專利名稱：全自動脈沖微波熱療機的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及自動脈沖微波綜合熱療機，特別是運用可變聚束脈沖微波治療婦產科、外科、腫瘤科、消化科、五官科、骨傷科及理療科等疾病的綜合熱療機。
背景技術：
微波指波長為1mm-1m的電磁波，其頻率為300-300000MHZ，微波在空氣中的傳播速度和光速相同。微波源主要器件為磁控管，磁控管分普通、同軸與反同軸、電壓調諧磁控管。普通磁控管按工作狀態可分為連續波磁控管和脈沖磁控管。國產微波治療機大都采用連續波磁控管，按波長稱為厘米機，工作頻率2450MHZ，最大輸出功率150W，分米機工作頻率915MHZ，最大輸出功率200W。國內大多數微波治療機其電路相對簡單，在相同的平均功率條件下透熱深度淺，其效果不理想。大連實瑞科技有限公司生產的平均功率2102多功能治療機系統，廣東科美思集團生產的MTS-915A、B微波治療機，南京華貝電子醫療設備有限公司的HBS-A變頻式全自動微波手術治療儀，天津賽監醫療科技有限公司生產的SM-200微波治療機，徐州科健醫療電子設備有限公司的KJ-6200多功能微波治療儀以及徐州華衛醫療設備有限公司的MMT-V1微波治療儀等，均屬連續波磁控管，功率較小。上海航天局第804研究所生產的MWZ-4脈沖微波治療機主要用于盆腔疾病，治療范圍存在局限性。
發明內容
本實用新型的目的是為了克服現有技術存在的功率小、透熱深度淺、局限性大的缺陷，提供一種自動脈沖微波綜合熱療機，能精確控制參量，進行數據處理，操作簡單，可靠性、穩定性好，智能化水平高，能自動記錄、打印治療時的溫度_ _時間曲線，治療效果好，適應范圍廣。
本實用新型由微波發生器、微波傳輸系統、計算機控制系統、控制保護電路15及冷卻裝置16組成，所述微波發生器由預調器、調制器組件、磁控管振蕩器電路組成，其中預調器由重調電路1、脈沖放大器及間歇振蕩器2、射隨器3、脈沖輸出級4組成，預調器制作成線路板插在調制器組件上，調制器組件由可逆電機組件6、調壓器組件7、脈沖調制放大器5組成，通過接線端連接在一起，并固定在熱療機的主機上，磁控管振蕩器電路由磁控管振蕩器8、步進電機組件12、控制器13組成，通過接線端連接在一起，固定在熱療機的主機上，磁控管振蕩器的外面安裝有冷卻裝置16，所述微波傳輸系統由波導分配器9、物理發泡同軸電纜10及電動升降臂17、輻射器11組成，物理發泡同軸電纜10掛在電動升降臂17上，一端與波導分配器9用球形探針耦合，另一端與輻射器相連，磁控管振蕩器8與波導分配器9用螺絲相連接，所述計算機控制系統由A/D、D/A接口控制器14、溫度傳感器18、計算機19、顯示器20、打印機21組成，通過接口轉換器與熱療機的主機連接在一起。工作框圖如圖1所示，整機外形如圖10和圖11所示。
采用脈沖磁控管，運用脈沖調制技術和計算機控制技術，調制脈沖持續時間分別為2±0.2微秒、1±0.2微秒，工作比0.06∶0.001，微波工作頻率915MHZ和2750MHZ，最大脈沖微波輸出功率200KW，平均輸出功率200W，脈沖持續時間2或1微秒，脈沖重復頻率分別為600HZ和1000HZ，功率密度80-880W/CM2可調，駐波系數≤1.2。
輻射器采用聚束光波，并在輻射器與被照射患部之間采用硅酸鹽介質層，厚度為4-10厘米，輻射器外形制作成圓形或圓柱形的喇叭口，并且波導傳輸分配和輻射器均采用板型結構，內表面進行鍍銀處理。
