微波功率源及其微波消融治疗仪

摘要

本发明公开了一种微波功率源以及微波消融治疗仪，其涉及全固态微波功率产生电路以及微波治疗仪器电路。采用全固态电路闭环控制，微波功率输出稳定、连续可调。能够使微波能量在人体组织中产生足够的透入深度，扩大了消融范围。915MHz微波频段较2450MHz微波频段的消融范围更为扩大，其产生的效果是更适合于消融治疗。本发明的微波功率源由微波信号发生器、功率控制时间调节电路、阻抗匹配器、驱动电路、功率分路器、多个功率放大器、功率合路器、隔离器和功率跟踪检测电路组成。微波功率源配合上微波消融针，在微处理器的控制下，即构成微波消融治疗仪。

说明书

技术领域

本发明涉及一种微波功率产生电路以及微波治疗仪器，尤其涉及一种全固态微波功率源和微波消融治疗仪。

背景技术

微波消融技术治疗肿瘤是90年代兴起的一种微创技术。它在影像引导下，将微波消融穿刺针直接插入患者肿瘤部位，通过微波消融穿刺针将微波能量传送到肿瘤组织内，产生摄氏60～120度的高温，使肿瘤组织在短时间内产生凝固性坏死，从而达到治疗目的。

目前国内外微波消融仪的工作频率是2450MHz。2450MHz的微波在含水组织中的最大穿透深度为1.7cm。此特性直接限制了肿瘤组织热凝固范围，影响到肿瘤治疗的效果，在临床治疗中只能治疗直径小于3cm的小肿瘤。如果要消融直径大于3cm以上的肿瘤，必须同时多根针插入体内治疗。

现国内外微波消融仪选用的微波频率为2450HMz，其微波发射源采用的都是单级磁控管。磁控管的起振电压需1200V以上的高压电源，在治疗使用过程中，安全性差。另外更主要的是磁控管的输出功率随其磁性材料的温度变化而产生较大范围的功率波动，难以控制和保持稳定的功率输出状态，严重影响到肿瘤临床的治疗效果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种全固态微波功率源和微波消融治疗仪。

本发明的上述目的由以下技术方案实现：

微波功率源包括微波信号发生器21、功率控制时间调节电路22、阻抗匹配器23、驱动电路24、功率分路器25、多个功率放大器26-1和26-2、功率合路器27、隔离器28和功率跟踪检测电路29依次连接构成。微波信号发生器21产生的微波信号输入到功率控制时间调节电路22，其接受到的功率控制信号CON对输出功率进行调节，功率控制时间调节电路22输出到阻抗匹配器23，其对输入的微波信号进行阻抗匹配，阻抗匹配器23输出到驱动电路24，驱动电路24把阻抗匹配器23送来的信号进行前级放大后送功率分路器25，功率分路器25把功率信号分成多路分别输入到多个功率放大器进行放大，如图1中的功率放大器26-1和26-2，放大后的功率再由功率合路器27合成，合成后的功率经隔离器28的同轴输出端进行功率输出。在隔离器28的微波功率输出端接有功率跟踪检测电路29，功率跟踪检测电路29输出有输出功率检测信号O-DET、反射功率检测信号B-DET、过流信号EI和过压信号EV。

微波功率源中的微波信号发生器21，包括有微控制处理器211、电子合成器和压控振荡器212、小信号放大模块213。微控制处理器211与电子合成器和压控振荡器212通过串行接口总线SPI BUS相连，微控制处理器211还接受由电子合成器和压控振荡器212反馈来的失锁信号，控制电子合成器和压控振荡器212工作。电子合成器和压控振荡器212输出微波信号到小信号放大模块213，小信号放大模块213输出到功率控制时间调节电路22。微波信号发生器21产生频率为915MHZ微波信号。

微波功率源中的功率控制时间调节电路22包括有电控衰减器和偏置电路。偏置电路给电控衰减器提供偏置电压，电控衰减器根据功率控制信号CON的量值，调节电控衰减器内部的PIN管衰减网络。

微波功率源中的功率跟踪检测电路29包括有双向定向耦合器和检波电路。双向耦合为输出功率耦合和反射功率耦合，耦合后的信号送入检波电路，检波电路输出有输出功率检测信号O-DET和反射功率检测信号B-DET。功率跟踪检测电路29还含有过流检测电路和过压检测电路，产生由于检测的过流信号EI和过压信号EV。

