benwenzhuyaochanshuleyiyongweibozhiliaoyidezhinengxitongdesheji。jianyaojieshaoleweibozhiliaoyidezuchengyuanlijiqigongneng，bingxiangximiaoshulegaiweibozhiliaoyizhinenghuazidongkongzhixitongderuanyingjianshejineirong，tongshiduiweibozhiliaoyideyixiezuchengbujianjinxinglexiangyingdejieshao。通過PID 調(tiao)節(jie)和(he)分(fen)段(duan)擬(ni)合(he)對(dui)微(wei)波(bo)治(zhi)療(liao)儀(yi)的(de)智(zhi)能(neng)化(hua)控(kong)製(zhi)，使(shi)得(de)此(ci)微(wei)波(bo)治(zhi)療(liao)儀(yi)工(gong)作(zuo)運(yun)行(xing)比(bi)沒(mei)有(you)利(li)用(yong)此(ci)控(kong)製(zhi)方(fang)案(an)的(de)情(qing)況(kuang)更(geng)加(jia)穩(wen)定(ding)可(ke)靠(kao)，測(ce)試(shi)結(jie)果(guo)也(ye)表(biao)明(ming)該(gai)設(she)計(ji)是(shi)切(qie)實(shi)可(ke)行(xing)。同(tong)時(shi)開(kai)發(fa)了(le)上(shang)位(wei)機(ji)軟(ruan)件(jian)，為(wei)複(fu)診(zhen)以(yi)及(ji)治(zhi)療(liao)效(xiao)果(guo)的(de)統(tong)計(ji)分(fen)析(xi)提(ti)供(gong)了(le)一(yi)個(ge)平(ping)台(tai)。

 

1 引言

 

微(wei)波(bo)治(zhi)療(liao)是(shi)臨(lin)床(chuang)上(shang)一(yi)種(zhong)新(xin)的(de)治(zhi)療(liao)手(shou)段(duan)，其(qi)設(she)備(bei)簡(jian)單(dan)，治(zhi)療(liao)效(xiao)果(guo)明(ming)顯(xian)，使(shi)用(yong)安(an)全(quan)，並(bing)發(fa)症(zheng)少(shao)，對(dui)組(zu)織(zhi)損(sun)傷(shang)小(xiao)
，因(yin)此(ci)得(de)到(dao)醫(yi)務(wu)界(jie)的(de)肯(ken)定(ding)。微(wei)波(bo)治(zhi)療(liao)儀(yi)是(shi)利(li)用(yong)微(wei)波(bo)在(zai)人(ren)體(ti)產(chan)生(sheng)的(de)熱(re)對(dui)患(huan)者(zhe)的(de)病(bing)變(bian)部(bu)位(wei)進(jin)行(xing)輻(fu)射(she)，從(cong)而(er)達(da)到(dao)治(zhi)療(liao)目(mu)的(de)
，鑒(jian)於(yu)其(qi)治(zhi)療(liao)效(xiao)果(guo)顯(xian)著(zhu)
，是(shi)當(dang)今(jin)發(fa)展(zhan)無(wu)損(sun)傷(shang)治(zhi)療(liao)的(de)理(li)想(xiang)醫(yi)療(liao)設(she)備(bei)。目(mu)前(qian)各(ge)醫(yi)院(yuan)使(shi)用(yong)的(de)微(wei)波(bo)治(zhi)療(liao)儀(yi)進(jin)口(kou)的(de)占(zhan)多(duo)數(shu)

，普(pu)遍(bian)存(cun)在(zai)體(ti)積(ji)大(da)、價格昂貴
、操作複雜等缺點，而國內生產的微波治療儀技術還需更新、輸shu出chu功gong率lv穩wen定ding性xing欠qian佳jia，致zhi使shi治zhi療liao效xiao果guo不bu明ming顯xian
，缺que乏fa一yi些xie必bi要yao的de保bao護hu措cuo施shi，這zhe使shi得de整zheng個ge係xi統tong的de安an全quan性xing不bu是shi很hen好hao，智zhi能neng化hua程cheng度du不bu理li想xiang
，使shi用yong操cao作zuo起qi來lai顯xian得de不bu方fang便bian。所suo以yi有you必bi要yao對dui其qi進jin行xing重zhong新xin設she計ji，尤you其qi在zai安an全quan性xing和he控kong製zhi係xi統tong方fang麵mian要yao使shi用yong新xin的de設she計ji方fang法fa，以yi達da到dao最zui佳jia效xiao果guo。

 

本文所設計的智能微波治療儀有以下特點：（1）控製係統在硬件上使用了過載保護，軟件上采用了PID 控製加分段擬合的方法
，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係統，使整個微波治療係統的可操作性能，安全性能以及穩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，屬於非電離輻射。微波技術在醫療診斷和治療兩方麵發揮重要作用。

