1 引言

微波治療是臨床上一種新的治療手段，其設備簡單，治療效果明顯，使用安全，并發(fā)癥 少，對組織損傷小，因此得到醫(yī)務界的肯定。微波治療儀是利用微波在人體產生的熱對患者的病變部位進行輻射，從而達到治療目的，鑒于其治療效果顯著，是當今 發(fā)展無損傷治療的理想醫(yī)療設備。目前各醫(yī)院使用的微波治療儀進口的占多數，普遍存在體積大、價格昂貴、操作復雜等缺點，而國內生產的微波治療儀技術還需更 新、輸出功率穩(wěn)定性欠佳，致使治療效果不明顯，缺乏一些必要的保護措施，這使得整個系統(tǒng)的安全性不是很好，智能化程度不理想，使用操作起來顯得不方便。所 以有必要對其進行重新設計，尤其在安全性和控制系統(tǒng)方面要使用新的設計方法，以達到最佳效果。

本文所設計的智能微波治療儀有以下特 點：(1)控制系統(tǒng)在硬件上使用了過載保護，軟件上采用了PID 控制加分段擬合的方法，使治療儀的安全性能和輸出功率有了根本性的改變;(2)在軟件的 設計中采用了嵌入式操作系統(tǒng)，使整個微波治療系統(tǒng)的可操作性能，安全性能以及穩(wěn)定性都達到了一個新的高度。

2 微波治療機理

微波是頻率為300~300000MHz 波長1mm~1m 的超高頻電磁波，屬于非電離輻射。微波技術在醫(yī)療診斷和治療兩方面發(fā)揮重要作用。

在微波治療過程中，根據采用的微波功率密度的不同，而區(qū)分出熱效應治療和非熱效應治療。目前，熱效應治療機制較為明確。其治療機制是：人體組織內大部分 是由水和蛋白質等極性分子組成，在微波電場力矩的作用下，極性分子沿著微波電場的方向進行有序排列的取向運動，并隨著高頻電場的交變而來回轉動，在轉動的 過程中與相鄰的分子產生類似摩擦碰撞而生成熱量。使受照射部位機體組織溫度上升，使血管，微血管擴張，達到加快新陳代謝過程，改善局部營養(yǎng)，增強組織修復 與再生能力的目的。與其它的熱療方法不同，微波加熱的熱源不是從外部傳導，而是由生物組織本身產生的，這種熱作用效率高，均衡性熱穩(wěn)定性好[4-6]。

3 系統(tǒng)組成及原理

利用微波致熱效應治療原理，把生物體置于微波輻射場中完成治療過程。儀器主要由開關高壓源、磁控管、線性電源、波導、微波探頭、傳感器和微控制器等組 成。脈寬調制式開關高壓電源產生磁控管所需的高壓，通過對高壓直流電流的反饋控制，來穩(wěn)定磁控管的輸出功率，線性電源則提供穩(wěn)定的直流電壓給燈絲供電。磁 控管采用醫(yī)療專用磁控管，波導(微波電纜)用來傳輸微波，微波探頭插入病人患部組織里面進行治療[5]。傳感器用來監(jiān)測磁控管的輸出功率。微控制器控制用 來整個系統(tǒng)的正常運行。

通過一個全橋整流器和一個比較器，將正弦交流電轉變?yōu)橐幌盗芯匦尾?，在矩形波的下降?即正弦交流電的過零 點，系統(tǒng)將收到中斷申請，表示可以觸發(fā)可控硅和繼電器，合適的觸發(fā)點則由系統(tǒng)控制，以達到所要求的功率。功率傳感器采集磁控管的輸出，用來監(jiān)測輸出功率 值，組成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)[3]。同時傳感器的輸出端還連在硬件保護電路上，如果控制系統(tǒng)出現故障，輸出不受控制，則可能造成輸出功率超出本儀器所要求的 范圍，此時，由硬件保護電路將檢測到輸出超標信號，將輸出強行關斷，以增強系統(tǒng)的可靠性。在治療結束后，上位機軟件將輸出此次治療的相關信息，并保存到數 據庫，以備復診使用和進行治療效果的統(tǒng)計分析。

4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是整個治療儀器的核心，所有的控制指令都由它發(fā)出，所以控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性設計是整個設計的關鍵。

