本文主要闡述了醫(yī)用微波治療儀的智能系統(tǒng)的設(shè)計。簡要介紹了微波治療儀的組成原理及其功能,，并詳細(xì)描述了該微波治療儀智能化自動控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計內(nèi)容,，同時對微波治療儀的一些組成部件進(jìn)行了相應(yīng)的介紹。通過PID 調(diào)節(jié)和分段擬合對微波治療儀的智能化控制,，使得此微波治療儀工作運行比沒有利用此控制方案的情況更加穩(wěn)定可靠,，測試結(jié)果也表明該設(shè)計是切實可行。同時開發(fā)了上位機軟件,，為復(fù)診以及治療效果的統(tǒng)計分析提供了一個平臺,。
1 引言
微波治療是臨床上一種新的治療手段,，其設(shè)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(wù)界的肯定,。微波治療儀是利用微波在人體產(chǎn)生的熱對患者的病變部位進(jìn)行輻射，從而達(dá)到治療目的,，鑒于其治療效果顯著,，是當(dāng)今發(fā)展無損傷治療的理想醫(yī)療設(shè)備。目前各醫(yī)院使用的微波治療儀進(jìn)口的占多數(shù),，普遍存在體積大,、價格昂貴、操作復(fù)雜等缺點,，而國內(nèi)生產(chǎn)的微波治療儀技術(shù)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(hù)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(jìn)行重新設(shè)計，尤其在安全性和控制系統(tǒng)方面要使用新的設(shè)計方法,，以達(dá)到最佳效果,。
本文所設(shè)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(hù)，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(shè)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(dá)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(shù)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(jù)采用的微波功率密度的不同,，而區(qū)分出熱效應(yīng)治療和非熱效應(yīng)治療,。目前，熱效應(yīng)治療機制較為明確,。其治療機制是：人體組織內(nèi)大部分是由水和蛋白質(zhì)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(jìn)行有序排列的取向運動,，并隨著高頻電場的交變而來回轉(zhuǎn)動,，在轉(zhuǎn)動的過程中與相鄰的分子產(chǎn)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(dá)到加快新陳代謝過程,，改善局部營養(yǎng),，增強組織修復(fù)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(dǎo),，而是由生物組織本身產(chǎn)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)組成及原理框圖
利用微波致熱效應(yīng)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(guān)高壓源,、磁控管、線性電源,、波導(dǎo),、微波探頭,、傳感器和微控制器等組成,。脈寬調(diào)制式開關(guān)高壓電源產(chǎn)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(dǎo)（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(jìn)行治療。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(zhuǎn)變?yōu)橐幌盗芯匦尾?，在矩形波的下降沿－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(dá)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),。同時傳感器的輸出端還連在硬件保護(hù)電路上，如果控制系統(tǒng)出現(xiàn)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(hù)電路將檢測到輸出超標(biāo)信號,，將輸出強行關(guān)斷，以增強系統(tǒng)的可靠性,。在治療結(jié)束后,，上位機軟件將輸出此次治療的相關(guān)信息，并保存到數(shù)據(jù)庫,，以備復(fù)診使用和進(jìn)行治療效果的統(tǒng)計分析,。
微波治療儀的系統(tǒng)原理框圖如圖 1 所示。
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(shè)計是整個設(shè)計的關(guān)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(hù)電路,，當(dāng)硬件出現(xiàn)故障，微波的輸出不受控制,，在其功率超過設(shè)定值后,，硬件保護(hù)電路將被觸發(fā)，自動關(guān)斷輸出,，提高了整個微波治療儀的安全性,。在軟件設(shè)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(yīng)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(wǎng)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(jìn)行分段擬合，并且在各段設(shè)置了不同的校正系數(shù)，使輸出更加平穩(wěn),。
4.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)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(jù)程序指令的要求達(dá)到對病人不同疾病的治療效果,；硬件保護(hù)電路對控制系統(tǒng)出現(xiàn)的故障提供了可靠的保護(hù)；功率傳感器和AD 轉(zhuǎn)換器對微波管的輸出進(jìn)行監(jiān)控,；輸出驅(qū)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(qū)動電路結(jié)合發(fā)光二極管共同對預(yù)熱結(jié)束,、治療結(jié)束和故障進(jìn)行報警工作。
硬件組成框圖如圖 2 所示：
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(guān)電源和濾波電路組成,，抗干擾性能較好。為了方便操作,，設(shè)置了治療理療轉(zhuǎn)換鍵,，工作暫停鍵，功率調(diào)節(jié)鍵,，時間調(diào)節(jié)鍵和復(fù)位鍵,；顯示采用液晶屏幕加LED 指示燈，用來顯示當(dāng)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(qū)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(dāng)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(dāng)電子打到陽極之前在這些諧振腔內(nèi)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(dāng)可控硅擊穿或者出現(xiàn)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(dāng)斷開可控硅無效的情況下,，硬件保護(hù)電路動作,，關(guān)閉繼電器，斷開高壓電源,，同時報警,，提醒操作人員儀器出現(xiàn)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(dāng)治療結(jié)束或者是出現(xiàn)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(fù)責(zé)本儀器與上位機之間的數(shù)據(jù)通訊,，在治療完畢之后，將此次治療的相關(guān)信息上傳至上位機,。
4.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)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(fù)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(shè)計速度并且代碼易于維護(hù),。
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(qū)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(shù)進(jìn)行分段校正、擬合后,，再用于PID調(diào)節(jié),。提高了控制系統(tǒng)的可靠性和快速響應(yīng)能力，并且使輸出更加平穩(wěn),。
程序流程圖如圖 3 所示,。
5 結(jié)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(diào)問題。硬件上增加的保護(hù)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,。