新型微波治疗仪研究

摘要：传统微波采用频段为2450 MHz，新型微波治疗仪采用433 MHz频段，不仅具有理疗功能，同时对肿瘤消融也有一定功效，使肿瘤细胞产生不可逆的死亡。本文将详细阐述其组成、原理，并提供实验数据验证其可行性。

关键词：微波治疗仪;肿瘤消融;数据验证

0 微波治疗仪组成

微波治疗仪由功率源、辐射器和智能控制电路组成。功率源一般采用由磁控管，磁控管的应用范围很广最常见的应用是微波炉，磁控管用于产生高功率信号。辐射器的作用是将功率源输出的功率集中在病变部位。智能控制电路输出PWM波形驱动开关电源，同时实时测量辐射部位温度，微波肿瘤消融需要在一定温度环境下进行，超出范围达不到效果反而会恶化肿瘤，故需要实时监测其温度变化[1]。

1 微波治疗仪硬件电路

微波治疗仪控制电路处理器采用Altera公司Cyclone系列FPGA，芯片EPIC12Q24017，除了主控芯片，我们还采用了ADI公司的DDS芯片型号为AD9858，该DDS芯片工作频率可以高达1 GHz，利用该芯片产生433 MHz的信号源产生的数字正弦波经过该芯片内部的D/A数模转换器后，经过低通滤波器后，可以得到纯净的正弦波驱动开关电源。

测温电路主要由温度传感器、信号调理电路、模数转换器、FPGA组成。其中温度传感器采用J型热电偶。信号调理电路由模拟放大器、滤波器组成，由于J型热电偶输出为微弱信号，故模拟放大器需要采用仪表放大器本文采用INA118，该芯片具有低温漂及高共模抑制比。非常适合放大微弱小信号。模数转换器采用ADI公司的AD7671，该芯片为并行输出，16位输出。该并行输出给FPGA。由于该FPGA只完成温度信号采集功能采用MICROSMEI公司的APA030芯片即可满足要求，将采集的温度信号反馈给主FPGA，调整功率输出，保证治疗位置温度保持在42℃-44℃[2]。测温电路如图2所示。

R12、CI组成低通滤波器，U2A的增益为I+Rl4/Rl3输出电压U1=（I+Rl4/Rl3）Ui。通过调整R14改变增益值。热电偶需要冷端补偿，测量热电偶冷端温度电压，采用热敏电阻实时测量冷端温度，由于热敏电阻阻值和温度成指数关系，利用电桥和差动放大电路，将热敏电阻（ Rx）作为电桥桥臂，与运算放大器构成电桥差动线性补偿电路，实现测温。最终的温度值为U1-U2的电压值。

功率放大器选用MITSUBISHI公司的集成功放模块RA60H4047M1，該功放的工作频率范围为400 MHz -470 MHz，我们这里采用433 MHz作为工作频段。功率放大后经隔离器后输出给辐射器。该集成功放模块输入与输出阻抗都是50 Ω，在传输过程中无损且匹配，输入端频率任意，信号源不变情况下，输出端功率不变[3]。功放模块的内部结构图如图3所示。图中引脚1为信号输入端，引脚2为栅极电压输入端，控制输出功率，引脚3为漏极输入端，引脚4为信号输出端，引脚5为地。

传统微波治疗仪的开关电源采用高压变压器、调压器、整流滤波电路组成。该方式的开关电源体积较大，效率较低，在冬天时启动较慢。

新型微波治疗仪采用DDS信号发生器产生433 MHz的信号源，同时采集测温电路的温度值，调整辐射强度。具体工作过程是，DDS系统通过功率放大后开始辐射，测温电路同时实时采集辐射组织温度，当温度超过设定的工作温度范围，模块产生一个高电平，复位DDS系统，DDS停止工作，停止辐射过程。否则继续辐射工作。

2 肿瘤热疗原理

传统微波采用2450 MHz频段，该频段也成为厘米波热疗法，辐射深度为12.25 cm，新型微波采用433 MHz频段，为分米波热疗法，辐射深度可以达到69 cm。由于不同组织对微波有吸收作用，已上述两种频段为例，2450 MHz遇到脂肪只能辐射3.04 cm，肌肉为1.7 cm。433 MHz脂肪内传播距离为26.2 cm，肌肉为23 cm。故针对肿瘤热疗传统微波频段的作用有限。

肿瘤组织的增长使周围血管或毛细血管收到压迫、扭曲、变得狭窄，造成血液流受阻。肿瘤血流量为周围组织的2% - 15%，且散热作用低于正常组织。在同等条件微波照射下，肿瘤部位比正常组织温度高5℃～15℃，如此高的温度差足以是癌组织坏死，而正常组织免受损伤。当温度升高到41 - 42℃，肿瘤细胞会发生血液瘀滞，癌细胞停止分裂，在42.5 - 43℃，肿瘤细胞发生不可逆损伤，血流停滞，血栓形成、癌细胞变性坏死。临床中，微波临界温度为45.7℃，此温度下正常细胞不会受到损伤。新型微波治疗仪由于穿透距离远，且温度可以实时测量，利用该原理对肿瘤进行消融工作。

3 实验结果

图4为患者经过微波治疗仪治疗前后的对比，从图中可以看出，该患者存在3处肿瘤，图中已经用红色箭头标记，经过微波1个月肿瘤消融处理后，肿瘤部分已消失。

4 总结

433 MHz频段微波热疗对肿瘤的消融已经被医学界认可，从效果来看，对患者不造成很大痛苦，在保证实时温度采集准确的情况下，可以达到消融肿瘤细胞的同时对正常细胞无影响的效果。

参考文献：

[1]杨立生，微波肿瘤消融治疗仪的工程研制[D].南京：南京理工大学2008，

[2]冯振生.微波治疗仪电路设计与温度测量研究[D].重庆：重庆大学，2004.

[3]姚为骏，新一代分米波治疗仪的研究[D].西安：西安电子科技大学，2010.

作者简介：

孙晓伟，高级工程师。