 

在(zai)微(wei)波(bo)治(zhi)療(liao)過(guo)程(cheng)中(zhong)，根(gen)據(ju)采(cai)用(yong)的(de)微(wei)波(bo)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)的(de)不(bu)同(tong)，而(er)區(qu)分(fen)出(chu)熱(re)效(xiao)應(ying)治(zhi)療(liao)和(he)非(fei)熱(re)效(xiao)應(ying)治(zhi)療(liao)。目(mu)前(qian)，熱(re)效(xiao)應(ying)治(zhi)療(liao)機(ji)製(zhi)較(jiao)為(wei)明(ming)確(que)。其(qi)治(zhi)療(liao)機(ji)製(zhi)是(shi)：人(ren)體(ti)組(zu)織(zhi)內(nei)大(da)部(bu)分(fen)是(shi)由(you)水(shui)和(he)蛋(dan)白(bai)質(zhi)等(deng)極(ji)性(xing)分(fen)子(zi)組(zu)成(cheng)，在(zai)微(wei)波(bo)電(dian)場(chang)力(li)矩(ju)的(de)作(zuo)用(yong)下(xia)，極(ji)性(xing)分(fen)子(zi)沿(yan)著(zhe)微(wei)波(bo)電(dian)場(chang)的(de)方(fang)向(xiang)進(jin)行(xing)有(you)序(xu)排(pai)列(lie)的(de)取(qu)向(xiang)運(yun)動(dong)，並(bing)隨(sui)著(zhe)高(gao)頻(pin)電(dian)場(chang)的(de)交(jiao)變(bian)而(er)來(lai)回(hui)轉(zhuan)動(dong)

，在(zai)轉(zhuan)動(dong)的(de)過(guo)程(cheng)中(zhong)與(yu)相(xiang)鄰(lin)的(de)分(fen)子(zi)產(chan)生(sheng)類(lei)似(si)摩(mo)擦(ca)碰(peng)撞(zhuang)而(er)生(sheng)成(cheng)熱(re)量(liang)。使(shi)受(shou)照(zhao)射(she)部(bu)位(wei)機(ji)體(ti)組(zu)織(zhi)溫(wen)度(du)上(shang)升(sheng)，使(shi)血(xue)管(guan)
，微(wei)血(xue)管(guan)擴(kuo)張(zhang)，達(da)到(dao)加(jia)快(kuai)新(xin)陳(chen)代(dai)謝(xie)過(guo)程(cheng)，改(gai)善(shan)局(ju)部(bu)營(ying)養(yang)
，增(zeng)強(qiang)組(zu)織(zhi)修(xiu)複(fu)與(yu)再(zai)生(sheng)能(neng)力(li)的(de)目(mu)的(de)。與(yu)其(qi)它(ta)的(de)熱(re)療(liao)方(fang)法(fa)不(bu)同(tong)，微(wei)波(bo)加(jia)熱(re)的(de)熱(re)源(yuan)不(bu)是(shi)從(cong)外(wai)部(bu)傳(chuan)導(dao)
，而(er)是(shi)由(you)生(sheng)物(wu)組(zu)織(zhi)本(ben)身(shen)產(chan)生(sheng)的(de)，這(zhe)種(zhong)熱(re)作(zuo)用(yong)效(xiao)率(lv)高(gao)，均(jun)衡(heng)性(xing)熱(re)穩(wen)定(ding)性(xing)好(hao)［4-6］。

 

3 係統組成及原理框圖

 

利用微波致熱效應治療原理，把生物體置於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heweikongzhiqidengzucheng。maikuantiaozhishikaiguangaoyadianyuanchanshengcikongguansuoxudegaoya，tongguoduigaoyazhiliudianliudefankuikongzhi，laiwendingcikongguandeshuchugonglv
，xianxingdianyuanzetigongwendingdezhiliudianyageidengsigongdian。cikongguancaiyongyiliaozhuanyongcikongguan
，bodao（微波電纜）yonglaichuanshuweibo
，weibotantoucharubingrenhuanbuzuzhilimianjinxingzhiliao。chuanganqiyonglaijiancecikongguandeshuchugonglv。weikongzhiqikongzhiyonglaizhenggexitongdezhengchangyunxing。

 