磁控管采用磁鋼的直流磁場強度為1000G，調制脈沖幅度為12KV，高端頻率為10cm波段。
磁控管的冷卻系統，用進口雙軸承軸流風專用風道對磁控管陰極燈絲及陽極板風冷，M1、M2分別給磁控管、脈沖調制管進風，M3、M4對整機抽風，風量≥60m3/h，當主機停機時，抽風設備延時停機，當M1、M2無風或風力過小時，風壓開關C的觸點斷開，使風機檢測信號線懸空，切斷高壓電路，以保護磁控管。
工作原理如圖1，脈沖微波源輸出功率，由能量耦合器經物理發泡同軸電纜導入輻射器，經硅酸鹽介質層，聚束形成微波束對患區病灶或腫瘤病變加熱，它的作用特性是瞬間脈沖功率很高(是平均輸出功率的1000倍)，脈沖持續時間短，間歇時間長，不僅大幅增加透熱深度，而且具有更強的非熱效應。顯示器實時顯示透熱功率大小和治療時間。測溫傳感器貼在病灶組織上，測溫傳感器采用高純鉑熱電阻貼片(型號RWLK)，其特點是結構簡單，響應速度快，測量精度高，穩定性好，安裝使用方便。溫度信號經傳感器監測并放大)經高阻線、11TTM H/C智能溫度變送器輸入數據采集卡(PCL-818LS)的A/D轉換器，經數據總線進入計算機處理，(圖2)進行閉環控制。在計算機內設定的透熱溫度與實測溫度之間不斷比較、運算，輸出指令通過集成在PCL-818LS的D/A轉換器控制調制脈沖和磁控管陽極電壓和電流大小，從而隨時修正透熱功率大小，保證治療安全、穩定、可靠。這個智能集成動態處理系統，不僅具有參量控制功能，還具有數據管理功能，交互式人機對話平臺，使操作更簡單。屏幕顯示被測溫度數據和治療時的溫度時間—特征曲線及病案信息，可存貯產打印。
本實用新型有固態器件組成的預調器如圖2，它的任務是在計算機通過接口控制器序觸發脈沖作用下，輸出寬度為2.1us，幅度大于300V和寬度為1us，幅度大于300V的正極性點火脈沖，加到調制管的第一柵極控制調制器的工作。預調器電路安裝在一塊插件板上，輸入級由BG4、C6、R19、R21等元件組成+600V電源，由BG1、BG2、BG3等組成重調電路經過R17、D9、D10接BG4集電極、BG4基極為零偏，故觸發脈沖未來時為截止狀態，當正觸發脈沖由P經C6、R18送到BG4基極，BG4導通放大，從發射極經D11、C18輸出正觸發脈沖送至緩沖放大器BG5的基極，D11與R21構成下限幅器，主要是用來防止干擾信號進入下一級電路。BG5、BG6及脈沖變壓器B2組成緩沖放大器及間歇振蕩器。觸發脈沖輸入前，BG5、BG6均為零偏，均不導通。當正向觸發脈沖到來時，通過C8、R22耦合到BG5的基極供其導通。BG5的ic流過脈沖變壓器B2的初級線圈，產生上正下負的感應電勢e1，同時在脈沖變壓器次級上產生下正上負的感應電勢e2，使BG6開始導通而振蕩，BG6導通后集電極電壓為低電位，使BG5立即截止，將振蕩器與觸發源斷開，防止相互影響，故BG5稱緩沖極，從脈沖變壓器B2次級線圈耦合一寬度為1微秒，幅度為500V的正脈沖加到BG7的基極，D13用來消除BG6振蕩結束時由脈沖變壓器2線圈分布電容產生的自由振蕩R24為阻尼電阻。