微波消融治疗仪包括有微波功率源12、计算机控制单元11、微波消融针13。微波功率源12的功率输出接微波消融针13，微波消融针13辐射微波能量用于肿瘤及病变组织的消融治疗，计算机控制单元11输出功率控制信号CON控制调节微波功率源12的功率输出，微波功率源12输出的输出功率检测信号O-DET、反射功率检测信号B-DET、过流信号EI和过压信号EV输入至计算机控制单元11，从而构成微波功率输出的闭环控制。

计算机控制单元11包括有：主控微处理器51、功率控制微处理器41、温度测量微处理器34，主控微处理器51通过通讯接口COM与功率控制微处理器41和温度测量微处理器34连接。

微波功率源12的输出功率检测信号O-DET和反射功率检测信号B-DET经过A/D转换器43转换后送到功率控制微处理器41，微波功率源12的过流信号EI和过压信号EV输入到功率控制微处理器41，微波功率源12的功率控制信号CON来自于功率控制微处理器41经过D/A转换器42的输出，功率控制信号CON的量值由功率控制微处理器41根据输出功率检测信号O-DET的值计算比较得到，反射功率检测信号B-DET以及过流信号EI和过压信号EV由经过功率控制微处理器41处理后经通讯接口COM进入主控微处理器51，并通过其启动报警电路54产生报警信号。

置于微波消融针13内的温度传感器31感应的温度信号送至小信号放大器32，小信号放大器的输出经A/D转换器33转换后送至温度测量微处理器34，温度测量微处理器34输出的温度值经显示译码驱动器35后由温度显示器36显示。

主控微处理器51接有键盘55、状态显示器52、报警电路54、蠕动泵控制电路53、电可擦写的只读存储器E²PROM和看门狗电路56。键盘55用于向主控微处理器51输入控制指令，状态显示器52用于显示工作状态，报警电路54产生报警信号，蠕动泵控制电路53用于控制冷却液的循环，电可擦写的只读存储器E²PROM用于存放设定值和工作中的暂存数据，看门狗电路56在设定条件下复位系统。

本发明的优点是微波功率源采用全固态微波功率晶体管制作，输出功率连续、稳定、可调；工作电压低、效率高、功耗小、安全可靠；仪器使用寿命延长、MTBF提高。微波信号发生器21采用数字化微波频率源，确保了频率稳定度和频率快速、连续可调。采用多种信号调制方式和功率-时间控制方式。

采用高精度温度传感器跟踪治疗温度，进行实时测量、监控，变化曲线有显示屏显示或数字显示。采用CPU微控制器实时监控仪器各功能模块的工作状态。采用冷循环液体冷却技术，疏散消融治疗针杆的表面温度。

采用915MHz微波频段用于肿瘤及病变组织的消融治疗，提供一种与现有的微波消融治疗仪功能和精度不相同的、具有智能化操作控制功能的微波消融治疗仪。

附图说明

图1是本发明的微波功率源电路框图；

图2是本发明的微波信号发生器电路框图；

图3是本发明中的功率控制时间调节电路框图；

图4是本发明中的功率放大器电路框图；

图5是本发明中的功率跟踪检测电路框图；

图6是本发明的微波消融治疗仪电路框图；

图7是本发明的微波消融治疗仪中的主控微处理器电路框图；

图8是本发明的微波消融治疗仪中的功率控制微处理器电路框图；

图9是本发明的微波消融治疗仪中的温度测量微处理器电路框图；

图10是离体猪肝消融效果实验比较图；

图11是活体猪肝消融效果实验比较图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

图1是全固态微波功率源原理框图，微波信号发生器21产生915±2％MHz的微波调制信号，送功率控制时间调节电路22，功率控制时间调节电路22根据接受到的功率控制CON信号对输出功率进行调节，阻抗匹配器23再把调节后的功率信号进行50Ω阻抗匹配。驱动电路24把阻抗匹配器23送来的信号进行前级放大。功率分路器25把功率信号分成2路送功率放大器26-1和26-2进行放大，放大后的功率再由功率合路器27合成，合成后的功率经隔离器28的同轴输出端送出。功率跟踪检测电路29在功率输出端采样小信号输出功率检测信号O-DET、反射功率检测信号B-DET、过流信号EI和过压信号EV，送功率控制电路，对仪器进行控制，使仪器一直处于稳定的工作状态。

