射，从而达到治疗目的，鉴于其治疗效果显著，是当今 发展无损伤治疗的理想医疗设备。目前各医院使用的微波治疗仪进口的占多数，普遍存在体积大、价格昂贵、操作复杂等缺点，而国内生产的微波治疗仪技术还需更 新、输出功率稳定性欠佳，致使治疗效果不明显，缺乏一些必要的保护措施，这使得整个系统的安全性不是很好，智能化程度不理想，使用操作起来显得不方便。所 以有必要对其进行重新设计，尤其在安全性和控制系统方面要使用新的设计方法，以达到最佳效果。

本文所设计的智能微波治疗仪有以下特 点：(1)控制系统在硬件上使用了过载保护，软件上采用了PID 控制加分段拟合的方法，使治疗仪的安全性能和输出功率有了根本性的改变;(2)在软件的 设计中采用了嵌入式操作系统，使整个微波治疗系统的可操作性能，安全性能以及稳定性都达到了一个新的高度。

2 微波治疗机理

微波是频率为300~300000MHz 波长1mm~1m 的超高频电磁波，属于非电离辐射。微波技术在医疗诊断和治疗两方面发挥重要作用。

在微波治疗过程中，根据采用的微波功率密度的不同，而区分出热效应治疗和非热效应治疗。目前，热效应治疗机制较为明确。其治疗机制是：人体组织内大部分 是由水和蛋白质等极性分子组成，在微波电场力矩的作用下，极性分子沿着微波电场的方向进行有序排列的取向运动，并随着高频电场的交变而来回转动，在转动的 过程中与相邻的分子产生类似摩擦碰撞而生成热量。使受照射部位机体组织温度上升，使血管，微血管扩张，达到加快新陈代谢过程，改善局部营养，增强组织修复 与再生能力的目的。与其它的热疗方法不同，微波加热的热源不是从外部传导，而是由生物组织本身产生的，这种热作用效率高，均衡性热稳定性好[4-6]。

3 系统组成及原理

利用微波致热效应治疗原理，把生物体置于微波辐射场中完成治疗过程。仪器主要由开关高压源、磁控管、线性电源、波导、微波探头、传感器和微控制器等组 成。脉宽调制式开关高压电源产生磁控管所需的高压，通过对高压直流电流的反馈控制，来稳定磁控管的输出功率，线性电源则提供稳定的直流电压给灯丝供电。磁 控管采用医疗专用磁控管，波导(微波电缆)用来传输微波，微波探头插入病人患部组织里面进行治疗[5]。传感器用来监测磁控管的输出功率。微控制器控制用 来整个系统的正常运行。

通过一个全桥整流器和一个比较器，将正弦交流电转变为一系列矩形波，在矩形波的下降沿-即正弦交流电的过零 点，系统将收到中断申请，表示可以触发可控硅和继电器，合适的触发点则由系统控制，以达到所要求的功率。功率传感器采集磁控管的输出，用来监测输出功率 值，组成一个闭环控制系统[3]。同时传感器的输出端还连在硬件保护电路上，如果控制系统出现故障，输出不受控制，则可能造成输出功率超出本仪器所要求的 范围，此时，由硬件保护电路将检测到输出超标信号，将输出强行关断，以增强系统的可靠性。在治疗结束后，上位机软件将输出此次治疗的相关信息，并保存到数 据库，以备复诊使用和进行治疗效果的统计分析。

4 控制系统

控制系统是整个治疗仪器的核心，所有的控制指令都由它发出，所以控制系统的稳定性设计是整个设计的关键。

为了增强仪器的可靠性和抗干扰性，使用了专门的硬件保护电路，当硬件出现故障，微波的输出不受控制，在其功率超过设定值后，硬件保护电路将被触发，自动 关断输出，提高了整个微波治疗仪的安全性。在软件设计上采用了嵌入式操作系统，使整个系统的稳定性和抗干扰性有了较大的提高。为了提高控制的可靠性和快速 响应的性能，使用了PID 闭环控制，同时微波管的输出功率受到电网电压，工作温度和工作时间等多方面的影响，其输出具有非线性、滞后、时变等特点，所以 将传感器的输入进行分段拟合，并且在各段设置了不同的校正系数，使输出更加平稳[1][2]。

4.1 控制系统硬件设计

硬件主要分为以下几个部分。电源为控制系统提供电源;键盘和 LCD 显示电路完成人机对话功能;磁控管的控制电路根据程序指令的要求达到对病人不同疾 病的治疗效果;硬件保护电路对控制系统出现的故障提供了可靠的保护;功率传感器和AD 转换器对微波管的输出进行监控;输出驱动则由继电器和可控硅同时完 成;通讯电路完成控制器和上位机的信息交换;蜂鸣器驱动电路结合发光二极管共同对预热结束、治疗结束和故障进行报警工作。

4.1.1 电源和人机交互电路

为了防止干扰从电源窜入，电源由开关电源和滤波电路组成，抗干扰性能较好。为了方便操作，设置了治疗理疗转换键，工作暂停键，功率调节键，时间调节键和复位键;显示采用液晶屏幕加LED 指示灯，用来显示当前功率、时间和治疗状态等信息。

4.1.2 磁控管的控制和驱动电路

磁控管是微波的发射源，由阳极、谐振腔、阴极和磁场组成，当给磁控管灯丝加上3.3V直流灯丝电压，使阴极加热，同时阳极和阴极之间加2000V 左右 的直流高压，阴极所发射的电子在强磁场作用下飞向阳极，阳极上有多个小的谐振腔，当电子打到阳极之前在这些谐振腔内发生振荡,谐振频率约为 2450MHz。在治疗开始之后，闭合继电器，可控硅在过零点之后触发，控制微波的强度。同时功率传感器开始工作，监测微波强度。当可控硅击穿或者出现其 它故障，系统不能控制磁控管的输出时，功率传感器采集到的值大于安全功率的上限，当断开可控硅无效的情况下，硬件保护电路动作，关闭继电器，断开高压电 源，同时报警，提醒操作人员仪器出现故障。

4.1.3 报警和通讯电路

报警电路主要由发光二极管和蜂鸣器组成。当治疗结束或者是出现故障时，报警电路动作，将目前状态以声光方式通知操作人员。通讯电路主要负责本仪器与上位机之间的数据通讯，在治疗完毕之后，将此次治疗的相关信息上传至上位机。

4.2 控制系统软件设计

本系统软件包括上位机和仪器软件两部分。上位机软件使用VB 编写，主要记录治疗的信息，以便复诊和对治疗效果的统计分析。微控制器部分采用 MicroC/OS-II 嵌入式操作系统，使整个控制系统稳定性和抗干扰性能大大增强，同时加快了设计速度并且代码易于维护。

在 治疗状态下，首先闭合继电器，然后检测电压的过零点，在过零点之后延时触发可控硅，延时时间由输出驱动电路和功率传感器组成PID 闭环系统控制。由于微 波管的输出不是成线性变化的，所以将传感器的输入用不同的校正系数进行分段校正、拟合后，再用于PID调节。提高了控制系统的可靠性和快速响应能力，并且 使输出更加平稳。

5 结语

本文作者创新点：该微波功率的控制方案从根本上解决了微波输出功率的失调问题。硬件上增加的保护电路使仪器的安全性能有了很大的提高，控制策略采用了分段拟合加PID控制融合的方法，既有线性化好 的特点，又有PID 控制精度高、稳定性好的优点，克服了微波功率控制中非线性，滞后，时变等带来的困难。