CN2568134Y - 全自动脉冲微波热疗机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及自动脉冲微波综合热疗机，特别是运用可变聚束脉冲微波治疗妇产科、外科、肿瘤科、消化科、五官科、骨伤科及理疗科等疾病的综合热疗机，本实用新型由微波发生器、微波传输系统、计算机控制系统、控制保护电路及冷却装置组成，通过电缆、电线和/或机械方式有效地连接在一起。本实用新型能精确控制参量，进行数据处理，操作简单，可靠性、稳定性好，智能化水平高，能自动记录、打印治疗时的温度—时间曲线，治疗效果好，适应范围广。

Description

全自动脉冲微波热疗机

                            技术领域

本实用新型涉及自动脉冲微波综合热疗机，特别是运用可变聚束脉冲微波治疗妇产科、外科、肿瘤科、消化科、五官科、骨伤科及理疗科等疾病的综合热疗机。

                            背景技术

微波指波长为1mm-1m的电磁波，其频率为300-300000MHZ，微波在空气中的传播速度和光速相同。微波源主要器件为磁控管，磁控管分普通、同轴与反同轴、电压调谐磁控管。普通磁控管按工作状态可分为连续波磁控管和脉冲磁控管。国产微波治疗机大都采用连续波磁控管，按波长称为厘米机，工作频率2450MHZ，最大输出功率150W，分米机工作频率915MHZ，最大输出功率200W。国内大多数微波治疗机其电路相对简单，在相同的平均功率条件下透热深度浅，其效果不理想。大连实瑞科技有限公司生产的平均功率2102多功能治疗机系统，广东科美思集团生产的MTS-915A、B微波治疗机，南京华贝电子医疗设备有限公司的HBS-A变频式全自动微波手术治疗仪，天津赛监医疗科技有限公司生产的SM-200微波治疗机，徐州科健医疗电子设备有限公司的KJ-6200多功能微波治疗仪以及徐州华卫医疗设备有限公司的MMT-V1微波治疗仪等，均属连续波磁控管，功率较小。上海航天局第804研究所生产的MWZ-4脉冲微波治疗机主要用于盆腔疾病，治疗范围存在局限性。

                        发明内容

本实用新型的目的是为了克服现有技术存在的功率小、透热深度浅、局限性大的缺陷，提供一种自动脉冲微波综合热疗机，能精确控制参量，进行数据处理，操作简单，可靠性、稳定性好，智能化水平高，能自动记录、打印治疗时的温度_ _时间曲线，治疗效果好，适应范围广。

本实用新型由微波发生器、微波传输系统、计算机控制系统、控制保护电路15及冷却装置16组成，所述微波发生器由预调器、调制器组件、磁控管振荡器电路组成，其中预调器由重调电路1、脉冲放大器及间歇振荡器2、射随器3、脉冲输出级4组成，预调器制作成线路板插在调制器组件上，调制器组件由可逆电机组件6、调压器组件7、脉冲调制放大器5组成，通过接线端连接在一起，并固定在热疗机的主机上，磁控管振荡器电路由磁控管振荡器8、步进电机组件12、控制器13组成，通过接线端连接在一起，固定在热疗机的主机上，磁控管振荡器的外面安装有冷却装置16，所述微波传输系统由波导分配器9、物理发泡同轴电缆10及电动升降臂17、辐射器11组成，物理发泡同轴电缆10挂在电动升降臂17上，一端与波导分配器9用球形探针耦合，另一端与辐射器相连，磁控管振荡器8与波导分配器9用螺丝相连接，所述计算机控制系统由A/D、D/A接口控制器14、温度传感器18、计算机19、显示器20、打印机21组成，通过接口转换器与热疗机的主机连接在一起。工作框图如图1所示，整机外形如图10和图11所示。