射極輸出器由BG7、R30、R31、R32、D14組成，脈沖輸出級由BG8，耦合變壓器B3、R34、BG9和耦合升壓變壓器B4組成，在BG9的集電級產生較大功率的脈沖經變壓器B4及濾波電路C16、C17、L1R36組成由M輸出到調制放大器5的第一柵極，當觸發脈沖未到時第一柵極-600VG1截止，B9通過L27、D32、D33組成倍壓電路給G1提供12-30KV的陽極電壓，B6經過D28-D31、R39、C26向G1第二柵極提供1.7KV柵壓，當觸發脈沖到來時，G1導通C27、C28放電形成與預調器同步的大功率調制脈沖，經C28加到磁控管8的陰極，再到陽極去接地，電流表反映其陽極電流，當寬度為2微秒、1微秒，重復頻率為600HZ、1000HZ，幅度為10-13KV的觸發脈沖來到時，磁控管起控并工作在JI型振蕩狀態，輸出2740MHZ或926MHZ脈沖微波，磁控管的高頻能量，通過耦合環在腔體內與高頻磁場交鏈，構成電感耦合，從中取出高頻能量，經波導分配器9和掛在電動升降臂17上的物理發泡同軸電纜10到圓形或圓柱形的喇叭口天線輻射器，再到患部。波導傳輸分配和輻射器均采用板型結構，內表面光滑并鍍銀處理，物理發泡同軸電纜10與波導分配器9之間，用球形鍍銀探針耦合，探針的位置稍偏離波導寬邊的中心，以獲得較寬的帶寬，波導傳輸分配器9它是水平極化波和垂直極化波的共通道，內置電感棒用以使輻射器11與波導分配器9之間獲得匹配。本實用新型特性阻抗為75±3Ω，正向衰減不大于50dB，駐波比≤1.2。
本實用新型主要采用國產元器件，在技術指標上接近德國BSD-300-4微波治療機的水平，而價格不足其十分之一。本實用新型在技術性能和治療效果上大大優于大多數連續波治療機。與MWZ-4型脈沖微波治療機相比有如下優點本實用新型采用了固體器件的預調器和脈沖形成電路，比真空管電路要穩定、可靠，本實用新型采用了為本實用新型特制的醫用專業磁控管，起控電壓較低，工作電流較小，工作穩定，輸出功率無需大幅度衰減。而MWZ-4型直接采用軍用雷達脈沖磁控管，起控電壓高，存在著大馬拉小車問題，損耗也較大。機內電壓太高，故障也相應高。本實用新型對磁控管增加了保護電路，燈絲變壓器B7在預熱狀態下J3觸點接通15V，5分鐘后脈沖切換到9V供電，并接通高壓電路。當燈絲電壓低于9V，J3的觸點斷開，燈絲電壓檢查信號懸空，呈高電位切斷高壓，以避免磁控管在冷陰極或燈絲電壓不足的條件下加高壓，造成打火以損壞。由于調整管T2的調制脈沖直接加在磁控管陰極，陽極接地，本實用新型采用了C30和C31接地，對調制脈沖相當于短路，使13KV的調制脈沖不能直接加在燈絲變壓器次級使燈絲變壓器B7的高壓絕緣得到保護。
本實用新型與紅外線、超短波、射頻及其他微波治療儀相比有如下優點1、采用脈沖調制技術，變連續波為脈沖波，脈沖波持續時間短，只有1-2微秒，間歇時間長，工作比為0.001∶0.06，克服了表皮灼傷，增加了透熱深度8-10厘米，一般連續微波治療機透熱深度3-5厘米。
2、不同頻率的微波對皮膚、肌肉、脂肪、骨胳等組織的透熱深度不同，本實用新型采用可變頻脈沖，利用電子頻移，根據不同組織的病灶部位選擇使用，治療效果更好。
3、一般脈沖微波治療機依靠病人主觀自我感覺溫度，手動進行調節微波輸出功率，不準確，特別不能適應治療腫瘤的需要，本實用新型精密測溫系統，抗干擾強，能適時檢測臨床病休患部周圍溫度，即準確地探測到患者病灶區因吸收微波能量而引起的機體發熱，從而實現對輸出微波能量大小的精確控制。
4、一般脈沖微波治療儀手動控制操作，操作步驟復雜，可靠性、穩定性較差，本實用新型用計算機控制，實現了固態化、集成化，不僅能參量控制，還能數據處理，操作簡單，可靠性、穩定性好，智能化水平高，能自動記錄、打印治療時的溫度_ _時間曲線，和病案都是醫院理想的微波治療和醫學研究工具。
5、本實用新型采用404LXR線性馬達驅動的電動升降臂，并有方向轉動節，輻射器可以X、Y、Z三維方向移動，如圖14所示3404LXR線性馬達驅動系統包含限位開關、自鎖、步進集成控制器，能極方便地調整輻射器與人體表面的距離，輻射器內置硅酸鹽介質層。
