RO126732A2 - Modul de comandă pentru acţionarea generatoarelor de microunde în aparatură medicală şi de laborator - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un modul de comandă pentru acţionarea generatoarelor de microunde, cu utilizare în aparatura medicală de tratament, pentru aplicaţii de diatermie şi hipertermie. Modulul de comandă, conform invenţiei, este alcătuit dintr-un microsistem (1) programabil, bazat pe un microcontroler, ce este comandat prin intermediul unor taste (3) funcţionale, a căror funcţie (F1, F2, F3 şi F4) este vizibilă pe un afişaj LCD (2), un encoder (4) optic sau analogic, pentru introducerea unor variabile de proces în corelaţie cu parametrii procesului, programaţi din tastele (3) funcţionale, o memorie externă (24) de tip SD card, ce stochează date despre un pacient şi/sau procesul ce are loc, pacientul având acces în timpul tratamentului la un buton (5) de oprire de urgenţă, a cărei acţionare poate fi urmărită de un operator prin intermediul unei semnalizări (6) luminoase de urgenţă, microsistemul (1) comunică cu un calculator (8) ce preia, prin intermediul unei interfeţe (7) izolate galvanic, informaţii despre procesul în desfăşurare. Generatoarele de microunde sunt comandate după cum urmează: cele cu semiconductoare sunt comandate prin intermediul unor convertoare (9, 10 şi 11,12) digital analogice, ce realizează comanda fazei semnalului şi, respectiv, comanda amplitudinii semnalului, cele cu magnetron alimentat prin transformator sunt comandate prin relee (19) statice cu semiconductori, folosind un circuit de sincronizare (17) şi un multiplexor (18), iar cele cu magnetron, cu alimentare prin invertor, sunt comandate printr-un circuit (20) de forţă. Temperatura necesară tipului de tratament este măsurată cu nişte senzori de

Description

MODUL DE COMANDA PENTRU ACȚIONAREA GENERATOARELOR DE MICROUNDE IN APARATURA MEDICALA SI DE LABORATOR

b) Precizarea domeniului tehnic in care poate fi folosita invenția;

Prezenta invenție se refera la un modul de comanda embedded (ce incorporează circuite electronice programabile) destinat comenzii generatoarelor de microunde de mica si medie putere cu utilizare in aparatura medicala de tratament pentru aplicații de diatermie si hipertermie. Alte aplicații posibile sunt: aparatura de laborator pentru extracție si sinteza in câmp de microunde, aparatura industriala de uscare in câmp de microunde, aparatura pentru cercetare ce necesita generarea de câmp electromagnetic de putere in domeniul microundelor si aplicarea lui in configurații dedicate.

Modulul de comanda permite controlul energiei radiației de microunde, al puterii radiației de microunde, modulația undei si fazarea a doua sau mai multe generatoare specifice in vederea focalizării undei, precum si controlul temperaturii corpului încălzit.

c) Indicarea stadiului anterior al tehnicii si indicarea documentelor care stau la baza acestuia;

Modulul de comanda pentru acționarea generatoarelor de microunde in aparatura medicala si de laborator prezentat in invenția de fata, este o dezvoltare a sistemului de comanda cu microcontroler din [2], In general, modalitatea de comanda a generatoarelor de microunde aferente aparaturii medicale de hipertermie sau diatermie este doar parțial dezvăluită prin brevete de invenție care revendica aparatul ca întreg sau principiul de funcționare si metoda aplicata. Astfel in [5] este prezentat un modul de comanda alcătuit din circuite logice care actioneaza asupra circuitului de forța prin relee astfel incat energia de microunde din generator este aplicata pacientului prin succesiuni de pulsuri intermitente sau continue. Din [5] rezulta ca modulația variabila a impulsurilor nu este posibila. Brevetele de invenție [6] respectiv [7] prezintă o soluție de comanda a

