新型微波治療儀研究

摘要：傳統(tǒng)微波采用頻段為2450 MHz，新型微波治療儀采用433 MHz頻段，不僅具有理療功能，同時(shí)對(duì)腫瘤消融也有一定功效，使腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生不可逆的死亡。本文將詳細(xì)闡述其組成、原理，并提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證其可行性。

關(guān)鍵詞：微波治療儀;腫瘤消融;數(shù)據(jù)驗(yàn)證

0 微波治療儀組成

微波治療儀由功率源、輻射器和智能控制電路組成。功率源一般采用由磁控管，磁控管的應(yīng)用范圍很廣最常見的應(yīng)用是微波爐，磁控管用于產(chǎn)生高功率信號(hào)。輻射器的作用是將功率源輸出的功率集中在病變部位。智能控制電路輸出PWM波形驅(qū)動(dòng)開關(guān)電源，同時(shí)實(shí)時(shí)測(cè)量輻射部位溫度，微波腫瘤消融需要在一定溫度環(huán)境下進(jìn)行，超出范圍達(dá)不到效果反而會(huì)惡化腫瘤，故需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其溫度變化[1]。

1 微波治療儀硬件電路

微波治療儀控制電路處理器采用Altera公司Cyclone系列FPGA，芯片EPIC12Q24017，除了主控芯片，我們還采用了ADI公司的DDS芯片型號(hào)為AD9858，該DDS芯片工作頻率可以高達(dá)1 GHz，利用該芯片產(chǎn)生433 MHz的信號(hào)源產(chǎn)生的數(shù)字正弦波經(jīng)過該芯片內(nèi)部的D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器后，經(jīng)過低通濾波器后，可以得到純凈的正弦波驅(qū)動(dòng)開關(guān)電源。

測(cè)溫電路主要由溫度傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、FPGA組成。其中溫度傳感器采用J型熱電偶。信號(hào)調(diào)理電路由模擬放大器、濾波器組成，由于J型熱電偶輸出為微弱信號(hào)，故模擬放大器需要采用儀表放大器本文采用INA118，該芯片具有低溫漂及高共模抑制比。非常適合放大微弱小信號(hào)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用ADI公司的AD7671，該芯片為并行輸出，16位輸出。該并行輸出給FPGA。由于該FPGA只完成溫度信號(hào)采集功能采用MICROSMEI公司的APA030芯片即可滿足要求，將采集的溫度信號(hào)反饋給主FPGA，調(diào)整功率輸出，保證治療位置溫度保持在42℃-44℃[2]。測(cè)溫電路如圖2所示。

R12、CI組成低通濾波器，U2A的增益為I+Rl4/Rl3輸出電壓U1=（I+Rl4/Rl3）Ui。通過調(diào)整R14改變?cè)鲆嬷怠犭娕夹枰涠搜a(bǔ)償，測(cè)量熱電偶冷端溫度電壓，采用熱敏電阻實(shí)時(shí)測(cè)量冷端溫度，由于熱敏電阻阻值和溫度成指數(shù)關(guān)系，利用電橋和差動(dòng)放大電路，將熱敏電阻（ Rx）作為電橋橋臂，與運(yùn)算放大器構(gòu)成電橋差動(dòng)線性補(bǔ)償電路，實(shí)現(xiàn)測(cè)溫。最終的溫度值為U1-U2的電壓值。

功率放大器選用MITSUBISHI公司的集成功放模塊RA60H4047M1，該功放的工作頻率范圍為400 MHz -470 MHz，我們這里采用433 MHz作為工作頻段。功率放大后經(jīng)隔離器后輸出給輻射器。該集成功放模塊輸入與輸出阻抗都是50 Ω，在傳輸過程中無損且匹配，輸入端頻率任意，信號(hào)源不變情況下，輸出端功率不變[3]。功放模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。圖中引腳1為信號(hào)輸入端，引腳2為柵極電壓輸入端，控制輸出功率，引腳3為漏極輸入端，引腳4為信號(hào)輸出端，引腳5為地。

傳統(tǒng)微波治療儀的開關(guān)電源采用高壓變壓器、調(diào)壓器、整流濾波電路組成。該方式的開關(guān)電源體積較大，效率較低，在冬天時(shí)啟動(dòng)較慢。

新型微波治療儀采用DDS信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生433 MHz的信號(hào)源，同時(shí)采集測(cè)溫電路的溫度值，調(diào)整輻射強(qiáng)度。具體工作過程是，DDS系統(tǒng)通過功率放大后開始輻射，測(cè)溫電路同時(shí)實(shí)時(shí)采集輻射組織溫度，當(dāng)溫度超過設(shè)定的工作溫度范圍，模塊產(chǎn)生一個(gè)高電平，復(fù)位DDS系統(tǒng)，DDS停止工作，停止輻射過程。否則繼續(xù)輻射工作。

2 腫瘤熱療原理

傳統(tǒng)微波采用2450 MHz頻段，該頻段也成為厘米波熱療法，輻射深度為12.25 cm，新型微波采用433 MHz頻段，為分米波熱療法，輻射深度可以達(dá)到69 cm。由于不同組織對(duì)微波有吸收作用，已上述兩種頻段為例，2450 MHz遇到脂肪只能輻射3.04 cm，肌肉為1.7 cm。433 MHz脂肪內(nèi)傳播距離為26.2 cm，肌肉為23 cm。故針對(duì)腫瘤熱療傳統(tǒng)微波頻段的作用有限。

腫瘤組織的增長(zhǎng)使周圍血管或毛細(xì)血管收到壓迫、扭曲、變得狹窄，造成血液流受阻。腫瘤血流量為周圍組織的2% - 15%，且散熱作用低于正常組織。在同等條件微波照射下，腫瘤部位比正常組織溫度高5℃～15℃，如此高的溫度差足以是癌組織壞死，而正常組織免受損傷。當(dāng)溫度升高到41 - 42℃，腫瘤細(xì)胞會(huì)發(fā)生血液瘀滯，癌細(xì)胞停止分裂，在42.5 - 43℃，腫瘤細(xì)胞發(fā)生不可逆損傷，血流停滯，血栓形成、癌細(xì)胞變性壞死。臨床中，微波臨界溫度為45.7℃，此溫度下正常細(xì)胞不會(huì)受到損傷。新型微波治療儀由于穿透距離遠(yuǎn)，且溫度可以實(shí)時(shí)測(cè)量，利用該原理對(duì)腫瘤進(jìn)行消融工作。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4為患者經(jīng)過微波治療儀治療前后的對(duì)比，從圖中可以看出，該患者存在3處腫瘤，圖中已經(jīng)用紅色箭頭標(biāo)記，經(jīng)過微波1個(gè)月腫瘤消融處理后，腫瘤部分已消失。

4 總結(jié)

433 MHz頻段微波熱療對(duì)腫瘤的消融已經(jīng)被醫(yī)學(xué)界認(rèn)可，從效果來看，對(duì)患者不造成很大痛苦，在保證實(shí)時(shí)溫度采集準(zhǔn)確的情況下，可以達(dá)到消融腫瘤細(xì)胞的同時(shí)對(duì)正常細(xì)胞無影響的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊立生，微波腫瘤消融治療儀的工程研制[D].南京：南京理工大學(xué)2008，

[2]馮振生.微波治療儀電路設(shè)計(jì)與溫度測(cè)量研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2004.

[3]姚為駿，新一代分米波治療儀的研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2010.

作者簡(jiǎn)介：

孫曉偉，高級(jí)工程師。