CN105310770A - 微波肿瘤消融仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微波肿瘤消融仪，其包括微波发生装置、驱动微波发生装置工作的电源、将微波能量导向消融组织的消融针以及用于检测消融组织附近温度的测温装置，其进一步还包括：阳极电流测量装置，用于测量微波发生装置的阳极电流值；以及模糊PID控制装置，用于根据微波发生装置的阳极电流值产生控制信号，控制电源中的相控整流装置的相位角，使微波发生装置的阳极电流等于或接近设定值。其有效克服了现有微波肿瘤消融仪存在的输出的平均功率一致性差和/或相同平均功率下瞬时功率一致性差的技术问题。

Description

微波肿瘤消融仪

技术领域

本发明涉及肿瘤消融仪，更具体地说，涉及微波肿瘤消融仪。

背景技术

微波消融是热消融领域新兴而前景光明的技术，它借助于各种不同形式的微波辐射器，将微波发生装置产生的微波能量导引、照射于人体的病变部位，极性分子在微波作用下会旋转，与非极性分子摩擦从而产生热量使组织受热坏死。水分子便是一种极性分子，而且水分子在人体组织中所占的比例高达70％以上，因而微波非常适用于组织的消融。相比于射频消融技术，微波消融所产生的功率更大，所以可以消融更大区域的肿瘤组织，并且速度更快。

微波的良好特性使得越来越多的人将精力投入到微波消融的研究中，早在上世纪70年代就出现了第一台微波医疗设备。微波消融设备中的核心部件是驱动微波发生装置(微波源)工作的电源，它的工作效率和稳定性直接影响着微波设备的整体性能。驱动微波发生装置工作的电源有两种可选技术方案：工频整流方案和开关电源方案。工频整流就是对220V、50Hz的交流市电进行升降压和整流得到所需电压的电源技术，该方案结构简单，控制方便。开关电源供电方式体积小、重量轻，功耗小、效率高，当对供电质量有较高要求，开关电源则是较好的选择。由于磁控管(微波发生装置)的非线性等特性，使得磁控管有明显的热漂移现象，使得输出功率实际上有一定的波动。按照国家医疗标准GB9706.6-92《医用电气设备微波治疗设备专用安全要求》，微波医疗设备的波动在±30％内就算达标。

目前市面上销售的微波肿瘤消融仪普遍采用检测温度的方式进行反馈控制，以保证病变处的组织处于设定的消融温度而又不伤害正常的组织。但该方法只能用来检测和预警，并不能对功率稳定输出有任何帮助，而且输出功率的一致性较低。此外，绝大多微波肿瘤消融仪采取了脉冲功率形式，导致在相同平均功率下，瞬时功率有时偏大，影响手术操作和消融效果，甚至有可能严重影响患者的消融效果和康复情况。

发明内容

本发明的目的是提供一种瞬时功率和平均功率波动率更低的微波肿瘤消融仪，以解决现有微波肿瘤消融仪存在的输出的平均功率一致性差和/或相同平均功率下瞬时功率一致性差的技术问题。

为达上述目的，本发明提供的一种微波肿瘤消融仪包括微波发生装置、驱动微波发生装置工作的电源、将微波能量导向消融组织的消融针以及用于检测消融组织附近温度的测温装置，该微波肿瘤消融仪进一步还包括：阳极电流测量装置，用于测量微波发生装置的阳极电流值；以及模糊PID控制装置，用于根据微波发生装置的阳极电流值产生控制信号，控制电源中的相控整流装置的相位角，使微波发生装置的阳极电流等于或接近设定值。

在上述的微波肿瘤消融仪中，优选地，所述模糊PID控制装置包括：

用于将微波发生装置的阳极电流值与设定值比较获取电流误差的模块；

用于计算所述电流误差的变化率的模块；

用于将电流误差以及电流误差的变化率转换成相应的模糊值的模块；

用于从模糊控制规则获取与电流误差的模糊值和电流误差变化率的模糊值相对应的△k_p、△k_i和△k_d的模糊值的模块；

用于将△k_p、△k_i和△k_d的模糊值转换成精确值的模块；

用△k_p、△k_i和△k_d的精确值计算整定参数值k_p、k_i和k_d的模块；以及

用得到的整定参数值计算实际控制量u(k)的模块；

所述△k_p、△k_i和△k_d分别为该时刻比例系数、积分系数和微分系数需要进行的调整量。

在上述的微波肿瘤消融仪中，优选地，所述模糊控制规则中，电流误差以及电流误差的变化率分别包括NB、NM、NS、ZO、PS、PM和PB七种模糊值，NB表示负大，NM表示负中，NS表示负小，ZO表示近零，PS表示正小，PM表示正中，PB表示正大。