通過一個全橋整流器和一個比較器
，將正弦交流電轉變為一係列矩形波
，在矩形波的下降沿－即ji正zheng弦xian交jiao流liu電dian的de過guo零ling點dian，係xi統tong將jiang收shou到dao中zhong斷duan申shen請qing，表biao示shi可ke以yi觸chu發fa可ke控kong矽gui和he繼ji電dian器qi
，合he適shi的de觸chu發fa點dian則ze由you係xi統tong控kong製zhi，以yi達da到dao所suo要yao求qiu的de功gong率lv。功gong率lv傳chuan感gan器qi采cai集ji磁ci控kong管guan的de輸shu出chu，用yong來lai監jian測ce輸shu出chu功gong率lv值zhi，組zu成cheng一yi個ge閉bi環huan控kong製zhi係xi統tong。同tong時shi傳chuan感gan器qi的de輸shu出chu端duan還hai連lian在zai硬ying件jian保bao護hu電dian路lu上shang，如ru果guo控kong製zhi係xi統tong出chu現xian故gu障zhang，輸shu出chu不bu受shou控kong製zhi，則ze可ke能neng造zao成cheng輸shu出chu功gong率lv超chao出chu本ben儀yi器qi所suo要yao求qiu的de範fan圍wei，此ci時shi
，由you硬ying件jian保bao護hu電dian路lu將jiang檢jian測ce到dao輸shu出chu超chao標biao信xin號hao，將jiang輸shu出chu強qiang行xing關guan斷duan
，以yi增zeng強qiang係xi統tong的de可ke靠kao性xing。在zai治zhi療liao結jie束shu後hou，上shang位wei機ji軟ruan件jian將jiang輸shu出chu此ci次ci治zhi療liao的de相xiang關guan信xin息xi
，並bing保bao存cun到dao數shu據ju庫ku，以yi備bei複fu診zhen使shi用yong和he進jin行xing治zhi療liao效xiao果guo的de統tong計ji分fen析xi。

 

微波治療儀的係統原理框圖如圖 1 所示。

4 控製係統

 

控製係統是整個治療儀器的核心
，所有的控製指令都由它發出
，所以控製係統的穩定性設計是整個設計的關鍵。

 

為(wei)了(le)增(zeng)強(qiang)儀(yi)器(qi)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)和(he)抗(kang)幹(gan)擾(rao)性(xing)
，使(shi)用(yong)了(le)專(zhuan)門(men)的(de)硬(ying)件(jian)保(bao)護(hu)電(dian)路(lu)
，當(dang)硬(ying)件(jian)出(chu)現(xian)故(gu)障(zhang)，微(wei)波(bo)的(de)輸(shu)出(chu)不(bu)受(shou)控(kong)製(zhi)，在(zai)其(qi)功(gong)率(lv)超(chao)過(guo)設(she)定(ding)值(zhi)後(hou)，硬(ying)件(jian)保(bao)護(hu)電(dian)路(lu)將(jiang)被(bei)觸(chu)發(fa)
，自(zi)動(dong)關(guan)斷(duan)輸(shu)出(chu)
，提(ti)高(gao)了(le)整(zheng)個(ge)微(wei)波(bo)治(zhi)療(liao)儀(yi)的(de)安(an)全(quan)性(xing)。在(zai)軟(ruan)件(jian)設(she)計(ji)上(shang)采(cai)用(yong)了(le)嵌(qian)入(ru)式(shi)操(cao)作(zuo)係(xi)統(tong)，使(shi)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)的(de)穩(wen)定(ding)性(xing)和(he)抗(kang)幹(gan)擾(rao)性(xing)有(you)了(le)較(jiao)大(da)的(de)提(ti)高(gao)。為(wei)了(le)提(ti)高(gao)控(kong)製(zhi)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)和(he)快(kuai)速(su)響(xiang)應(ying)的(de)性(xing)能(neng)
，使(shi)用(yong)了(le)PID閉環控製，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麵的影響
，其輸出具有非線性、滯後、時變等特點
，所以將傳感器的輸入進行分段擬合
，並且在各段設置了不同的校正係數，使輸出更加平穩。

 

4.1 控製係統硬件設計

 

硬件主要分為以下幾個部分。電源為控製係統提供電源
；鍵盤和 LCD 顯示電路完成人機對話功能
；磁控管的控製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
；硬件保護電路對控製係統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控；輸出驅動則由繼電器和可控矽同時完成
；通訊電路完成控製器和上位機的信息交換；蜂鳴器驅動電路結合發光二極管共同對預熱結束、治療結束和故障進行報警工作。

 

硬件組成框圖如圖 2 所示：

 

 

4.1.1 電源和人機交互電路

 

weilefangzhiganraocongdianyuancuanru，dianyuanyoukaiguandianyuanhelvbodianluzucheng，kangganraoxingnengjiaohao。weilefangbiancaozuo，shezhilezhiliaoliliaozhuanhuanjian


，gongzuozantingjian，gonglvtiaojiejian
，shijiantiaojiejianhefuweijian；顯示采用液晶屏幕加LED 指示燈
，用來顯示當前功率、時間和治療狀態等信息。

 

4.1.2 磁控管的控製和驅動電路

 