在图2中，微波功率源中的微波信号发生器21采用数字频率调制方式产生915MHz射频小信号。其主要由：微控制处理器211、电子合成器和压控振荡器212、小信号放大模块213三部分组成，电子合成器的功能是完成频率合成。系统上电后，微控制处理器211根据预订要求通过SPI BUS(SerialPeripheral Interface BUS)串行接口总线向电子合成器和压控振荡器212传送数据，控制电子合成器和压控振荡器212产生915MHz射频信号。电子合成器和压控振荡器212内部有频率失锁检测电路，若输出信号出现频率偏离，电子合成器和压控振荡器212通过“失锁检测”电路将失锁状态反馈给微控制处理器211，微控制处理器211即启动相应的软件控制指令使输出频率快速恢复到锁定状态，从而确保了输出频率的稳定。电子合成器和压控振荡器212输出的信号幅度较小，采用小信号放大模块213对该信号进行前置放大后，再传送给后续的功率控制时间调节电路22。

功率控制时间调节电路22如图3所示，由电控衰减器和偏置电路组成。偏置电路给电控衰减器提供偏置电压。电控衰减器根据功率控制信号CON的量值，调节电控衰减器内部的PIN管衰减网络，达到对微波信号发生器21输出信号电平幅度大小的调整，最终计算机控制单元11控制微波功率源12总输出微波功率的大小。

驱动电路24进一步对微波功率放大达到后面功率放大器所需的功率。其可以采用两级放大电路，放大管采用线性、高可靠性的功率晶体管。

功率分路器25和功率合路器27采用多组3dB定向耦合器完成对采用多个功率晶体管组成的末级功放组件的功率分配与合成。

功率放大器26-1和26-2如图4所示，分别由输入匹配电路、功率放大管、输出匹配电路、馈电系统构成。输入匹配电路和输出匹配电路采用电路的分布参数进行匹配，比电容等器件匹配具有更高的可靠性。功率放大管采用线性射频LDMOS(Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor)集成功率放大器。馈电系统给功率放大管提供直流偏置。

隔离器28采用铁氧体微带环行器，反射波的输出端接50Ω功率电阻吸收。

功率跟踪检测电路29如图5所示，由双向定向耦合器和检波电路构成。双向定向耦合器是微带定向耦合器，双向耦合为输出功率耦合和反射功率耦合，耦合后的信号送入检波电路。检波电路是对数检波模块，对数检波模块将耦合的信号变为电压值。输出功率耦合检波出来的信号即为O-DET，反射功率耦合检波出来的信号即为B-DET。

过流信号EI和过压信号EV可以通过一般的电压、电流检测电路产生。在电路中可以设定电压、电流的取值范围，或者电压和电流的门限值，当电压、电流超出取值范围或者门限值时，即产生过流信号EI和过压信号EV。

在图6中，微波消融治疗仪由计算机主控单元11、微波功率源12和微波消融针13组成。微波功率源12的功率输出接微波消融针13，微波消融针13辐射微波能量用于肿瘤及病变组织的消融治疗。计算机控制单元11根据微波功率源12输出的输出功率检测信号O-DET，经过与设定值比较，输出功率控制信号CON控制调节微波功率源12的功率输出，从而构成微波功率输出的闭环控制。微波功率源12输出的，从而切断功率输出、发出报警信号提示操作人员。

从微波消融治疗仪的物理结构以及方便操作使用的角度考虑，计算机主控单元11可以由主控微处理器51、功率控制微处理器41和温度测量微处理器34组成。如图7、8、9所示，主控微处理器51通过通讯接口COM与功率控制微处理器41和温度测量微处理器34连接。在图7中，主控微处理器51接有键盘55、状态显示器52、报警电路54、蠕动泵控制电路53、电可擦写的只读存储器E²PROM和看门狗电路56。键盘55可以用来输入有关指令，如设定工作模式、设定时间、设定输出的功率值等。电可擦写的只读存储器E²PROM可以用来存放主控微处理器51执行程序中需要使用的一些参数，如键盘55输入的设定值和一些状态值，以便于在看门狗电路定时复位系统后继续执行程序。在主控微处理器51执行程序时，当判断到从通讯接口COM来自功率控制微处理器41发出的：反射功率检测信号B-DET出现功率输出端开路或者驻波过大、过流信号EI反映出电流超出限定值或者过压信号EV反映出电压超出限定值等异常情况时，启动报警电路工作报警，提示操作人员设备出现异常情况。状态显示器52用来显示设备的一些状态参数，如设定的功率输出时间参数、设备的工作模式、设定输出功率值等等。在微波消融针内设有冷却液循环装置，蠕动泵控制电路53在主控微处理器51的程序控制下启动或者关闭工作，从而使冷却液循环流动达到疏散微波消融针杆的表面温度，确保针道周围组织不被灼伤。