在上述的微波肿瘤消融仪中，优选地，所述模糊控制规则中，△k_p、△k_i和△k_d分别包括NB、NM、NS、ZO、PS、PM和PB七种模糊值，NB表示负大，NM表示负中，NS表示负小，ZO表示近零，PS表示正小，PM表示正中，PB表示正大。

在上述的微波肿瘤消融仪中，优选地，所述电源的相控整流装置包括降压变压器、第一电压比较电路、积分电路和第二电压比较电路，220V市电首先通过降压变压器降压到9V，9V的交流电通过第一电压比较电路与0V电压比较得到±12V的矩形波，该矩形波通过积分电路变成锯齿波，该锯齿波通过第二电压比较电路与一个给定的直流电平比较，输出一个相位可调的矩形波，所述给定的直流电平随所述模糊PID控制装置产生的控制信号的变化而变化。

在上述的微波肿瘤消融仪中，优选地，所述电源的阳极高压电路采用全桥变换结构和串联谐振软开关电路，在开关回路中串联有由晶闸管和大电阻并联构成的并联支路，所述晶闸管与开关变压器的一个绕阻连接以控制电源启动时晶闸管处于关断状态电流通过所述大电阻流动、而电源工作稳定后晶闸管处于导通状态电流通过晶闸管流动。

在上述的微波肿瘤消融仪中，优选地，所述电源的阳极高压电路采用芯片SG3525驱动控制，芯片SG3525的第2脚与微控制器连接以调节PWM波的占空比，芯片SG3525的第7脚和第8脚之间连接由电阻和电容构成的充放电电路以调节PWM波的频率。

在上述的微波肿瘤消融仪中，优选地，所述电源的灯丝控制电路采用芯片L6599，在芯片L6599输出的两个PWM波之间插入了一个固定大小的死区时间，PWM波的占空比和死区时间固定，根据反馈信号改变PWM波的频率使输出电压稳定在3.3V。

在上述的微波肿瘤消融仪中，优选地，所述测温装置包括K型热电偶和芯片MAX6675。

在上述的微波肿瘤消融仪中，优选地，所述阳极电流测量装置包括由光耦芯片LOC211和两个运放芯片LM358构成的隔离电路。

本发明设置有阳极电流测量装置和模糊PID控制装置，能够根据阳极电流和磁控管输出功率之间的线性关系，通过检测阳极电流的方法来检测微波功率，进而进行反馈控制，保证微波肿瘤消融仪一直运行在设定状态下，即输出的瞬时功率和平均功率更加稳定。

附图说明

图1为一些实施例微波肿瘤消融仪的原理框图；

图2为电源中相控整流装置的电路图；

图3为D/A变换电路；

图4为电源中阳极高压电路的拓扑结构图；

图5为阳极高压电路的驱动控制电路图；

图6为低压灯丝控制电路图；

图7为PWM驱动隔离电路图；

图8为测温装置的电路图；

图9为阳极电流测量装置的电路图；

图10为时钟电路图；

图11为过流保护电路图；

图12为过压、欠压及过温保护电路图；

图13为模糊PID控制装置的构成图；

图14为模糊控制隶属函数图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。这些更详细的说明旨在帮助本领域技术人员进一步地理解本发明，而非对本发明的限制。而在一些情况下，为了避免造成发明内容淡化，对本领域的公知技术未做详细描述。

参照图1，一些实施例的微波肿瘤消融仪包括：微波发生装置2、驱动微波发生装置2工作的电源1、将微波能量导向消融组织(肿瘤)的消融针3、以及用于检测消融组织附近温度的测温装置6，工作时，220V交流市电通过电源1变成2000V左右的直流高压和3.3V交流电压，驱动微波发生装置2产生2450MHz的微波，输出功率可通过调节手段进行控制，产生的微波通过水冷微波消融针3送入到消融组织。测温装置6对消融组织附近温度进行检测，以保证消融组织处的温度达到消融的要求，而正常组织处于安全状态。