磁控管是微波的發射源，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(zuo)右(you)的(de)直(zhi)流(liu)高(gao)壓(ya)
，陰(yin)極(ji)所(suo)發(fa)射(she)的(de)電(dian)子(zi)在(zai)強(qiang)磁(ci)場(chang)作(zuo)用(yong)下(xia)飛(fei)向(xiang)陽(yang)極(ji)，陽(yang)極(ji)上(shang)有(you)多(duo)個(ge)小(xiao)的(de)諧(xie)振(zhen)腔(qiang)，當(dang)電(dian)子(zi)打(da)到(dao)陽(yang)極(ji)之(zhi)前(qian)在(zai)這(zhe)些(xie)諧(xie)振(zhen)腔(qiang)內(nei)發(fa)生(sheng)振(zhen)蕩(dang)，諧(xie)振(zhen)頻(pin)率(lv)約(yue)為(wei)2450MHz。在(zai)治(zhi)療(liao)開(kai)始(shi)之(zhi)後(hou)
，閉(bi)合(he)繼(ji)電(dian)器(qi)
，可(ke)控(kong)矽(gui)在(zai)過(guo)零(ling)點(dian)之(zhi)後(hou)觸(chu)發(fa)，控(kong)製(zhi)微(wei)波(bo)的(de)強(qiang)度(du)。同(tong)時(shi)功(gong)率(lv)傳(chuan)感(gan)器(qi)開(kai)始(shi)工(gong)作(zuo)
，監(jian)測(ce)微(wei)波(bo)強(qiang)度(du)。當(dang)可(ke)控(kong)矽(gui)擊(ji)穿(chuan)或(huo)者(zhe)出(chu)現(xian)其(qi)它(ta)故(gu)障(zhang)
，係(xi)統(tong)不(bu)能(neng)控(kong)製(zhi)磁(ci)控(kong)管(guan)的(de)輸(shu)出(chu)時(shi)，功(gong)率(lv)傳(chuan)感(gan)器(qi)采(cai)集(ji)到(dao)的(de)值(zhi)大(da)於(yu)安(an)全(quan)功(gong)率(lv)的(de)上(shang)限(xian)，當(dang)斷(duan)開(kai)可(ke)控(kong)矽(gui)無(wu)效(xiao)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，硬(ying)件(jian)保(bao)護(hu)電(dian)路(lu)動(dong)作(zuo)，關(guan)閉(bi)繼(ji)電(dian)器(qi)，斷(duan)開(kai)高(gao)壓(ya)電(dian)源(yuan)，同(tong)時(shi)報(bao)警(jing)，提(ti)醒(xing)操(cao)作(zuo)人(ren)員(yuan)儀(yi)器(qi)出(chu)現(xian)故(gu)障(zhang)。

 

4.1.3 報警和通訊電路

 

報bao警jing電dian路lu主zhu要yao由you發fa光guang二er極ji管guan和he蜂feng鳴ming器qi組zu成cheng。當dang治zhi療liao結jie束shu或huo者zhe是shi出chu現xian故gu障zhang時shi，報bao警jing電dian路lu動dong作zuo，將jiang目mu前qian狀zhuang態tai以yi聲sheng光guang方fang式shi通tong知zhi操cao作zuo人ren員yuan。通tong訊xun電dian路lu主zhu要yao負fu責ze本ben儀yi器qi與yu上shang位wei機ji之zhi間jian的de數shu據ju通tong訊xun，在zai治zhi療liao完wan畢bi之zhi後hou，將jiang此ci次ci治zhi療liao的de相xiang關guan信xin息xi上shang傳chuan至zhi上shang位wei機ji。

 

4.2 控製係統軟件設計

 

本係統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，以便複診和對治療效果的統計分析。微控製器部分采用MicroC/OS-II 嵌入式操作係統，使整個控製係統穩定性和抗幹擾性能大大增強，同時加快了設計速度並且代碼易於維護。

 

在治療狀態下，首先閉合繼電器，然後檢測電壓的過零點，在過零點之後延時觸發可控矽，延時時間由輸出驅動電路和功率傳感器組成PID 閉環係統控製。由於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係數進行分段校正
、擬合後，再用於PID調節。提高了控製係統的可靠性和快速響應能力，並且使輸出更加平穩。

 

程序流程圖如圖 3 所示。

 

 

5 結語

 

本文作者創新點：gaiweibogonglvdekongzhifanganconggenbenshangjiejueleweiboshuchugonglvdeshitiaowenti。yingjianshangzengjiadebaohudianlushiyiqideanquanxingnengyoulehendadetigao，kongzhicelvecaiyonglefenduannihejiaPID控製融合的方法，既有線性化好的特點
，又有PID 控製精度高、穩定性好的優點，克服了微波功率控製中非線性，滯後，時變等帶來的困難。