Ck 2 O 1 O - o 01 13 - 1 1 -02- 2010 generatoarelor de microunde pentru hipertermie focalizata ce utilizează un calculator personal. Aplicarea acestei soluții in aparatura medicala standardizata implica respectarea unor norme de electrosecuritate care complica realizarea si creste prețul de cost al echipamentului. In [8] autorul comanda generatorul RF cu un calculator ce realizează inclusiv funcția de preluare de imagine a țesutului aflat sub tratament, respectiv de măsură a temperaturii acesteia. Un sistem pentru hipertermie zonala este prezentat si in [9], avand o comanda continua a generatorului de microunde de 1.2KW de către sistemul de control bazat pe calculator si display. Aparatele de hipertermie prevăzute cu aplicatoare interstitiale [10] necesita un control in timp real al procesului si controlul puterii generatorului de microunde, respectiv controlul acționarii unui termostat si a unei pompe auxiliare care reglează temperatura țesutului in zona aplicatorului. Utilizarea hipertermiei împreuna cu tomografia RMN are avantajul obținerii unei imagini in timp real a organului încălzit si evaluarea temperaturii acestuia, respectiv a efectului terapiei. Metoda prezentata in [11] utilizează un calculator pentru interfatarea cu generatorul de microunde si cu calculatorul MRI. Realizatorul brevetului [12] utilizează o unitate de control ce permite comanda mai multor magnetroane, fiecare cu sursa proprie, respectiv a mai multor circuite de răcire, astfel incat sa poata avea loc tratamentul simultan al mai multor pacienti. Ideea brevetata in [13] utilizează o unitate centrala pentru controlul temperaturii țesutului, (masurarea temperaturii are loc cu un radiometru), prin controlul amplitudinii câmpului aplicatoarelor si comanda generatorului de microunde. Soluția de comanda din [14] prezintă de fapt un calculator de tip PC utilizat ca si calculator de proces ce comunica cu interfețele de comanda si generatorul de ultrasunete pentru hipertermie printr-o interfața seriala.

d) Expunerea invenției in termeni care sa permită înțelegerea problemei tehnice si a soluției asa cum este revendicata precum si avantajele invenției in raport cu stadiul anterior al tehnicii;

Procedeele medicale de tratament prin încălzirea corpului viu (numit si biomasa) la care se refera invenția de fata se clasifica in funcție de temperatura T atinsa de tesut in: diatermie pentru T < 41.5C respectiv hipertermie pentru 41.5 < T < 45C. Diatermia si

0-2 0 1 0 - 0 0 1 1 3 - 1 1 -02- 2010 hipertermia se obțin prin expunerea controlata a biomasei intr-un câmp de microunde de putere.

Modulul de comanda descris in prezenta invenție permite realizarea intr-o forma simplificata a unui aparat pentru diatermie sau hipertermie in câmp de microunde, utilizând efectul combinat (termic si nontermic) al radiației modulate de microunde de putere. Efectul termic este exploatat prin posibilitatea comenzii focalizate a doua sau mai multor generatoare de microunde, iar cel nontermic prin modulația generatoarelor de microunde cu impulsuri si obținerea unor armonici superioare cu puteri reduse si efecte biostimulatoare asupra organismului. Modulul de comanda descris depășește granița de utilizare din domeniul medical, fiind utilizabil si pentru realizarea aparaturii de laborator ce utilizează câmpul electromagnetic de microunde pentru digestie, extracție de principii biologic active sau alte tipuri de activitati de cercetare. Avantajul evident al modulului de comanda este acela ca poate comanda atat generatoare de microunde de putere ce conțin magnetroane de 500-1200W, cat si generatoare de microunde semiconductoare cu puteri de 60-200W utilizabile in tratamente medicale minim invazive ce utilizează aplicatoare interstitiale.

Avantajul in raport cu stadiul actual al tehnicii este acela ca același modul de comanda permite acționarea unuia sau mai multor generatoare de microunde cu magnetron, a unuia sau mai multor generatoare de microunde cu semiconductoare, modulația in impulsuri a radiației cu frecvente specifice tratamentului, fazarea si controlul puterii generatoarelor comandate, cat si masurarea si controlul temperaturii probei sau țesutului sau corpului tratat.