6、遠場聚束和球體微波技術如圖12，治療時根據其平面能量分布圖和縱深能量分布圖，很好地解決如何將微波能量最有效地發送到患部病灶區，使波束密度增大，局部電磁波能量集中，增加了局部深透熱深度和強度，對治療急性化膿性炎癥、潰瘍病、前列腺肥大、肩周炎、多發性植物神經炎有很好的療效。
7、本實用新型具有超溫度報警退出治療程序和輸出功率歸零功能，對病人治療過程自動保護，還具有設備狀態安全檢測功能。
圖1是全自動脈沖微波熱療機工作框圖。
圖2是預調器電路圖。
圖3是電源電路原理圖。
圖4是調制器及磁控管振蕩器電路圖。
圖5是工作波形圖。
圖6是控制及保護電路圖。
圖7是調壓器及電流調整電路圖。
圖8是冷卻風機原理圖。冷卻風機原理圖中的b、c、d、e結構圖形與a相同。
圖9是A/D、D/A接口轉換器及溫度測量電路圖。
圖10是整機背面及溫度傳感器位置圖。
圖11是整機外形圖。
圖12是圓柱形輻射器剖面圖。
圖13是圓形輻射器剖面圖。
圖14是電動升降臂電路圖。
具體實施方式
結合附圖對本實用新型作進一步說明。
本實用新型由微波發生器、微波傳輸系統、計算機控制系統、控制保護電路15及冷卻裝置16組成，所述微波發生器由預調器、調制器組件、磁控管振蕩器電路組成，其中預調器由重調電路1、脈沖放大器及間歇振蕩器2、射隨器3、脈沖輸出級4組成，預調器制作成線路板插在調制器組件上，調制器組件由可逆電機組件6、調壓器組件7、脈沖調制放大器5組成，通過接線端連接在一起，并固定在熱療機的主機上，磁控管振蕩器電路由磁控管振蕩器8、步進電機組件12、控制器13組成，通過接線端連接在一起，固定在熱療機的主機上，磁控管振蕩器的外面安裝有冷卻裝置16，所述微波傳輸系統由波導分配器9、物理發泡同軸電纜10及電動升降臂17、輻射器11組成，物理發泡同軸電纜10掛在電動升降臂17上，一端與波導分配器9用球形探針耦合，另一端與輻射器相連，磁控管振蕩器8與波導分配器9用螺絲相連接，所述計算機控制系統由A/D、D/A接口控制器14、溫度傳感器18、計算機19、顯示器20、打印機21組成，通過接口轉換器與熱療機的主機連接在一起。電源22，溫度傳感器接口23，工作框圖如圖1所示，整機外形如圖10和圖11所示，預調器電路聯接如圖2所示，電源電路聯接如圖3所示，調制器及磁控管振蕩器電路聯接如圖4所示，控制及保護電路聯接如圖6所示，調壓器及電流調整電路聯接如圖7所示，冷卻風機原理如圖8所示，A/D、D/A接口轉換器及溫度測量電路聯接如圖9所示，電動升降臂電路如圖14，磁控管的工作波形如圖5所示。
為了解決增強局部透熱深度，本實用新型在輻射器的上使用聚束光波，如圖12，并在輻射器與被照射患部之間采用硅酸鹽介質層，厚度為7厘米，代替其他治療機輻射器與患部的空氣間隙，可降低微波在空氣間隙中反射和散射，進入體內的微波能量將提高一倍。本實用新型電動升降臂采用直流線性馬達驅動，由RS232如圖14與計算機D/A、A/D接口轉換器如圖9輸出口連接，可以通過計算機或手動按鈕方便地調整透熱距離。
溫度傳感器18如圖11，經信號放大器組件經信號線傳入數據采集卡的模擬量輸入端，送入計算機處理，計算機控制信號，通過轉換器變成數字信號輸出至控制器、繼電器對磁控管的輸出功率、冷卻風機的控制。磁控管G2的頻率調整由步進電機MSS及變速組件接受IC5驅動電路的控制，IC5驅動電路當接受計算機預設指令，通過D/A、A/D接口轉換器的工作脈沖帶動MSS正、逆轉動以改變磁控管振蕩腔頻率。