该微波肿瘤消融仪进一步还包括：阳极电流测量装置4和模糊PID控制装置5。阳极电流测量装置4用于测量微波发生装置2的阳极电流值；模糊PID控制装置5用于根据微波发生装置2的阳极电流值产生控制信号，控制电源1中的相控整流装置的相位角，使微波发生装置2的阳极电流等于或接近设定值。即，根据阳极电流和磁控管输出功率之间的线性关系，通过检测阳极电流的方法来检测微波功率，通过微控制器进行反馈控制，保证微波肿瘤消融仪一直运行在设定的状态下。

微波发生装置2采用了松下2M167B－M11型磁控管，该磁控管是一种低电压小功率并且功率连续可调的磁控管。其输出口采用标准50欧姆、电缆接头规格L16的同轴输出口。主要应用于微波医疗、美容和科研教学中，可连续输出0～200W的微波。

图2示出了电源1中的相控整流装置11的电路。参照图2，相控整流装置11包括降压变压器111、第一电压比较电路112、积分电路113和第二电压比较电路114。降压变压器111同时起到降压和隔离作用，防止高压击穿，保证电路更加安全。220V市电首先通过降压变压器111降压到9V，9V的交流电通过第一电压比较电路112与0V电压比较得到±12V的矩形波。该矩形波通过积分电路113变成锯齿波，更具体地说，当电压为+12V时，三极管2N3904开通，积分电路开始工作，电容两端电压线性上升，当电压为-12V时，三极管2N3904关断，电容两端电压迅速放电，电压为0，这样矩形波变成上升沿锯齿波，通过计算可保证在0.01s内锯齿波电压从0线性上升到5V。该锯齿波通过第二电压比较电路114与一个给定的直流电平比较，输出一个相位可调的矩形波，该矩形波便可将工频正弦波、过零点和相位触发点联系起来。所述的给定的直流电平根据模糊PID控制装置5产生的控制信号而生成，随模糊PID控制装置5产生的控制信号的变化而变化，具体可以通过图3的一个D/A变换电路实现，D/A变化芯片为AD5320，它通过IIC或者SPI通信方式与微控制器进行通信，微控制器将模糊PID控制装置5产生的控制信号发送给AD5320，让AD5320产生需要的电压(0～5V的直流电压)。电源1中的相控整流装置11的输出端与开关变压器副边的升压电路(该升压电路用于产生2000V左右的直流高压)连接，用相控整流装置11输出的相位可调的矩形波控制该升压电路。

图4示出了电源1中的阳极高压电路12的拓扑结构。参照图4，阳极高压电路12采用全桥变换结构和串联谐振软开关电路。在开关回路中串联有由晶闸管121和大电阻122并联构成的并联支路，晶闸管121与开关变压器的一个绕阻连接以控制电源启动时晶闸管121处于关断状态电流通过大电阻122流动、而电源工作稳定后晶闸管121处于导通状态电流通过晶闸管121流动。由于在电源开机时刻变压器副边侧电压为0，这样使得主电路电流较大，在上述电路中通过晶闸管121的选通性让电流流经大电阻122，通过大电阻122降低开通时的启动电流，待电路工作稳定后，变压器侧电压增大，此时晶闸管121导通，电流通过晶闸管121流动，这样就可以保证启动时各电子器件的安全。

图5示出了阳极高压电路的驱动控制电路13。参照图5，阳极高压电路采用芯片SG3525驱动控制，芯片SG3525的第2脚与微控制器连接以调节PWM波的占空比，芯片SG3525的第7脚和第8脚之间连接由电阻和电容构成的充放电电路以调节PWM波的频率。芯片SG3525是一种在全桥开关电源变换器中使用广泛的芯片，其性能良好稳定，使用方便。在本电路中，PWM波的占空比可由芯片SG3525的第1脚和第2脚决定，当第1脚处的电压值高于第2脚，PWM占空比增加，反之则减少。这样通过微控制器改变第2脚的电压值便可以调节PWM波的占空比，即做到调压的效果。