Sunt revendicate:

- faptul ca modulul permite controlul modulat al generatorului de microunde cu frecvente specifice naturii tratamentului,

-capacitatea de fazare a radiației de microunde provenite din minim doua generatoare comandate,

-faptul ca modulul poate comanda atat generatoare cu magnetron cat si cele cu semiconductoare,

-capacitatea de interfatare cu un echipament de calcul extern, dar care nu condiționează funcționarea modulului,

-posibilitatea modulului de a acționa un element de execuție alcătuit din mai multe relee statice cu semiconductoare

λ.-2 O 1 O - O O 1 13 - - 7

1 -02- 2010

-posibilitatea modulului de a acționa un element de execuție cu un semnal de tip proporțional,

-faptul ca poate regla puterea si energia radiației electromagnetice de microunde,

-capacitatea de a permite oprirea de urgenta a radiației ca urmare a unui feedback furnizat de pacient,

-capacitatea de măsurare a temperaturii pacientului (sau probei) supus iradierii,

-capacitatea de reglare precisa a temperaturii pacientului (sau probei) supus iradierii.

e) Prezentarea pe scurt a desenelor explicative

Figura 1. prezintă schema bloc a modulului de comanda pentru acționarea generatoarelor de microunde in aparatura medicala si de laborator.

Un microsistem programabil (1) bazat pe microcontroler este comandat prin intermediul unor taste funcționale (3) a căror funcție F1, F2, F3, F4 este vizibila pe un afisaj LCD grafic sau alfanumeric (2). Variabilele numerice cerute de proces pot fi introduse prin intermediul unui encoder optic sau analogic (4) in corelație cu parametrii procesului programați din tastele funcționale (3). O memorie externa de tip SD cârd (24) stochează datele esențiale ale pacientului si/sau procesului ce are loc. Pacientul are acces in timpul tratamentului la un buton de oprire de urgenta (5) a cărui acțiune poate fi urmărită de operator prin intermediul semnalizării luminoase de urgenta (6). Microsistemul (1) comunica cu un calculator (8) ce preia in timp real sau la încheierea procesului, prin intermediul unei interfețe izolate galvanic (7), informații esențiale despre procesul desfasurat. Generatoarele de microunde cu semiconductoare sunt comandate prin intermediul convertoarelor digital analogice (9,10) ce realizează comanda fazei (13) semnalului, respectiv convertoarele digital analogice (11,12) ce comanda amplitudinea (14) semnalului. Generatorul de microunde cu magnetron alimentat prin transformator este comandat prin releele statice cu semiconductori (19), sincronizarea comenzii acestora cu rețeaua avand loc prin intermediul circuitului de sincronizare (17). Generatorul de microunde cu magnetron, cu alimentare prin invertor, este comandat prin circuitul (20). Atât releele statice (19) cat si circuitul de sincronizare (17) sunt izolate galvanic de circuitul de forta (20). Un multiplexor (18) asigura condițiile inițiale de demarare a releelor statice, la apariția tensiunii de alimentare. Temperatura corpului/probei/pacientului este masurata cu senzorii de temperatura (16) adecvați

R-2 Ο 1 Ο - Ο Ο 1 13 - 1 I -02- 2010 tipului de tratament, conectați prin interfața senzorilor de temperatura (15). Un bloc auxiliar de comunicație (22) asigura comunicația (23) cu un alt modul de comanda programabil de tip sclav necesar in tratamentele medicale de diatermie sau hipertermie, respectiv in aparatura destinata cercetării.

Figura 2 prezintă modul de utilizare al modulului (100) intr-o aplicație medicala de diatermie. Generatorul de microunde (108) cu magnetron (104) este alimentat de la rețeaua de tensiune alternativa (101) prin intermediul unui filtru (102). Invertorul (103) este comandat de către modulul de comanda (100) prin interfața acestuia de comanda si control (20). Radiația de microunde este aplicata țesutului biologic (106) prin aplicatorul coaxial (105). Un senzor de temperatura (107) masoara in timp real temperatura țesutului (106), menținând temperatura acestuia la valoarea prestabilita in program conform tipului de tratament.