在图8中，功率控制微处理器41中程序主要完成对微波功率源12功率输出的控制以及检测微波功率源12的异常工作状态，并通过通讯接口COM通知主控微处理器51。功率控制微处理器41接受到主控微处理器51通过通讯接口COM传送来的功率设定值后，发出输出功率控制信号CON到微波功率源12，用来控制微波功率源12的输出功率。功率控制过程如下：微波功率源12的输出功率检测信号O-DET信号经A/D转换器43转换后数据值送入功率控制微处理器41，功率控制微处理器41将送入的数据值与功率预置值进行比较：如果两个数值产生差值△。功率控制微处理器41利用这个差值△调整输出功率控制信号CON；如果两个数值没有偏差，仪器还是按原来功率预置值产生输出功率控制信号CON，使微波功率源12的输出保持稳定的工作状态。如果微波功率源12的功率输出端开路或者驻波过大，其反射功率检测信号B-DET经A/D转换器43转换后送入功率控制微处理器41，由功率控制微处理器41向微波功率源12发出输出功率控制信号CON，切断其功率输出。并且通过通讯接口COM向主控微处理器51发出指令，主控微处理器51通过报警电路18报警。

在图9中，温度传感器31的温度感应信号经小信号放大器32放大后送入A/D转换器33，温度检测微处理器34读取转换后的温度值，送到译码驱动器35，由温度显示器显示，并通过通讯接口COM将温度数据传送给主控微处理器51进行实时监控处理。温度显示器可以以数值形式或图形曲线等形式精确地或形象地显示温度值。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明是用于肿瘤及病变组织的消融专用设备，能够使微波能量在人体组织中产生足够的透入深度，不仅能对直径小于3cm的肿瘤产生有效的消融治疗，且还能够对直径大于3cm的肿瘤及病变组织进行消融治疗，扩大了消融范围。将915MHz微波频段引入到肿瘤及病变组织的消融治疗应用领域。经动物试验及临床治疗验证，该微波频段用于消融治疗的机理是有效成立的，较2450MHz微波频段的消融范围更为扩大，其产生的效果是更适合于消融治疗。

从图10的离体猪肝消融效果实验比较图可以看出：在功率输出为70瓦，作用时间900秒的同等实验条件下，左图的915MHz微波消融面积效果为80X50mm；而右图的2450MHz微波消融面积效果为45X30mm。显然在915MHz的微波作用下消融面积较大，治疗效果好。再从图11的活体猪肝消融效果实验比较图可以看出：左图为915MHz微波、50瓦、900秒的条件，其消融面积约为50X25mm，右图为2450MHz微波、70瓦、900秒的条件，其消融面积与左图相当约为45X20mm。显然在915MHz的微波作用下，即使作用的功率较小，消融面积也较大，治疗效果好。

采用先进的数字化、全固态微波发射源，工作电压低，安全可靠，仪器使用寿命和MTBF将明显优于上述产品；智能化综合控制原理，不仅稳定了仪器的输出功率，且可实现输出功率和频率的连续、稳定可调，达到肿瘤临床整体灭活的效果，充分满足了肿瘤临床治疗的更新功能与需求。

以往同类产品仅采用单一CW波工作方式，本发明的微波频率源采用多种信号调制方式和功率-时间控制方式，率先将现代信号处理技术应用于肿瘤消融治疗，扩展了设计思想和方法，弥补了临床治疗之必须。

操作简单、安全、针道周围正常组织不被灼伤，消融的肿瘤温度可实时连续检测，监控。它为不同大小的肿瘤及病变组织提供了一种痛苦少、创伤小的消融治疗方法、手段与设备。