图6示出了低压灯丝控制电路。参照图6，灯丝控制电路14采用芯片L6599，在芯片L6599输出的两个PWM波之间插入了一个固定大小的死区时间，PWM波的占空比和死区时间固定，根据反馈信号改变PWM波的频率使输出电压稳定在3.3V。芯片L6599常用于谐振半桥电路中，它提供50％的占空比：在同一时间高端和低端180度反相。通过在两个PWM波之间插入一个固定大小的死区时间，可以防止开关管贯穿而造成上下导通。在占空比和死区时间固定的情况下，通过改变频率，也可以达到调压的目的，频率变高，则电压有效值减小，反之则增大。本电路正是根据此原理，通过反馈控制，保证即使220V市电在180V到260V范围内波动，灯丝电压也可以稳定在3.3V。

芯片L6599内部有一个可承受高电压的浮动结构，故而芯片L6599产生的PWM波可直接作用于主电路中，但芯片SG3525产生的PWM却仍需通过隔离变压器隔离，并通过放大和整形后才可作用于芯片IGBT。图7示出了一些实施例中采用的PWM驱动隔离电路。

测温装置6采用了MAXIM公司的芯片MAX6675及配套的K型热电偶。芯片MAX6675是MAXIM公司开发的专门适用于K型热电偶的一种串行模数转换器，它不需要设计专门的信号放大滤波、线性化处理、A/D转换以及冷端补偿电路，节省了大量工作的同时还能提供较高的精度。它可将热电偶输出的电势转换为12位的数字信号，分辨率可达到0.25℃，温度补偿范围在-20℃～80℃之间，测量温度数据通过SPI端口输给微控制器，省去了传统温度检测的外围电路和软件程序设计，简化了电路。其实现电路如图8所示，通过SPI通信，微控制器便可以给芯片MAX6675发送控制指令，同时芯片MAX6675也可以通过SPI通信将测量数据发送给微控制器。

阳极电流测量装置4的作用是在高压系统中测量电流值并送入微控制器进行测量，由于是将强电部分的数据送入弱电中，若不对测量环路进行隔离，会导致高压电路加在微控制器两端造成微控制器被击穿。现在普遍采用的隔离电路有两种：一种是采用诸如霍尔元器件构成的磁耦合电路；另一种是采用光耦构成的光耦合电路。一些实施例中，采用由光耦芯片LOC211和两个运放芯片LM358构成的隔离电路，具体电路如图9所示，阳极电流通过电阻变成电压信号，电压信号通过放大器和光耦组成的放大电路变成线性电流信号送入光耦中，利用光耦的隔离特性使得电流信号从光耦的一侧传输到另一侧，最后通过LM358将电流信号转化成电压信号，就此完成了强弱电之间的隔离。

图10是时钟电路。该时钟电路用来给整个系统的工作提供时间基准。其中时钟芯片采用的是Dallas公司的DS12887。由于微控制器已经使用了数个中断，再使用时钟定时中断来产生时间基准极易产生中断冲突，增加系统的不稳定性，因此采用了独立的时钟芯片来给整个系统的工作提供时间基准。

此外还采用了过流保护电路，以及过压、欠压和过温保护电路。过流保护电路如图11所示，首先把互感器得到的交流电流整流得到直流电流，然后通过电阻将电流值变为电压值，最后与由滑动变阻器分压得到的基准电压进行比较。当电流过流时，会使比较器电平由低变高，通过二极管送到芯片SG3525的10端口，使芯片SG3525锁闭，起到保护电路的目的，同理，当电流过低时，亦会使另一端的比较器动作产生电平响应，切断电路。通过调节滑动变阻器便可以改变基准值，从而调节保护电路灵敏度。

过压、欠压和过温保护电路如图12所示，过压和欠压保护电路是用来检测220V市电是否正常，过压会造成仪器损坏，欠压意味着电网出现较大问题，都需要及时切断。可以通过三个比较电路分别实现，220V市电由电阻器分压得到比较值，同时利用二极管的反向击穿稳压特性产生一个稳定的基准电压，对两者进行比较，当过压时第一比较电路中实际电压值会高过设定值，同理欠压时在第二比较电路中实际电压值会低于设定值，过温时在第三比较电路中热敏电阻端的电压会高于设定值，这三种情况下都会使电压翻转从而产生电平变换，送给微处理器关断电路，实现保护功能。

由于磁控管具有非线性、大滞后、参数时变的特点，即使提供稳定不变的阳极电压，其输出功率也会发生变化，也就是磁控管热漂移现象。所以本发明配备了相应的控制装置，即模糊PID控制装置5。