Figura 3 prezintă modul de utilizare al modulului (100) intr-o aplicație de laborator destinata extracției in câmp de microunde. Generatorul de microunde (109) cu magnetron (104) este alimentat de la rețeaua de tensiune alternativa (101) printr-un filtru (102). Blocul transformator, redresor si filtru (110) asigura tensiunea optima de funcționare a magnetronului (104), fiind comandat prin ansamblul de relee statice semiconductoare (19). Radiația de microunde provenita din aplicatorul coaxial (105) încălzește proba (111) conform parametrilor de proces stabiliți astfel incat temperatura masurata de către senzorul infrarosu (112) este menținută conform parametrilor programați.

Figura 4 prezintă modul de utilizare al modulului (100) intr-o aplicație medicala de hipertermie zonala. Doua generatoare de microunde (121) realizate cu semiconductoare sunt alimentate de la rețeaua de alimentare (101) prin intermediul unor filtre de rețea (102) ce alimentează transformatoare izolatoare (113). Tensiunea provenita din transformatoare este redresata, filtrata si stabilizata de către sursele de alimentare (114), alimentând oscilatoarele controlate in tensiune (115), defazoarele programabile (116) si amplificatoarele de putere (117). Radiația de microunde este aplicata biomasei (119) prin intermediul aplicatoarelor microstrip (118). Modulul de comanda (100) controlează faza semnalului celor doua generatoare (121) prin intermediul

C\-2 Ο 1 O-OO1 13-1 1 -02- 2010 convertoarelor digital analogice (9, 10). Amplitudinea câmpului de microunde generat este controlata prin intermediul convertoarelor digital analogice (11,12). Variația temperaturii biomasei este monitorizata cu radiometrul (120).

f) Expunerea detaliata a invenției pentru care se solicita protecția

Prezenta invenție descrie un modul inteligent de comanda pentru acționarea si controlul generatoarelor de microunde de putere, cu utilizare principala in aparatura medicala, respectiv de laborator dar si industriala. Microundele sunt radiație electromagnetica cu frecventa cuprinsa intre 300MHz si 300GHz. Acestea produc la nivelul țesutului efecte termice si nontermice in funcție de puterea radiației, durata de expunere a țesutului, frecventa si tipul de modulație al undei electromagnetice, cat si de caracteristicile locale proprii țesutului. Efectele termice rezultate in cazul procedurilor diatermice sunt predominant analgezice, prin creșterea fluxului sangvin in zona iradiata [1], [4], Efectele termice produse de procedurile hipertermice au capacitatea de a distruge țesuturile canceroase situate la adâncimi comparabile cu adancimea de pătrundere a undei electromagnetice, bazandu-se pe observația ca pot fi distruse selectiv la temperaturi mai mici cu 0.5-1 C decât țesuturile sanatoase din vecinătate [3], Adancimea de pătrundere depinde de frecventa undei si de conformația locala a biomasei (grosimea straturilor din care aceasta este alcatuita: tegument, tesut adipos, tesut muscular sau organe). Scopul principal al unui aparat medical pentru hipertermie este sa controleze exact adancimea de pătrundere, distribuția si valoarea temperaturii țesutului supus tratamentului medical astfel incat sa nu cauzeze leziuni ale țesutului sănătos dar sa distrugă tesutul canceros. In timp ce mecanismul distrugerii celulare prin încălzire (efectul termic al radiației electromagnetice de putere) este cvasicunoscut, efectul nontermic al microundelor ( generat de acțiunea radiației de microunde la puteri mici) este necunoscut. Aparatura medicala de hipertermie este complexa, necesitând sisteme de calcul laborioase pentru focalizarea undei si pentru masurarea temperaturii țesutului biologic la adancimea de interes.