為了增強儀器的可靠性和抗干擾性，使用了專門的硬件保護電路，當硬件出現故障，微波的輸出不受控制，在其功率超過設定值后，硬件保護電路將被觸發(fā)，自動 關斷輸出，提高了整個微波治療儀的安全性。在軟件設計上采用了嵌入式操作系統(tǒng)，使整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性有了較大的提高。為了提高控制的可靠性和快速 響應的性能，使用了PID 閉環(huán)控制，同時微波管的輸出功率受到電網電壓，工作溫度和工作時間等多方面的影響，其輸出具有非線性、滯后、時變等特點，所以 將傳感器的輸入進行分段擬合，并且在各段設置了不同的校正系數，使輸出更加平穩(wěn)[1][2]。

4.1 控制系統(tǒng)硬件設計

硬件主要分為以下幾個部分。電源為控制系統(tǒng)提供電源;鍵盤和 LCD 顯示電路完成人機對話功能;磁控管的控制電路根據程序指令的要求達到對病人不同疾 病的治療效果;硬件保護電路對控制系統(tǒng)出現的故障提供了可靠的保護;功率傳感器和AD 轉換器對微波管的輸出進行監(jiān)控;輸出驅動則由繼電器和可控硅同時完 成;通訊電路完成控制器和上位機的信息交換;蜂鳴器驅動電路結合發(fā)光二極管共同對預熱結束、治療結束和故障進行報警工作。

4.1.1 電源和人機交互電路

為了防止干擾從電源竄入，電源由開關電源和濾波電路組成，抗干擾性能較好。為了方便操作，設置了治療理療轉換鍵，工作暫停鍵，功率調節(jié)鍵，時間調節(jié)鍵和復位鍵;顯示采用液晶屏幕加LED 指示燈，用來顯示當前功率、時間和治療狀態(tài)等信息。

4.1.2 磁控管的控制和驅動電路

磁控管是微波的發(fā)射源，由陽極、諧振腔、陰極和磁場組成，當給磁控管燈絲加上3.3V直流燈絲電壓，使陰極加熱，同時陽極和陰極之間加2000V 左右 的直流高壓，陰極所發(fā)射的電子在強磁場作用下飛向陽極，陽極上有多個小的諧振腔，當電子打到陽極之前在這些諧振腔內發(fā)生振蕩,諧振頻率約為 2450MHz。在治療開始之后，閉合繼電器，可控硅在過零點之后觸發(fā)，控制微波的強度。同時功率傳感器開始工作，監(jiān)測微波強度。當可控硅擊穿或者出現其 它故障，系統(tǒng)不能控制磁控管的輸出時，功率傳感器采集到的值大于安全功率的上限，當斷開可控硅無效的情況下，硬件保護電路動作，關閉繼電器，斷開高壓電 源，同時報警，提醒操作人員儀器出現故障。

4.1.3 報警和通訊電路

報警電路主要由發(fā)光二極管和蜂鳴器組成。當治療結束或者是出現故障時，報警電路動作，將目前狀態(tài)以聲光方式通知操作人員。通訊電路主要負責本儀器與上位機之間的數據通訊，在治療完畢之后，將此次治療的相關信息上傳至上位機。

4.2 控制系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)軟件包括上位機和儀器軟件兩部分。上位機軟件使用VB 編寫，主要記錄治療的信息，以便復診和對治療效果的統(tǒng)計分析。微控制器部分采用 MicroC/OS-II 嵌入式操作系統(tǒng)，使整個控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾性能大大增強，同時加快了設計速度并且代碼易于維護。

在 治療狀態(tài)下，首先閉合繼電器，然后檢測電壓的過零點，在過零點之后延時觸發(fā)可控硅，延時時間由輸出驅動電路和功率傳感器組成PID 閉環(huán)系統(tǒng)控制。由于微 波管的輸出不是成線性變化的，所以將傳感器的輸入用不同的校正系數進行分段校正、擬合后，再用于PID調節(jié)。提高了控制系統(tǒng)的可靠性和快速響應能力，并且 使輸出更加平穩(wěn)。

5 結語

本文作者創(chuàng)新點：該微波功率的控制方案從根本上解決了微波輸出功率的失調問題。硬件上增加的保護電路使儀器的安全性能有了很大的提高，控制策略采用了分段擬合加PID控制融合的方法，既有線性化好 的特點，又有PID 控制精度高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點，克服了微波功率控制中非線性，滯后，時變等帶來的困難。