常规的PID控制算法，其增量的数字化表达为: $\mathrm{\Δ}U\left(k\right)=K_p\{\[e\left(k\right)-e(k-1)\]+\frac{T_{0}e\left(k\right)}{K_I}+\frac{K_D}{T_0}\[e\left(k\right)-2e(k-1)+e(k-2)\]\}$ 式中，△U(k)为第k个时刻的输出增量、e(k)为此刻的偏差，T₀为控制周期，K_p、K_I和K_D则分别为比例、积分、微分系数。常规的PID控制算法一经整定，K_p、K_I和K_D这三个参数就将固定下来，但磁控管的特性决定了其不能简单的使用常规PID控制算法。模糊PID控制算法不需要对被控对象建立精确的数学模型，它继承了常规PID控制算法简单有效的优点，同时又能适用于参数时变的控制系统，只要该系统仍遵循一定的逻辑规律，模糊PID控制算法便能取得很好的效果。

参照图13，模糊PID控制装置5包括：

用于将微波发生装置的阳极电流值与设定值比较获取电流误差的模块51；

用于计算所述电流误差的变化率的模块52；

用于将电流误差以及电流误差的变化率转换成相应的模糊值的模块53；

用于根据模糊控制规则获取与电流误差的模糊值和电流误差变化率的模糊值相对应的△k_p、△k_i和△k_d的模糊值的模块54；

用于将△k_p、△k_i和△k_d的模糊值转换成精确值的模块55；

用△k_p、△k_i和△k_d的精确值计算整定参数值k_p、k_i和k_d的模块56；以及

用得到的整定参数值计算实际控制量u(k)的模块57；

其中，所述△k_p、△k_i和△k_d分别为该时刻比例系数、积分系数和微分系数需要进行的调整量。

模糊的原理就是将精确的数字量e、de/dt、K_p、K_I和K_D用模糊化语言表达出来。故而首先需要建立模糊控制规则表，将精确量和模糊量进行对应。差值e是设定值r与实际值c的差值，差值e越大说明此刻系统的运行离目标越远，所有控制的最终目标都是希望e一直维持在0这个点上。差值的变化率de/dt体现了差值的变化趋势，如果差值e大于0且差值变化率de/dt也大于0，表明系统在越来越偏离设定的目标值，只有de/dt小于0系统才有回归的可能。同理假如e小于0则要求de/dt大于0系统才可能往稳定方向运行。

比例系数K_p是根据偏差量成比例的调节系统控制量，其作用在比例、积分、微分三个环节中最为迅速。比例系数越大则系统的响应速度越快，但太大会引起系统超调，使得系统不稳定，所以一般当差值e较大时K_p可以选择较大的参数，当系统接近稳定时再使用较小的比例系数；积分系数K_I用于积分环节之中。由于比例环节都是成倍的调节系统控制量，因此其无法做到连续调节各个参数段，该问题产生的结果便称为静态误差，缩小比例系数可以减小静态误差但无法消除，而且会使得系统的响应变慢，故而需要引入积分环节，通过积分的连续性将控制量覆盖到各个参数段；微分系数K_D则作用于微分环节，微分环节的作用可理解为提前预测系统运行趋势。比如有些系统可能响应会有滞后性，某一时刻差值e较大，但差值的变化率de/dt却有明显的反向增大的趋势，如果单纯的利用e进行反馈控制，会给系统需要长时间、强控制才能回归稳定的错觉，但实际上差值的变化率de/dt却预示着系统将迅速回到设定值，故而微分环节在滞后系统中尤为关键。

当偏差e较大时，为了使系统迅速达到设定值，应该让K_p取较大值，而在积分较大的情况下，为了防止饱和，K_I取较小值，一般取为0；当偏差中等大小时，既要使系统快速达到设定值又防止超调，K_p和K_D适当取小一点，而K_I取得适中；当偏差较小时，为了保证系统的稳定性，应该让K_p、K_I都取较大值，而K_D的选取则需要考虑，当差值的变化率de/dt较小时，K_D取大些，反之则取小些，若不好确定则取中等大小。

本实施例中将差值(电流误差)e和差值的变化率de/dt划分成NB、NM、NS、ZO、PS、PM和PB七个模糊值，NB代表负大，NM代表负中，NS代表负小，ZO代表近零，PS代表正小，PM代表正中，PB代表正大。同样，将△k_p、△k_i和△k_d分别划分成NB、NM、NS、ZO、PS、PM和PB七个模糊值，NB表示负大，NM表示负中，NS表示负小，ZO表示近零，PS表示正小，PM表示正中，PB表示正大。根据上面的分析可以建立出△k_p、△k_i、△k_d的模糊控制规则表，具体如下：