Modulul de comanda se compune conform (fig. 1) dintr-un microsistem programabil (1) si o serie de elemente periferice. Programarea microsistemului se refera la faptul ca funcționează pe baza unui firmware (deci poate fi reconfigurat de către producător ori de cate ori este necesar, pe întreaga durata de viata a produsului) si la capacitatea

Ο 1 Ο - Ο Ο 1 13 - 1 1 -02- 2010 acestuia de a putea fi acționat de un operator prin intermediul unui encoder (4) si a unor taste funcționale (3) a căror funcție F1, F2, F3, F4 este precizata in fiecare etapa a funcționarii pe un afișaj LCD (2) alfanumeric sau grafic. Operatorul programează variabilele din procesul de tratament in corelație cu parametrii procesului, acestea odata programate fiind memorate in memoria nevolatila a microsistemului (microcontrolerului). O memorie flash de tip SD cârd (24) poate stoca un volum mare de informații ce se pot referi la datele pacientului, procedeul de tratament sau variația unor mărimi urmărite in timpul procesului pe o perioada de timp egala cu durata de desfășurare a tratamentului. Pentru tratamentele medicale de diatermie sau hipertermie, pacientul are acces la un buton de panica (5) care atentioneaza operatorul aparatului asupra unei senzații de disconfort generata de apariția punctelor cu temperatura ridicata. Atenționarea are loc prin intermediul unei semnalizări luminoase (6) si acustice conform IS060601-1. Operatorul decide asupra modului in care va decurge tratamentul după apariția semnalului de atenționare. Modulul are posibilitatea de a comunica cu un calculator personal prin intermediul unei interfețe USB (7) izolate galvanic, respectiv capacitatea de a comunica printr-o interfața de comunicație (22) cu un modul programabil sclav (23) utilizat pentru realizarea unor procese ajutătoare. Comanda generatoarelor de microunde de putere cu semiconductoare se realizează prin intermediul convertoarelor digital analogice (9,10) pentru controlul fazei, respectiv prin convertoarele digital analogice (11,12) pentru controlul amplitudinii. Pentru simplificarea descrierii s-a considerat ca modulul comanda doar doua generatoare de microunde cu semiconductoare (fig.4), dar este evident ca este posibila creșterea numărului de generatoare prin multiplicarea corespunzătoare a convertoarelor digital analogice (9, 10,11,12) ce împart același bus de comanda. Generatoarele de microunde a căror funcționare este bazata pe utilizarea unui magnetron alimentat din transformator sunt comandate prin intermediul unor relee semiconductoare statice (19). Comanda acestor relee provinne dintr-un multiplexor (18) cu rol esențial la punerea sub tensiune a modulului. Sincronizarea acționarii releelor statice in funcție de parametrii rețelei electrice este realizata de blocul de sincronizare (17). Comanda generatoarelor cu microunde echipate cu magnetron alimentat prin intermediul unui invertor are loc prin circuitul de comanda si control (20). Un număr de senzori de temperatura (16) pot fi conectați la microsistem (1) prin intermediul unei interfețe (15). Senzorii pot fi cu contact

(Ν- 2 Ο 1 0 - Ο Ο 1 1 3 - 1 1 -02- 2010 direct cu mediul de măsură (107, fig.2) sau fara contact, de tip infrarosu (113, fig.3) sau radiometric (120, fig.4).

Figurile 2, 3 si 4 reprezintă trei exemple diferite de aplicare a invenției.

In fig.2 este prezentat un aparat medical de diatermie cu controlul temperaturii țesutului (106) in timp real prin intermediul unui senzor de temperatura cu contact direct (107). Generatorul de microunde (108) utilizează un magnetron (104) alimentat prin intermediul unui invertor (103). Operatorul programează modulul de comanda (100) pentru obținerea temperaturii ce asigura efectul fiziologic scontat, durata de tratament corespunzătoare si puterea radiației de microunde rezultata din durata impulsurilor modulatoare. Bucla de reglaj actioneaza asupra duratei impulsurilor modulatoare (20) pentru a menține temperatura masurata de senzor (107) la valoarea programata.