本實用新型控制磁控管的功率輸出大小，用以下方法實現，控制器輸出控制正反轉信號，單相可逆電容式減速一體化伺服電機M5帶動調壓器8，從回零初始狀態步進升壓或減壓使脈沖調制管陽極供電變壓器9次級高壓從0-13KV步升或步減，從而控制加在磁控管陰極和陽極之間的脈沖電壓的幅度，一組在線測量的磁控管的工作電流和脈沖調制器的陽極電壓，就對應一組磁控管的脈沖輸出功率和平均功率，采用步進式可逆電機調壓，較手動更方便準確，且輸出正弦波電流。比采用可控硅調壓，波形要好，調壓范圍大，克服其受導通角限制，不能回零，波形需要整形的缺點。磁控管頻點調整由控制器控制步進電機M6來調節磁控管頻率。
本實用新型的工作比，由預調器的輸入脈沖和調制器的振蕩頻率來決定的，為了確保磁控管工作在JI型振蕩條件下，當脈沖至頻率為2000HZ時脈沖寬度為0.5微秒，當脈沖至頻率為1000HZ時脈沖寬度為1微秒，使工作比即占空比始終為1000∶1，這就保證了瞬間的脈輸出功率很大，而輻射器的平均功率很小其為1/1000的比率，使治療安全可靠，而透熱深度以能增加到10-11厘米。
本實用新型工作過程通過鍵盤和鼠標向計算機輸入病案號或新病案則需輸入一些有關患者資料建立檔案和病案號，預置治療溫度、治療時間，并啟動開機程序，內置于數據采集卡上的將來自計算機的指令變成控制電信號輸入脈沖微波發生器，磁控管完成預熱后，微波發生器輸出脈沖微波功率由能量耦合器經物理發泡同軸電纜導入安裝在電動升降臂上的輻射器，電動升降臂由404LXR線性馬達驅動其方向聯軸節能在X、Y、Z三維空間自由移動和調整，輻射器與人體病灶表面的距離，依據病癥情況找到最佳照射距離。輻射器內的遠場聚束的微波束，照射病灶部位，對病變組織加熱，顯示實時顯示透熱功率大小和溫度—時間變化曲線，溫度能感器1-8只至少每次使用2只以上，一只放在病灶中心部位，一只貼放在病灶的邊緣，其余均勻分布在病灶上。脈沖微波束照射下的病變組織溫度上升，溫度信息經傳感器檢測并放大，由變送器11TTMH/C連接到數據采集卡的D/A轉換器端口，送入計算機運算處理。傳感器測量精度為±0.2℃，定期使用溫度校正程序，用標準傳感器校正測量傳感器。當某測溫度點的溫度值高于預置溫度時，計算機將發出指令，通過數據采集卡的D/A轉換器控制微波發生器的輸出功率大小，從而進行控制設定的透熱溫度，當測量溫度值高于預置溫度1℃時，計算機自動報警，保證患者安全。治療時登錄和生成的信息、文件存儲在計算機的內存和硬盤中，操作者可隨時查詢當前和歷史數據資料，并可從打印機打印輸出。
本實用新型治療機理人體組織中，細胞的內液與外液均含有各種帶電離子、極子及偶極子，在聚束脈沖微波場的作用下，加速運動，高頻振蕩，致使極性分子之間摩擦碰撞產生的能量被極性分子強烈的吸收。儲存轉換成熱能，引起人體局部乃到全身的一系列物理、化學、生物及免疫的變化，變化量取決于微波劑量(溫度/時間)大小，在微波劑量較低時，透熱能使局部組織血管擴張恢復正常循環功能，加強新陳代謝，提高機體免疫力，促進水腫吸收，達到消炎、解痙、松馳肌肉、鎮痛的功效。聚束脈沖微波照射腫瘤病灶時，由于腫瘤細胞內血流量少，含水量高，微波透熱后產生的熱能極易吸收，儲存形成高熱，而正常細胞含水量少，吸收熱能少，且熱能極易被血流帶走疏散開，不全形成局部高溫，當腫瘤細胞內溫度達到43.5℃以上時，細胞膜內外的離子推動“動平衡”，PH值下降，細胞染色體發生畸變或斷裂，溶酶體活性增高，產生新的溶酶體，導致了腫瘤細胞不可逆性破壞、致死后的腫瘤細胞分離物能刺激免疫系統抑制腫瘤細胞再生，同時還抑制腫瘤細胞的DNA的合成，使腫瘤細胞變性，即被熱殺死，從而實現無損傷、無副作用的治愈目的。
