CN202679682U

CN202679682U - 一种生物大体射频加热装置

Info

Publication number: CN202679682U
Application number: CN 201220323720
Authority: CN
Inventors: 黄文华; 梁铁柱; 郭国祯; 苏建仓; 谢学军; 孙钧; 王康懿; 李佳伟
Original assignee: Northwest Institute of Nuclear Technology
Current assignee: Northwest Institute of Nuclear Technology
Priority date: 2012-07-05
Filing date: 2012-07-05
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2022-07-05

Abstract

本实用新型公开了一种生物大体射频加热装置，采用频率为150MHz-200MHz的射频对生物大体进行加热，包括射频源和谐振腔，谐振腔为一个封闭腔体，谐振腔电磁场分布可调节，射频源安装在谐振腔一端，射生物大体置于射频谐振腔内。本实用新型可更好地实现里外同时加热，加热功率分布更均匀，综合加热效果更优。本实用新型有利于改善热疗效果和提高生物大体加热的安全性。

Description

一种生物大体射频加热装置

技术领域

本发明属射频加热技术，具体涉及一种将射频应用于生物大体的热疗和均匀加热处理的技术。

背景技术

微波是频率在300MHz-300GHz范围内的电磁波。微波加热的物理基础是电介质在电磁场中存在介质损耗，所消耗的能量以热的形式沉积在介质中，微波加热是一种直接与介质进行能量传递的加热原理。因此，微波加热广泛应用于工业加热处理、食品加工、药材处理和医疗等方面。目前微波加热主要采用的频率是915MHz和2450MHz，加热的方式是通过散射多角度辐照对加热区的物料进行整体加热。与其它加热方式相比，微波加热的主要优点是相关组织内部加热时间快和热流分布均匀，加热过程无污染、零排放，直接加热高效率和加热功率精确可控等显著优势。但是，由于微波加热涉及微波的传输耦合以及功率耗散等问题，因此，微波频率不同，对不同材料的加热效果有所不同。一般来讲微波频率越高，能有效穿透生物有机材料的深度下降，能量的损耗效率（吸收率）增加。特别是2450MHz的微波对水分子存在共振吸收效应，对含水物质的加热效率高，速度快。但是随着微波频率的升高，对大尺寸物体的加热均匀性下降，中心部位的耗散功率存在低谷，如图1所示，不适合大尺寸物体的加热应用。而当微波频率太低，一方面对加热工作区域尺寸要求很大，否则，微波无法传播；另一方面，材料对微波的吸收率下降，加热效率和速度下降，不适合小尺寸材料的加热。综合起来，微波加热领域主要采用的频段集中在900MHz~3GHz之间。

近年来，生物医学对热处理，尤其是热疗产生了浓厚的兴趣。而基于生物活体的加热处理及热疗对加热过程的可控性和安全性有极高的要求，生物大体加热及热疗不同于通常的工业加热和食品加热，生物大体的热疗是对生物活体整体进行加热，对加热过程有其特有的要求。首先是安全性及副作用控制，对生物活体的加热首要的问题是确保加热过程的安全，同时尽量减少副作用的产生。这就对加热方式提出了很高的要求，主要包括：加热过程的功率精确可控，对关键部位可有效隔离防护等。其次是对生物大体加热部位和加热功率分布均匀性要严格控制。这就要求加热的功率可有效深入生物大体内部，也可以根据需要在特定的区域形成强加热区域或不加热区，还可以对生物大体整体从里到外均匀加热等。最后是加热设备不能有能量泄露，确保周边工作人员的安全。传统微波的加热方法难以直接采用。存在的问题包括：1、生物大体的尺寸一般在分米~米量级，常用的微波加热仍然难以深入生物体内部，难以满足加热均匀性要求；2、传统微波加热采用散射腔的方式加热，不能按要求稳定可靠控制加热功率的分布；3、微波加热腔无法开孔保护生物体部分重点部位，不能满足高安全性的要求。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种生物大体射频加热装置，改善生物大体加热的均匀性、可控性和安全性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括射频源和谐振腔，谐振腔为一个封闭腔体，谐振腔电磁场分布可调节，射频源安装在谐振腔一端，射频源频率为150MHz-200MHz，生物大体置于射频谐振腔内。