采用脉冲磁控管，运用脉冲调制技术和计算机控制技术，调制脉冲持续时间分别为2±0.2微秒、1±0.2微秒，工作比0.06∶0.001，微波工作频率915MHZ和2750MHZ，最大脉冲微波输出功率200KW，平均输出功率200W，脉冲持续时间2或1微秒，脉冲重复频率分别为600HZ和1000HZ，功率密度80-880W/CM²可调，驻波系数≤1.2。

辐射器采用聚束光波，并在辐射器与被照射患部之间采用硅酸盐介质层，厚度为4-10厘米，辐射器外形制作成圆形或圆柱形的喇叭口，并且波导传输分配和辐射器均采用板型结构，内表面进行镀银处理。

磁控管采用磁钢的直流磁场强度为1000G，调制脉冲幅度为12KV，高端频率为10cm波段。

磁控管的冷却系统，用进口双轴承轴流风专用风道对磁控管阴极灯丝及阳极板风冷，M1、M2分别给磁控管、脉冲调制管进风，M3、M4对整机抽风，风量≥60m³/h，当主机停机时，抽风设备延时停机，当M1、M2无风或风力过小时，风压开关C的触点断开，使风机检测信号线悬空，切断高压电路，以保护磁控管。

工作原理如图1，脉冲微波源输出功率，由能量耦合器经物理发泡同轴电缆导入辐射器，经硅酸盐介质层，聚束形成微波束对患区病灶或肿瘤病变加热，它的作用特性是瞬间脉冲功率很高(是平均输出功率的1000倍)，脉冲持续时间短，间歇时间长，不仅大幅增加透热深度，而且具有更强的非热效应。显示器实时显示透热功率大小和治疗时间。测温传感器贴在病灶组织上，测温传感器采用高纯铂热电阻贴片(型号RWLK)，其特点是结构简单，响应速度快，测量精度高，稳定性好，安装使用方便。温度信号经传感器监测并放大)经高阻线、11TTM H/C智能温度变送器输入数据采集卡(PCL-818LS)的A/D转换器，经数据总线进入计算机处理，(图2)进行闭环控制。在计算机内设定的透热温度与实测温度之间不断比较、运算，输出指令通过集成在PCL-818LS的D/A转换器控制调制脉冲和磁控管阳极电压和电流大小，从而随时修正透热功率大小，保证治疗安全、稳定、可靠。这个智能集成动态处理系统，不仅具有参量控制功能，还具有数据管理功能，交互式人机对话平台，使操作更简单。屏幕显示被测温度数据和治疗时的温度时间—特征曲线及病案信息，可存贮产打印。