In fig.3 este prezentat un exemplu de realizare a unui aparat de laborator pentru extracție in câmp de microunde ce utilizează un magnetron (104) alimentat dintr-un transformator (110) a cărui tensiune de ieșire este programata din modulul de comanda (100) utilizând relee statice semiconductoare (19). Aceasta configurație [2] permite atat controlul puterii, controlul modulației prin modificarea duratei impulsurilor, cat si controlul energiei de microunde in proba (111). Temperatura probei este vizata cu un senzor infrarosu (112) fara contact direct cu proba.

Aparatul de hipertermie zonala prezentat in (fig.4) utilizează facilitatea modulului de comanda (100) de a controla doua generatoare de microunde cu semiconductoare (121) compuse fiecare dintr-un oscilator controlat in tensiune (115) pe frecventa ISM (Industrial Scientific Medical) de interes, defazoare programabile (116) si amplificatoare RF de putere (117). Atat defazoarele cat si amplificatoarele de putere necesita semnale analogice pentru controlul fazei, respectiv al amplitudinii radiației de microunde obținute la nivelul aplicatoarelor (118). Aceste semnale se obțin prin conversie digital analogica (9,10, 11,12) utilizând convertoare conectate pe același bus de comanda. Temperatura biomasei (119) este monitorizata prin intermediul unui radiometru (120) care masoara variația de temperatura in volumul biomasei. Focalizarea radiației provenite din cele doua generatoare duce la creșterea temperaturii intr-o anumita porțiune a biomasei, acolo unde este localizata tumora ce necesita procedura hipertermica.

Claims (10)

1. Modul de comanda pentru acționarea generatoarelor de microunde caracterizat prin aceea ca permite controlul modulat al generatorului de microunde cu frecvente specifice naturii tratamentului.

2. Modul de comanda pentru acționarea generatoarelor de microunde caracterizat prin aceea ca permite fazarea radiației de microunde provenite din generatoarele comandate.

3. Modul de comanda pentru acționarea generatoarelor de microunde caracterizat prin aceea ca poate comanda generatoare de microunde cu magnetron cu funcționare in unda continua sau generatoare de microunde cu semiconductoare.

4. Modul de comanda pentru acționarea generatoarelor de microunde conform cu revendicările 1,2 si 3, caracterizat prin aceea ca poate fi interfatat cu un echipament de calcul extern printr-o interfața optoizolata.

5. Modul de comanda pentru acționarea generatoarelor de microunde conform cu revendicările 1, 3 si 4, caracterizat prin aceea ca permite acționarea unui element de execuție alcătuit dintr-un număr de relee statice semiconductoare (solid state relay SSR).

6. Modul de comanda pentru acționarea generatoarelor de microunde conform cu revendicările 1,4 si 5, caracterizat prin aceea ca semnalul destinat acționarii este de tip proporțional.

7. Modul de comanda pentru acționarea generatoarelor de microunde conform cu revendicările 1,2,3,4, 5 si 6 caracterizat prin aceea ca poate controla puterea si energia unei radiații electromagnetice de microunde.

8. Modul de comanda pentru acționarea generatoarelor de microunde conform cu revendicările 1,2,3 si 4, caracterizat prin aceea ca permite orprirea de urgenta a generatorului ca urmare a unei comenzi furnizate de pacientul asupra caruia actioneaza radiația de microunde.

9. Modul de comanda pentru acționarea generatoarelor de microunde conform cu revendicările 1,2,3 si 4, caracterizat prin aceea ca permite masurarea temperaturii corpului, probei, pacientului asupra caruia actioneaza radiația de microunde utilizând metoda adecvata tratamentului in cauza.

\-2Ο1 0-001 13-1 1 -02- 2010

10. Modul de comanda pentru acționarea generatoarelor de microunde conform cu revendicările 1,2,3,4 si 7, caracterizat prin aceea ca permite reglarea precisa a temperaturii corpului, probei, pacientului asupra caruia actioneaza radiația de microunde.