所述的射频源输出功率为50W-2000W。

所述的射频源频率连续可调；功率连续可调。

所述的谐振腔开有一个直径在15cm以内的通孔，通孔与射频源关于谐振腔体积中心对称分布。

所述的谐振腔为一面对称腔体，开有两个直径在15cm以内的通孔，两个通孔关于对称平面对称分布，且射频源位于谐振腔的对称平面内。

本发明的有益效果是：本发明提出采用频率为150MHz-200MHz的射频加热人体或其他动物大体，进行生物大体的射频热疗或整体均匀加热处理。150MHz-200MHz的射频对生物大体加热采用了电磁场对生物大体介质极化反转振荡吸能机理，与微波加热的不同之处在于，射频加热中水分子共振吸收效应很弱，生物介质对该频段的适度低吸收率带来了更好的穿透力和更均匀的能量耗散分布等优势。该频段对牛、羊和人等生物大体的有效透射深度可达10cm以上，可更好地实现里外同时加热，加热功率分布更均匀，综合加热效果比915MHz、2450MHz等微波加热更优、更安全。

本发明采用150MHz-200MHz射频进行加热，加热方式改为谐振腔式加热。该波段的波长为1.5m~2m，该波长与人体或其它动物如猪、牛、羊等生物大体的外形尺寸相当，采用封闭谐振腔后，可以形成电磁场稳定的均匀分布，由于动物大体对该频段的电磁波吸收率适度，使电磁波能量具有较好的穿透力和更均匀的能量吸收耗散分布，使动物大体得到从里到外更均匀的加热处理，有利于改善热疗效果和提高生物大体加热的安全性。同时该波段的谐振腔尺度适当，工程实现更经济可行，也便于开适当大小的孔对生物体关键部位（如头部）进行监测和保护，而不会导致射频能量的泄露。

附图说明

图1是微波与射频透射功率分布与物料厚度关系图；

图2是带等效人体模型的谐振腔内180MHz射频瞬态场分布图；

图中，1—射频谐振腔，2—人体，3—射频电场；

图3（a）是射频加热谐振腔结构图，图3（b）是射频加热谐振腔结构图，

图中，4—射频传输线L40波导，5—射频天线，6—活动支架，7—屏蔽门，8—圆柱射频腔观察孔，9—射频电磁波，10—屏蔽门间隙，11—谐振腔支撑体，12—谐振腔滚动轮，13—屏蔽门扶手，14—电磁屏蔽门，15—圆柱谐振腔开孔，16—生物大体头部支撑，17—谐振腔支撑，18—圆柱谐振腔直径，19—圆柱谐振腔开孔直径。

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。

(1)射频源频率为150MHz-200MHz，且频率连续可调。在生物大体形状和重量不同情况下，可调节射频源输出频率，满足谐振要求。

(2)采用谐振腔式加热方式，可调节控制场分布。人体或其它动物大体置于射频谐振腔内，可以调节射频场的分布来改善动物大体对射频的吸收。也可以开直径在15cm以内的孔用作其它目的而不会导致射频能量泄露。

(3)射频源输出功率为50W-2000W，连续波，功率连续可调。调节射频源输出功率，可控制加热速度和加热时间。

这里给出人体吸收180MHz射频的仿真结果，如图2所示，表示某一时刻射频在带有人体负载的谐振腔内电场分布。仿真结果表明：150MHz-200MHz射频场强分布相对较均匀，易于整体均匀加热。