本实用新型有固态器件组成的预调器如图2，它的任务是在计算机通过接口控制器序触发脉冲作用下，输出宽度为2.1us，幅度大于300V和宽度为1us，幅度大于300V的正极性点火脉冲，加到调制管的第一栅极控制调制器的工作。预调器电路安装在一块插件板上，输入级由BG4、C6、R19、R21等元件组成+600V电源，由BG1、BG2、BG3等组成重调电路经过R17、D9、D10接BG4集电极、BG4基极为零偏，故触发脉冲未来时为截止状态，当正触发脉冲由P经C6、R18送到BG4基极，BG4导通放大，从发射极经D11、C18输出正触发脉冲送至缓冲放大器BG5的基极，D11与R21构成下限幅器，主要是用来防止干扰信号进入下一级电路。BG5、BG6及脉冲变压器B2组成缓冲放大器及间歇振荡器。触发脉冲输入前，BG5、BG6均为零偏，均不导通。当正向触发脉冲到来时，通过C8、R22耦合到BG5的基极供其导通。BG5的ic流过脉冲变压器B2的初级线圈，产生上正下负的感应电势e1，同时在脉冲变压器次级上产生下正上负的感应电势e2，使BG6开始导通而振荡，BG6导通后集电极电压为低电位，使BG5立即截止，将振荡器与触发源断开，防止相互影响，故BG5称缓冲极，从脉冲变压器B2次级线圈耦合一宽度为1微秒，幅度为500V的正脉冲加到BG7的基极，D13用来消除BG6振荡结束时由脉冲变压器2线圈分布电容产生的自由振荡R24为阻尼电阻。射极输出器由BG7、R30、R31、R32、D14组成，脉冲输出级由BG8，耦合变压器B3、R34、BG9和耦合升压变压器B4组成，在BG9的集电级产生较大功率的脉冲经变压器B4及滤波电路C16、C17、L1R36组成由M输出到调制放大器5的第一栅极，当触发脉冲未到时第一栅极-600VG1截止，B9通过L27、D32、D33组成倍压电路给G1提供12-30KV的阳极电压，B6经过D28-D31、R39、C26向G1第二栅极提供1.7KV栅压，当触发脉冲到来时，G1导通C27、C28放电形成与预调器同步的大功率调制脉冲，经C28加到磁控管8的阴极，再到阳极去接地，电流表反映其阳极电流，当宽度为2微秒、1微秒，重复频率为600HZ、1000HZ，幅度为10-13KV的触发脉冲来到时，磁控管起控并工作在JI型振荡状态，输出2740MHZ或926MHZ脉冲微波，磁控管的高频能量，通过耦合环在腔体内与高频磁场交链，构成电感耦合，从中取出高频能量，经波导分配器9和挂在电动升降臂17上的物理发泡同轴电缆10到圆形或圆柱形的喇叭口天线辐射器，再到患部。波导传输分配和辐射器均采用板型结构，内表面光滑并镀银处理，物理发泡同轴电缆10与波导分配器9之间，用球形镀银探针耦合，探针的位置稍偏离波导宽边的中心，以获得较宽的带宽，波导传输分配器9它是水平极化波和垂直极化波的共通道，内置电感棒用以使辐射器11与波导分配器9之间获得匹配。本实用新型特性阻抗为75±3Ω，正向衰减不大于50dB，驻波比≤1.2。

本实用新型主要采用国产元器件，在技术指标上接近德国BSD-300-4微波治疗机的水平，而价格不足其十分之一。本实用新型在技术性能和治疗效果上大大优于大多数连续波治疗机。与MWZ-4型脉冲微波治疗机相比有如下优点：本实用新型采用了固体器件的预调器和脉冲形成电路，比真空管电路要稳定、可靠，本实用新型采用了为本实用新型特制的医用专业磁控管，起控电压较低，工作电流较小，工作稳定，输出功率无需大幅度衰减。而MWZ-4型直接采用军用雷达脉冲磁控管，起控电压高，存在着大马拉小车问题，损耗也较大。机内电压太高，故障也相应高。本实用新型对磁控管增加了保护电路，灯丝变压器B7在预热状态下J3触点接通15V，5分钟后脉冲切换到9V供电，并接通高压电路。当灯丝电压低于9V，J3的触点断开，灯丝电压检查信号悬空，呈高电位切断高压，以避免磁控管在冷阴极或灯丝电压不足的条件下加高压，造成打火以损坏。由于调整管T2的调制脉冲直接加在磁控管阴极，阳极接地，本实用新型采用了C30和C31接地，对调制脉冲相当于短路，使13KV的调制脉冲不能直接加在灯丝变压器次级使灯丝变压器B7的高压绝缘得到保护。

本实用新型与红外线、超短波、射频及其他微波治疗仪相比有如下优点：

1、采用脉冲调制技术，变连续波为脉冲波，脉冲波持续时间短，只有1-2微秒，间歇时间长，工作比为0.001∶0.06，克服了表皮灼伤，增加了透热深度8-10厘米，一般连续微波治疗机透热深度3-5厘米。

2、不同频率的微波对皮肤、肌肉、脂肪、骨胳等组织的透热深度不同，本实用新型采用可变频脉冲，利用电子频移，根据不同组织的病灶部位选择使用，治疗效果更好。

3、一般脉冲微波治疗机依靠病人主观自我感觉温度，手动进行调节微波输出功率，不准确，特别不能适应治疗肿瘤的需要，本实用新型精密测温系统，抗干扰强，能适时检测临床病休患部周围温度，即准确地探测到患者病灶区因吸收微波能量而引起的机体发热，从而实现对输出微波能量大小的精确控制。

