專利名稱：一種生物大體射頻加熱裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬射頻加熱技術，具體涉及一種將射頻應用于生物大體的熱療和均勻加熱處理的技術。
背景技術：
微波是頻率在300MHz-300GHz范圍內的電磁波。微波加熱的物理基礎是電介質在電磁場中存在介質損耗，所消耗的能量以熱的形式沉積在介質中，微波加熱是一種直接與介質進行能量傳遞的加熱原理。因此，微波加熱廣泛應用于工業加熱處理、食品加工、藥材處理和醫療等方面。目前微波加熱主要采用的頻率是915MHz和2450MHz，加熱的方式是通過散射多角度輻照對加熱區的物料進行整體加熱。與其它加熱方式相比，微波加熱的主要 優點是相關組織內部加熱時間快和熱流分布均勻，加熱過程無污染、零排放，直接加熱高效率和加熱功率精確可控等顯著優勢。但是，由于微波加熱涉及微波的傳輸耦合以及功率耗散等問題，因此，微波頻率不同，對不同材料的加熱效果有所不同。一般來講微波頻率越高，能有效穿透生物有機材料的深度下降，能量的損耗效率(吸收率)增加。特別是2450MHz的微波對水分子存在共振吸收效應，對含水物質的加熱效率高，速度快。但是隨著微波頻率的升高，對大尺寸物體的加熱均勻性下降，中心部位的耗散功率存在低谷，如圖I所示，不適合大尺寸物體的加熱應用。而當微波頻率太低，一方面對加熱工作區域尺寸要求很大，否貝U，微波無法傳播；另一方面，材料對微波的吸收率下降，加熱效率和速度下降，不適合小尺寸材料的加熱。綜合起來，微波加熱領域主要采用的頻段集中在900MHz 3GHz之間。近年來，生物醫學對熱處理，尤其是熱療產生了濃厚的興趣。而基于生物活體的加熱處理及熱療對加熱過程的可控性和安全性有極高的要求，生物大體加熱及熱療不同于通常的工業加熱和食品加熱，生物大體的熱療是對生物活體整體進行加熱，對加熱過程有其特有的要求。首先是安全性及副作用控制，對生物活體的加熱首要的問題是確保加熱過程的安全，同時盡量減少副作用的產生。這就對加熱方式提出了很高的要求，主要包括加熱過程的功率精確可控，對關鍵部位可有效隔離防護等。其次是對生物大體加熱部位和加熱功率分布均勻性要嚴格控制。這就要求加熱的功率可有效深入生物大體內部，也可以根據需要在特定的區域形成強加熱區域或不加熱區，還可以對生物大體整體從里到外均勻加熱等。最后是加熱設備不能有能量泄露，確保周邊工作人員的安全。傳統微波的加熱方法難以直接采用。存在的問題包括1、生物大體的尺寸一般在分米 米量級，常用的微波加熱仍然難以深入生物體內部，難以滿足加熱均勻性要求；2、傳統微波加熱采用散射腔的方式加熱，不能按要求穩定可靠控制加熱功率的分布；3、微波加熱腔無法開孔保護生物體部分重點部位,不能滿足高安全性的要求。
發明內容為了克服現有技術的不足，本發明提供一種生物大體射頻加熱裝置，改善生物大體加熱的均勻性、可控性和安全性。[0005]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是包括射頻源和諧振腔，諧振腔為一個封閉腔體，諧振腔電磁場分布可調節，射頻源安裝在諧振腔一端，射頻源頻率為150MHz-200MHz，生物大體置于射頻諧振腔內。所述的射頻源輸出功率為50W-2000W。所述的射頻源頻率連續可調；功率連續可調。所述的諧振腔開有一個直徑在15cm以內的通孔，通孔與射頻源關于諧振腔體積中心對稱分布。所述的諧振腔為一面對稱腔體，開有兩個直徑在15cm以內的通孔，兩個通孔關于對稱平面對稱分布，且射頻源位于諧振腔的對稱平面內。