表1-1△k_p模糊控制规则表

表1-2△k_i模糊控制规则表

表1-3△k_d模糊控制规则表

上述模糊控制规则表显示出了检测值与控制量之间的关系。e表示误差，ec表示误差变化率。e和ec在任何一种情况下都能找到一组对应的△k_p、△k_i、△k_d。总共有7X7＝49种组合，当然也可以划分出更多的组合，但这会增加判据，在很多场合49种分类已经可以满足工程需要。

上述模糊值无法送入微处理器进行处理，必须进行去模糊化，将模糊值变成精确的数值，该过程可视为模糊化的逆过程，这就需要隶属函数的帮助。通过模糊控制隶属函数图(如图14所示)就可以得到数字化的检测值和数字化的控制量之间的关系如下表所示：

表1-4△k_p模糊控制隶属函数表

表1-5△k_i模糊控制隶属函数表

表1-6△k_d模糊控制隶属函数表

通过上述模糊化、模糊判据和去模糊化得到了检测量和控制量之间的数值关系。但该数字还不能直接作用于控制器，因为观察前面的隶属函数我们可以看到各个模糊值对应的数字量都是-3～3或者-6～6，而实际的监测量或者控制量很难完全在这一范围内，这期间需要进行归一化和去归一化，归一化的基准值根据实际情况进行选取。除了归一化，还可以看到实际上大部分的区域e和ec都同时满足两个模糊区域，这样相当于该运行点有2*2＝4种隶属情况，当然1*2和1*1也可以视为2*2的特殊情况。当一个状态有符合4种判据时，其输出控制量就通过加权平均的方法得到，其公式如下：式中的u(△K_pj)(j＝1、2、3……n表示规则条件语句的条数)是根据量化后的对应隶属度求得的△k_p的隶属度，△K_pj就是△k_p模糊子集的模糊论域的加权平均中心值，然后再乘以比例因子就得到了PID参数的增量调整具体的数值。同理 ${\mathrm{\Δk}}_i=\frac{\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}u\left({\mathrm{\ΔK}}_{ij}\right)\×{\mathrm{\ΔK}}_{ij}}{\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}u\left({\mathrm{\ΔK}}_{ij}\right)},{\mathrm{\Δk}}_d=\frac{\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}u\left({\mathrm{\ΔK}}_{dj}\right)\×{\mathrm{\ΔK}}_{dj}}{\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}u\left({\mathrm{\ΔK}}_{dj}\right)}$ 分别求得△k_p、△k_i、△k_d参数调整值，然后有公式k_p＝k_p+△k_pλ_p，k_i＝k_i+△k_iλ_i，k_d＝k_d+△k_dλ_d式中，k_p、k_i、k_d为前一时刻送入控制器的比例、积分、微分系数。△k_p、△k_i、△k_d为该时刻比例、积分、微分系数需要进行的调整量，λ_p、λ_i、λ_d为△k_p、△k_i、△k_d需要进行的反归一化值。新整定得到的控制值k_p、k_i、k_d便可送入控制器当中，对应的增量输出为：

△u(k)＝k_p[e(k)-e(k-1)]+k_ie(k)+k_de(k)[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]＝(k_p+k_i+k_d)e(k)-(k_p+2k_d)e(k-1)k_de(k)e(k-2)增量PID的输出控制量即为各个时刻的增量值之和，大小为 $u\left(k\right)=\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}\mathrm{\Δ}u\left(i\right).$

u(k)的变化会改变图3中芯片AD5320的输出直流电压大小，即改变了相控整流的相位角，最后对应于磁控管的输出功率值。

具体使用时，通过人机界面在开始工作之前，设置所需要的微波功率值和治疗时间，同时开机5s内灯丝电压会被预热，阳极电压先线性增加到1600V。之后进行反馈控制，阳极电流测量装置4采集到阳极电流值以后经过数据转换、归一化处理、数字滤波后作为模糊PID控制装置5的输入变量，同时结合设定的阳极电流值综合判断处理后输出控制信号，控制信号经D/A转换为模拟信号送入电子调压器(电源1中的相控整流装置)，调节相位角实现功率调节，直到测量到的阳极电流值与设定值相似。当治疗时间到达后，切断磁控管供电，治疗结束。