權利要求1.一種全自動脈沖微波熱療機，由微波發生器、微波傳輸系統、計算機控制系統、控制保護電路(15)及冷卻裝置(16)組成，其特征在于所述微波發生器由預調器、調制器組件、磁控管振蕩器電路組成，其中預調器由重調電路(1)、脈沖放大器及間歇振蕩器(2)、射隨器(3)、脈沖輸出級(4)組成，預調器制作成線路板插在調制器組件上，調制器組件由可逆電機組件(6)、調壓器組件(7)、脈沖調制放大器(5)組成，通過接線端連接在一起，并固定在熱療機的主機上，磁控管振蕩器電路由磁控管振蕩器(8)、步進電機組件(12)、控制器(13)組成，通過接線端連接在一起，固定在熱療機的主機上，磁控管振蕩器的外面安裝有冷卻裝置(16)，所述微波傳輸系統由波導分配器(9)、物理發泡同軸電纜(10)及電動升降臂(17)、輻射器(11)組成，物理發泡同軸電纜(10)掛在電動升降臂(17)上，一端與波導分配器(9)用球形探針耦合，另一端與輻射器相連，磁控管振蕩器(8)與波導分配器(9)用螺絲相連接，所述計算機控制系統由A/D、D/A接口控制器(14)、溫度傳感器(18)、計算機(19)、顯示器(20)、打印機(21)組成，通過接口轉換器與熱療機的主機連接在一起。
2.根據權利要求1所述的全自動脈沖微波熱療機，其特征在于采用脈沖磁控管，調制脈沖持續時間分別為2±0.2微秒或1±0.2微秒，工作比0.06∶0.001，微波工作頻率915 MHZ或2750MHZ，功率密度80-880W/CM2，駐波系數≤1.2。
3.根據權利要求1所述的全自動脈沖微波熱療機，其特征在于輻射器采用聚束光波，并在輻射器與被照射患部之間采用硅酸鹽介質層，其厚度為4-10厘米。
4.根據權利要求2所述的全自動脈沖微波熱療機，其特征在于磁控管采用磁鋼的直流磁場強度為1000G，調制脈沖幅度為12KV，頻率為10cm波段。
5.根據權利要求1所述的全自動脈沖微波熱療機，其特征在于磁控管的冷卻系統，用進口雙軸承軸流風專用風道對磁控管陰極燈絲及陽極板風冷，M1、M2分別給磁控管、脈沖調制管進風，M3、M4對整機抽風，風量≥60m3/h，當主機停機時，抽風設備延時停機，當M1、M2無風或風力過小時，風壓開關C的觸點斷開，使風機檢測信號線懸空，切斷高壓電路。
6.根據權利要求1所述的全自動脈沖微波熱療機，其特征在于輻射器外形制作成圓形或圓柱形的喇叭口。
7.根據權利要求1所述的全自動脈沖微波熱療機，其特征在于波導傳輸分配和輻射器均采用板型結構，內表面進行鍍銀處理。
專利摘要本實用新型涉及自動脈沖微波綜合熱療機，特別是運用可變聚束脈沖微波治療婦產科、外科、腫瘤科、消化科、五官科、骨傷科及理療科等疾病的綜合熱療機，本實用新型由微波發生器、微波傳輸系統、計算機控制系統、控制保護電路及冷卻裝置組成，通過電纜、電線和/或機械方式有效地連接在一起。本實用新型能精確控制參量，進行數據處理，操作簡單，可靠性、穩定性好，智能化水平高，能自動記錄、打印治療時的溫度—時間曲線，治療效果好，適應范圍廣。
文檔編號A61B18/18GK2568134SQ0227923
公開日2003年8月27日 申請日期2002年9月19日 優先權日2002年9月19日
發明者王福蘭, 陳萍, 偖 申請人:王福蘭, 陳萍, 偖