4、一般脉冲微波治疗仪手动控制操作，操作步骤复杂，可靠性、稳定性较差，本实用新型用计算机控制，实现了固态化、集成化，不仅能参量控制，还能数据处理，操作简单，可靠性、稳定性好，智能化水平高，能自动记录、打印治疗时的温度_ _时间曲线，和病案都是医院理想的微波治疗和医学研究工具。

5、本实用新型采用404LXR线性马达驱动的电动升降臂，并有方向转动节，辐射器可以X、Y、Z三维方向移动，如图14所示3404LXR线性马达驱动系统包含限位开关、自锁、步进集成控制器，能极方便地调整辐射器与人体表面的距离，辐射器内置硅酸盐介质层。

6、远场聚束和球体微波技术如图12，治疗时根据其平面能量分布图和纵深能量分布图，很好地解决如何将微波能量最有效地发送到患部病灶区，使波束密度增大，局部电磁波能量集中，增加了局部深透热深度和强度，对治疗急性化脓性炎症、溃疡病、前列腺肥大、肩周炎、多发性植物神经炎有很好的疗效。

7、本实用新型具有超温度报警退出治疗程序和输出功率归零功能，对病人治疗过程自动保护，还具有设备状态安全检测功能。

                        附图说明

图1是全自动脉冲微波热疗机工作框图。

图2是预调器电路图。

图3是电源电路原理图。

图4是调制器及磁控管振荡器电路图。

图5是工作波形图。

图6是控制及保护电路图。

图7是调压器及电流调整电路图。

图8是冷却风机原理图。冷却风机原理图中的b、c、d、e结构图形与a相同。

图9是A/D、D/A接口转换器及温度测量电路图。

图10是整机背面及温度传感器位置图。

图11是整机外形图。

图12是圆柱形辐射器剖面图。

图13是圆形辐射器剖面图。

图14是电动升降臂电路图。

                      具体实施方式

结合附图对本实用新型作进一步说明。

本实用新型由微波发生器、微波传输系统、计算机控制系统、控制保护电路15及冷却装置16组成，所述微波发生器由预调器、调制器组件、磁控管振荡器电路组成，其中预调器由重调电路1、脉冲放大器及间歇振荡器2、射随器3、脉冲输出级4组成，预调器制作成线路板插在调制器组件上，调制器组件由可逆电机组件6、调压器组件7、脉冲调制放大器5组成，通过接线端连接在一起，并固定在热疗机的主机上，磁控管振荡器电路由磁控管振荡器8、步进电机组件12、控制器13组成，通过接线端连接在一起，固定在热疗机的主机上，磁控管振荡器的外面安装有冷却装置16，所述微波传输系统由波导分配器9、物理发泡同轴电缆10及电动升降臂17、辐射器11组成，物理发泡同轴电缆10挂在电动升降臂17上，一端与波导分配器9用球形探针耦合，另一端与辐射器相连，磁控管振荡器8与波导分配器9用螺丝相连接，所述计算机控制系统由A/D、D/A接口控制器14、温度传感器18、计算机19、显示器20、打印机21组成，通过接口转换器与热疗机的主机连接在一起。电源22，温度传感器接口23，工作框图如图1所示，整机外形如图10和图11所示，预调器电路联接如图2所示，电源电路联接如图3所示，调制器及磁控管振荡器电路联接如图4所示，控制及保护电路联接如图6所示，调压器及电流调整电路联接如图7所示，冷却风机原理如图8所示，A/D、D/A接口转换器及温度测量电路联接如图9所示，电动升降臂电路如图14，磁控管的工作波形如图5所示。

为了解决增强局部透热深度，本实用新型在辐射器的上使用聚束光波，如图12，并在辐射器与被照射患部之间采用硅酸盐介质层，厚度为7厘米，代替其他治疗机辐射器与患部的空气间隙，可降低微波在空气间隙中反射和散射，进入体内的微波能量将提高一倍。本实用新型电动升降臂采用直流线性马达驱动，由RS232如图14与计算机D/A、A/D接口转换器如图9输出口连接，可以通过计算机或手动按钮方便地调整透热距离。