Claims (10)

1.一种微波肿瘤消融仪，包括微波发生装置(2)、驱动微波发生装置工作的电源(1)、将微波能量导向消融组织的消融针(3)以及用于检测消融组织附近温度的测温装置(6)，其特征在于，该微波肿瘤消融仪还包括：

阳极电流测量装置(4)，用于测量微波发生装置的阳极电流值；以及

模糊PID控制装置(5)，用于根据微波发生装置的阳极电流值产生控制信号，控制电源中的相控整流装置的相位角，使微波发生装置的阳极电流等于或接近设定值。

2.根据权利要求1所述的微波肿瘤消融仪，其特征在于，所述模糊PID控制装置(5)包括：

用于将微波发生装置的阳极电流值与设定值比较获取电流误差的模块(51)；

用于计算所述电流误差的变化率的模块(52)；

用于将电流误差以及电流误差的变化率转换成相应的模糊值的模块(53)；

用于从模糊控制规则获取与电流误差的模糊值和电流误差变化率的模糊值相对应的△k_p、△k_i和△k_d的模糊值的模块(54)；

用于将△k_p、△k_i和△k_d的模糊值转换成精确值的模块(55)；

用△k_p、△k_i和△k_d的精确值计算整定参数值k_p、k_i和k_d的模块(56)；以及

用得到的整定参数值计算实际控制量u(k)的模块(57)；

所述△k_p、△k_i和△k_d分别为该时刻比例系数、积分系数和微分系数需要进行的调整量。

3.根据权利要求2所述的微波肿瘤消融仪，其特征在于：所述模糊控制规则中，电流误差以及电流误差的变化率分别包括NB、NM、NS、ZO、PS、PM和PB七种模糊值，NB表示负大，NM表示负中，NS表示负小，ZO表示近零，PS表示正小，PM表示正中，PB表示正大。

4.根据权利要求2所述的微波肿瘤消融仪，其特征在于：所述模糊控制规则中，△k_p、△k_i和△k_d分别包括NB、NM、NS、ZO、PS、PM和PB七种模糊值，NB表示负大，NM表示负中，NS表示负小，ZO表示近零，PS表示正小，PM表示正中，PB表示正大。

5.根据权利要求1所述的微波肿瘤消融仪，其特征在于：所述电源(1)的相控整流装置(11)包括降压变压器(111)、第一电压比较电路(112)、积分电路(113)和第二电压比较电路(114)，220V市电首先通过降压变压器降压到9V，9V的交流电通过第一电压比较电路与0V电压比较得到±12V的矩形波，该矩形波通过积分电路变成锯齿波，该锯齿波通过第二电压比较电路与一个给定的直流电平比较，输出一个相位可调的矩形波，所述给定的直流电平随所述模糊PID控制装置产生的控制信号的变化而变化。

6.根据权利要求1所述的微波肿瘤消融仪，其特征在于：所述电源的阳极高压电路采用全桥变换结构和串联谐振软开关电路，在开关回路中串联有由晶闸管和大电阻并联构成的并联支路，所述晶闸管与开关变压器的一个绕阻连接以控制电源启动时晶闸管处于关断状态电流通过所述大电阻流动、而电源工作稳定后晶闸管处于导通状态电流通过晶闸管流动。

7.根据权利要求1所述的微波肿瘤消融仪，其特征在于：所述电源的阳极高压电路采用芯片SG3525驱动控制，芯片SG3525的第2脚与微控制器连接以调节PWM波的占空比，芯片SG3525的第7脚和第8脚之间连接由电阻和电容构成的充放电电路以调节PWM波的频率。

8.根据权利要求1所述的微波肿瘤消融仪，其特征在于：所述电源的灯丝控制电路采用芯片L6599，在芯片L6599输出的两个PWM波之间插入了一个固定大小的死区时间，PWM波的占空比和死区时间固定，根据反馈信号改变PWM波的频率使输出电压稳定在3.3V。

9.根据权利要求1所述的微波肿瘤消融仪，其特征在于：所述测温装置包括K型热电偶和芯片MAX6675。

10.根据权利要求1所述的微波肿瘤消融仪，其特征在于：所述阳极电流测量装置包括由光耦芯片LOC211和两个运放芯片LM358构成的隔离电路。