图3（a）中，射频天线采用单极子天线结构，既能高效激励电磁波，又不占用谐振腔空间。图3（a）中，圆柱谐振腔内有绝缘介质材料做成的自由活动架，便于固定生物大体。图3（a）中，圆柱谐振腔开两个直径为100mm观察孔，便于观察生物大体在加热过程中的反应，开孔采用透明的电磁屏蔽布覆盖，保证射频电磁波不泄露。图3（b）中，谐振腔开孔直径为300mm，开孔的主要目的是保护生物大体头部，使其不受射频电磁波辐照加热。图3（b）中，在开孔周围采用电磁屏蔽布做成电磁屏蔽护套，其功能是防止电磁波泄露。

采用150MHz-200MHz射频加热，主要是由于该波段的波长为1.5m~2m，该波长与人体或其它动物如猪、牛、羊等生物大体的外形尺寸相当，由于共振效应从而可以形成电磁场的均匀分布和有效穿透，由于动物大体对该频段的电磁波吸收率适度，使电磁波能量具有较好的穿透力和更均匀的能量吸收耗散分布，使生物大体得到从里到外更均匀的加热处理，有利于改善热疗效果和提高生物大体加热的安全性。此外，生物大体的个体形状和重量差异，加热时工作频率存在漂移现象。因此，采用150MHz-200MHz射频源加热，射频源频率可调，可满足不同生物大体谐振加热的要求。射频源工作频率的调节步长为0.25MHz。

采用谐振腔式加热方式，主要是为了调节控制谐振腔内电磁场分布，满足不同的生物大体加热要求。150MHz-200MHz的谐振腔尺寸与生物大体尺寸相当，对生物大体加热时腔内能量分布较均匀，谐振腔内部空间得到合理充分应用。同时，谐振腔所占空间较小，有利于医疗设备的产品化。最后，150MHz-200MHz谐振腔便于开适当大小的孔对生物体关键部位（如头部）进行观察和保护，而不会导致射频能量的泄露，有利于屏蔽电磁污染和生物大体敏感部位的局部保护等。谐振腔结构采用圆柱谐振腔，圆柱谐振腔长度1750mm，圆柱谐振腔直径1100mm，圆柱谐振腔开孔尺寸300mm和150mm。

采用射频源功率为50W-2000W，连续波，功率可调，主要控制加热速度和加热时间，满足不同生物大体的加热要求。加热生物大体时，功率过大，会导致生物大体的表面灼伤；功率过小，满足不了生物大体的加热需求。射频源输出功率的调节步长为20W。根据生物大体在加热过程的反应，实时调节射频源输出功率，满足加热安全性和有效性要求。

综上所述，本发明的创新点是：

(1)采用150MHz-200MHz射频加热新方法，射频电磁波透射深度深，加热体内外同时加热。

(2)采用射频谐振腔加热新方式，电磁场场强分布可控，也更均匀，加热腔大小合适，适合用于生物大体整体均匀加热。

(3)采用150MHz-200MHz射频谐振腔加热，局部电磁场较容易屏蔽，也可以开合适的窗口，用于保护头、手等敏感部位，更有利于保证加热过程中生物大体的安全性。

(4)射频谐振加热腔结构与生物大体尺寸相当，结构紧凑，易于加热设备的工程化，易于推广应用到医疗设备和其它射频加热设备。

Claims

1.一种生物大体射频加热装置，包括射频源和谐振腔，其特征在于：谐振腔为一个封闭腔体，谐振腔电磁场分布可调节，射频源安装在谐振腔一端，射频源频率为150MHz-200MHz，生物大体置于射频谐振腔内。

2.根据权利要求1所述的生物大体射频加热装置，其特征在于：所述的射频源输出功率为50W-2000W。

3.根据权利要求1所述的生物大体射频加热装置，其特征在于：所述的射频源频率连续可调；功率连续可调。

4.根据权利要求1所述的生物大体射频加热装置，其特征在于：所述的谐振腔开有一个直径在15cm以内的通孔，通孔与射频源关于谐振腔体积中心对称分布。

5.根据权利要求1所述的生物大体射频加热装置，其特征在于：所述的谐振腔为一面对称腔体，开有两个直径在15cm以内的通孔，两个通孔关于对称平面对称分布，且射频源位于谐振腔的对称平面内。