本發明的有益效果是本發明提出采用頻率為150MHZ-200MHZ的射頻加熱人體或其他動物大體，進行生物大體的射頻熱療或整體均勻加熱處理。150MHz-200MHz的射頻對生·物大體加熱采用了電磁場對生物大體介質極化反轉振蕩吸能機理，與微波加熱的不同之處在于，射頻加熱中水分子共振吸收效應很弱，生物介質對該頻段的適度低吸收率帶來了更好的穿透力和更均勻的能量耗散分布等優勢。該頻段對牛、羊和人等生物大體的有效透射深度可達IOcm以上，可更好地實現里外同時加熱，加熱功率分布更均勻，綜合加熱效果比915MHz,2450MHz等微波加熱更優、更安全。本發明采用150MHZ-200MHZ射頻進行加熱，加熱方式改為諧振腔式加熱。該波段的波長為I. 5nT2m，該波長與人體或其它動物如豬、牛、羊等生物大體的外形尺寸相當，采用封閉諧振腔后，可以形成電磁場穩定的均勻分布，由于動物大體對該頻段的電磁波吸收率適度，使電磁波能量具有較好的穿透力和更均勻的能量吸收耗散分布，使動物大體得到從里到外更均勻的加熱處理，有利于改善熱療效果和提高生物大體加熱的安全性。同時該波段的諧振腔尺度適當，工程實現更經濟可行，也便于開適當大小的孔對生物體關鍵部位(如頭部)進行監測和保護，而不會導致射頻能量的泄露。
圖I是微波與射頻透射功率分布與物料厚度關系圖；圖2是帶等效人體模型的諧振腔內180MHz射頻瞬態場分布圖；圖中，I一射頻諧振腔，2—人體,3—射頻電場；圖3 (a)是射頻加熱諧振腔結構圖，圖3 (b)是射頻加熱諧振腔結構圖，圖中，4一射頻傳輸線L40波導，5—射頻天線，6—活動支架，7—屏蔽門，8—圓柱射頻腔觀察孔，9 一射頻電磁波，10—屏蔽門間隙，11 一諧振腔支撐體，12—諧振腔滾動輪，13—屏蔽門扶手，14 一電磁屏蔽門，15—圓柱諧振腔開孔，16—生物大體頭部支撐，17—諧振腔支撐，18—圓柱諧振腔直徑，19 一圓柱諧振腔開孔直徑。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本發明進一步說明。(I)射頻源頻率為150ΜΗζ-200ΜΗζ，且頻率連續可調。在生物大體形狀和重量不同情況下，可調節射頻源輸出頻率，滿足諧振要求。(2)采用諧振腔式加熱方式，可調節控制場分布。人體或其它動物大體置于射頻諧振腔內，可以調節射頻場的分布來改善動物大體對射頻的吸收。也可以開直徑在15cm以內的孔用作其它目的而不會導致射頻能量泄露。(3)射頻源輸出功率為50W-2000W，連續波，功率連續可調。調節射頻源輸出功率，可控制加熱速度和加熱時間。這里給出人體吸收180MHz射頻的仿真結果，如圖2所示,表示某一時刻射頻在帶有人體負載的諧振腔內電場分布。仿真結果表明150ΜΗζ-200ΜΗζ射頻場強分布相對較均勻，易于整體均勻加熱。圖3 Ca)中，射頻天線采用單極子天線結構，既能高效激勵電磁波，又不占用諧振腔空間。圖3 (a)中，圓柱諧振腔內有絕緣介質材料做成的自由活動架，便于固定生物大體。圖3 (a)中，圓柱諧振腔開兩個直徑為IOOmm觀察孔，便于觀察生物大體在加熱過程中的反應，開孔采用透明的電磁屏蔽布覆蓋，保證射頻電磁波不泄露。圖3 (b)中，諧振腔開孔直徑為300mm，開孔的主要目的是保護生物大體頭部，使其不受射頻電磁波輻照加熱。圖