温度传感器18如图11，经信号放大器组件经信号线传入数据采集卡的模拟量输入端，送入计算机处理，计算机控制信号，通过转换器变成数字信号输出至控制器、继电器对磁控管的输出功率、冷却风机的控制。磁控管G2的频率调整由步进电机MSS及变速组件接受IC5驱动电路的控制，IC5驱动电路当接受计算机预设指令，通过D/A、A/D接口转换器的工作脉冲带动MSS正、逆转动以改变磁控管振荡腔频率。

本实用新型控制磁控管的功率输出大小，用以下方法实现，控制器输出控制正反转信号，单相可逆电容式减速一体化伺服电机M5带动调压器8，从回零初始状态步进升压或减压使脉冲调制管阳极供电变压器9次级高压从0-13KV步升或步减，从而控制加在磁控管阴极和阳极之间的脉冲电压的幅度，一组在线测量的磁控管的工作电流和脉冲调制器的阳极电压，就对应一组磁控管的脉冲输出功率和平均功率，采用步进式可逆电机调压，较手动更方便准确，且输出正弦波电流。比采用可控硅调压，波形要好，调压范围大，克服其受导通角限制，不能回零，波形需要整形的缺点。磁控管频点调整由控制器控制步进电机M6来调节磁控管频率。

本实用新型的工作比，由预调器的输入脉冲和调制器的振荡频率来决定的，为了确保磁控管工作在JI型振荡条件下，当脉冲至频率为2000HZ时脉冲宽度为0.5微秒，当脉冲至频率为1000HZ时脉冲宽度为1微秒，使工作比即占空比始终为1000∶1，这就保证了瞬间的脉输出功率很大，而辐射器的平均功率很小其为1/1000的比率，使治疗安全可靠，而透热深度以能增加到10-11厘米。

本实用新型工作过程：通过键盘和鼠标向计算机输入病案号或新病案则需输入一些有关患者资料建立档案和病案号，预置治疗温度、治疗时间，并启动开机程序，内置于数据采集卡上的将来自计算机的指令变成控制电信号输入脉冲微波发生器，磁控管完成预热后，微波发生器输出脉冲微波功率由能量耦合器经物理发泡同轴电缆导入安装在电动升降臂上的辐射器，电动升降臂由404LXR线性马达驱动其方向联轴节能在X、Y、Z三维空间自由移动和调整，辐射器与人体病灶表面的距离，依据病症情况找到最佳照射距离。辐射器内的远场聚束的微波束，照射病灶部位，对病变组织加热，显示实时显示透热功率大小和温度—时间变化曲线，温度能感器1-8只至少每次使用2只以上，一只放在病灶中心部位，一只贴放在病灶的边缘，其余均匀分布在病灶上。脉冲微波束照射下的病变组织温度上升，温度信息经传感器检测并放大，由变送器11TTMH/C连接到数据采集卡的D/A转换器端口，送入计算机运算处理。传感器测量精度为±0.2℃，定期使用温度校正程序，用标准传感器校正测量传感器。当某测温度点的温度值高于预置温度时，计算机将发出指令，通过数据采集卡的D/A转换器控制微波发生器的输出功率大小，从而进行控制设定的透热温度，当测量温度值高于预置温度1℃时，计算机自动报警，保证患者安全。治疗时登录和生成的信息、文件存储在计算机的内存和硬盘中，操作者可随时查询当前和历史数据资料，并可从打印机打印输出。