3 (b)中，在開孔周圍采用電磁屏蔽布做成電磁屏蔽護套，其功能是防止電磁波泄露。采用150MHz-200MHz射頻加熱，主要是由于該波段的波長為I. 5nT2m，該波長與人體或其它動物如豬、牛、羊等生物大體的外形尺寸相當，由于共振效應從而可以形成電磁場的均勻分布和有效穿透，由于動物大體對該頻段的電磁波吸收率適度，使電磁波能量具有較好的穿透力和更均勻的能量吸收耗散分布，使生物大體得到從里到外更均勻的加熱處理，有利于改善熱療效果和提高生物大體加熱的安全性。此外，生物大體的個體形狀和重量差異，加熱時工作頻率存在漂移現象。因此，采用150MHZ-200MHZ射頻源加熱，射頻源頻率可調，可滿足不同生物大體諧振加熱的要求。射頻源工作頻率的調節步長為O. 25MHz。采用諧振腔式加熱方式，主要是為了調節控制諧振腔內電磁場分布，滿足不同的生物大體加熱要求。150MHz-200MHz的諧振腔尺寸與生物大體尺寸相當，對生物大體加熱時腔內能量分布較均勻，諧振腔內部空間得到合理充分應用。同時，諧振腔所占空間較小，有利于醫療設備的產品化。最后，150MHz-200MHz諧振腔便于開適當大小的孔對生物體關鍵部位(如頭部)進行觀察和保護，而不會導致射頻能量的泄露，有利于屏蔽電磁污染和生物大體敏感部位的局部保護等。諧振腔結構采用圓柱諧振腔，圓柱諧振腔長度1750mm，圓柱諧振腔直徑1100mm,圓柱諧振腔開孔尺寸300mm和150mm。采用射頻源功率為50W-2000W，連續波，功率可調，主要控制加熱速度和加熱時間，滿足不同生物大體的加熱要求。加熱生物大體時,功率過大,會導致生物大體的表面灼傷；功率過小,滿足不了生物大體的加熱需求。射頻源輸出功率的調節步長為20W。根據生物大體在加熱過程的反應，實時調節射頻源輸出功率，滿足加熱安全性和有效性要求。綜上所述，本發明的創新點是(I)采用150MHz-200MHz射頻加熱新方法，射頻電磁波透射深度深，加熱體內外同時加熱。(2)采用射頻諧振腔加熱新方式，電磁場場強分布可控，也更均勻，加熱腔大小合適，適合用于生物大體整體均勻加熱。(3)采用150MHz-200MHz射頻諧振腔加熱，局部電磁場較容易屏蔽，也可以開合適的窗口，用于保護頭、手等敏感部位，更有利于保證加熱過程中生物大體的安全性。(4)射頻諧振加熱腔結構與生物大體尺寸相當，結構緊湊，易于加熱設備的工程化，易于推廣應用到醫療設備和其它射頻加熱設備 。
權利要求1.一種生物大體射頻加熱裝置，包括射頻源和諧振腔，其特征在于諧振腔為一個封閉腔體，諧振腔電磁場分布可調節，射頻源安裝在諧振腔一端，射頻源頻率為150MHz-200MHz，生物大體置于射頻諧振腔內。
2.根據權利要求I所述的生物大體射頻加熱裝置，其特征在于所述的射頻源輸出功率為 50W-2000W。
3.根據權利要求I所述的生物大體射頻加熱裝置，其特征在于所述的射頻源頻率連續可調；功率連續可調。
4.根據權利要求I所述的生物大體射頻加熱裝置，其特征在于所述的諧振腔開有一個直徑在15cm以內的通孔，通孔與射頻源關于諧振腔體積中心對稱分布。
5.根據權利要求I所述的生物大體射頻加熱裝置，其特征在于所述的諧振腔為一面對稱腔體，開有兩個直徑在15cm以內的通孔，兩個通孔關于對稱平面對稱分布，且射頻源位于諧振腔的對稱平面內。
專利摘要本實用新型公開了一種生物大體射頻加熱裝置，采用頻率為150MHz-200MHz的射頻對生物大體進行加熱，包括射頻源和諧振腔，諧振腔為一個封閉腔體，諧振腔電磁場分布可調節，射頻源安裝在諧振腔一端，射生物大體置于射頻諧振腔內。本實用新型可更好地實現里外同時加熱，加熱功率分布更均勻，綜合加熱效果更優。本實用新型有利于改善熱療效果和提高生物大體加熱的安全性。
文檔編號H05B6/00GK202679682SQ201220323720
公開日2013年1月16日 申請日期2012年7月5日 優先權日2012年7月5日
發明者黃文華, 梁鐵柱, 郭國禎, 蘇建倉, 謝學軍, 孫鈞, 王康懿, 李佳偉 申請人:西北核技術研究所