本实用新型治疗机理：人体组织中，细胞的内液与外液均含有各种带电离子、极子及偶极子，在聚束脉冲微波场的作用下，加速运动，高频振荡，致使极性分子之间摩擦碰撞产生的能量被极性分子强烈的吸收。储存转换成热能，引起人体局部乃到全身的一系列物理、化学、生物及免疫的变化，变化量取决于微波剂量(温度/时间)大小，在微波剂量较低时，透热能使局部组织血管扩张恢复正常循环功能，加强新陈代谢，提高机体免疫力，促进水肿吸收，达到消炎、解痉、松驰肌肉、镇痛的功效。聚束脉冲微波照射肿瘤病灶时，由于肿瘤细胞内血流量少，含水量高，微波透热后产生的热能极易吸收，储存形成高热，而正常细胞含水量少，吸收热能少，且热能极易被血流带走疏散开，不全形成局部高温，当肿瘤细胞内温度达到43.5℃以上时，细胞膜内外的离子推动“动平衡”，PH值下降，细胞染色体发生畸变或断裂，溶酶体活性增高，产生新的溶酶体，导致了肿瘤细胞不可逆性破坏、致死后的肿瘤细胞分离物能刺激免疫系统抑制肿瘤细胞再生，同时还抑制肿瘤细胞的DNA的合成，使肿瘤细胞变性，即被热杀死，从而实现无损伤、无副作用的治愈目的。

Claims (7)

1、一种全自动脉冲微波热疗机，由微波发生器、微波传输系统、计算机控制系统、控制保护电路(15)及冷却装置(16)组成，其特征在于所述微波发生器由预调器、调制器组件、磁控管振荡器电路组成，其中预调器由重调电路(1)、脉冲放大器及间歇振荡器(2)、射随器(3)、脉冲输出级(4)组成，预调器制作成线路板插在调制器组件上，调制器组件由可逆电机组件(6)、调压器组件(7)、脉冲调制放大器(5)组成，通过接线端连接在一起，并固定在热疗机的主机上，磁控管振荡器电路由磁控管振荡器(8)、步进电机组件(12)、控制器(13)组成，通过接线端连接在一起，固定在热疗机的主机上，磁控管振荡器的外面安装有冷却装置(16)，所述微波传输系统由波导分配器(9)、物理发泡同轴电缆(10)及电动升降臂(17)、辐射器(11)组成，物理发泡同轴电缆(10)挂在电动升降臂(17)上，一端与波导分配器(9)用球形探针耦合，另一端与辐射器相连，磁控管振荡器(8)与波导分配器(9)用螺丝相连接，所述计算机控制系统由A/D、D/A接口控制器(14)、温度传感器(18)、计算机(19)、显示器(20)、打印机(21)组成，通过接口转换器与热疗机的主机连接在一起。

2、根据权利要求1所述的全自动脉冲微波热疗机，其特征在于采用脉冲磁控管，调制脉冲持续时间分别为2±0.2微秒或1±0.2微秒，工作比0.06∶0.001，微波工作频率915 MHZ或2750MHZ，功率密度80-880W/CM²，驻波系数≤1.2。

3、根据权利要求1所述的全自动脉冲微波热疗机，其特征在于辐射器采用聚束光波，并在辐射器与被照射患部之间采用硅酸盐介质层，其厚度为4-10厘米。

4、根据权利要求2所述的全自动脉冲微波热疗机，其特征在于磁控管采用磁钢的直流磁场强度为1000G，调制脉冲幅度为12KV，频率为10cm波段。

5、根据权利要求1所述的全自动脉冲微波热疗机，其特征在于磁控管的冷却系统，用进口双轴承轴流风专用风道对磁控管阴极灯丝及阳极板风冷，M1、M2分别给磁控管、脉冲调制管进风，M3、M4对整机抽风，风量≥60m³/h，当主机停机时，抽风设备延时停机，当M1、M2无风或风力过小时，风压开关C的触点断开，使风机检测信号线悬空，切断高压电路。

6、根据权利要求1所述的全自动脉冲微波热疗机，其特征在于辐射器外形制作成圆形或圆柱形的喇叭口。

7、根据权利要求1所述的全自动脉冲微波热疗机，其特征在于波导传输分配和辐射器均采用板型结构，内表面进行镀银处理。

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