微波肿瘤治疗仪中关于输出功率稳定的设计

微波肿瘤治疗仪中关于输出功率稳定的设计 微波肿瘤治疗仪中关于输出功率稳定的设 计 科技信息0科教前沿0SC皿NCE&TECIOL0GYINFORMATION2011年第5 期 微波肿瘤治疗仪中关于输出功率稳定的设计 杨立生 (正德职业技术学院电子系江苏南京211106) 【摘要】全面了微波肿瘤治疗仪输出功率不稳定的原因.提出了一种全新的 设计,使微波肿瘤治疗仪的输出功率稳定,可调.并通过 实验进行检验.促进微波肿瘤治疗仪在手术中的安全性,可控性 【关键词】微波肿瘤治疗仪;磁控管;开关电源 TheDegsinofStability— Output-PowerAbouttheMicrowaveTreatmentApparatusofTumor 【Abstract】 1'}learticleanalyzedthereasonofMicrowaveTreatmentApparatusofTumorSinstabilityou tputpower.andproposedabran—new design,itmadetheMicrowaveTreatmentApparatusofTumorsoutputpowermorestabile.an dalSOadjustable.Theexperimentspmvedthese amelioration.TheApparatusacceleratedthesecurityandcontrollableintheSurgery. 【Keywords]MicrowaveTreatmentApparatusofumor;Magnetron;Switchingpowersupp ly 微波治疗恶性肿瘤主要是采用微波热凝固治疗肿瘤.原理是应用 54?或60?以上高温直接造成肿瘤细胞的凝固性坏死?.具体就是通 过大功率的微波辐射器植入并直接辐射肿瘤,使其中心温度达到60? 以上造成肿瘤细胞的碳化和凝固坏死.对于不同形状,不同部位的肿 瘤需要采用不同的功率进行微波辐射,形成不同凝固范围.输出功率 大就会增加凝固范围,杀害正常组织,输出功率小就会残留肿瘤细胞. 增加复发的危险,因此需要微波肿瘤治疗仪的输出稳定,可控. 1微波肿瘤治疗仪概述 微波肿瘤消融治疗仪主要由五部分组成:微波源,开关电源,控 制电路,键盘/显示器和手术刀(辐射器),以及一些相应的辅助部分. 微波肿瘤消融治疗仪的总体结构原理图如图l所示,从图中可以清 楚的看出治疗仪的整个工作过程.市网220V交流电压提供给开关电 源,开关电源产生1800V直流高压和5V交流电压,提供微波源(磁控 管)所需的阳极工作电压和阴极工作电压,微波源在控制电路的控制 下产生2.45GHz,功率0,150W可调得的微波,提供给手术刀(辐射器 或天线). 图1微波肿瘤消融治疗仪总体结构原理图 2影响微波治疗仪输出功率的稳定性的因素 从图1微波肿瘤治疗仪的总体结构图中可以看出,微波肿瘤治疗 仪输出功率受很多因素的影响,如微波源的输出稳定性,为微波肿瘤 治疗仪提供电能的电网的稳定性,为微波源提供电能的稳定性等.其 中最重要的集中在两个方面: 2.1微波源对输出功率的影响 微波源是产生电磁能量的微波器件,连续波磁控管是目前微波治 疗仪广泛采用的微波源器件.通过实验知道.普通的磁控管输出功率 随着工作时间的增加输出功率在不断衰减,一般认为是由于工作时磁 控管的温度升高,磁控管的磁性减弱,输出功率衰减. 2.2市网电压变化对微波肿瘤治疗仪输出功率的影响 微波源(磁控管)正常工作需直流高压和交流电压,一般的微波治 疗仪采用传统的整流电路提供直流高压,那么电网的波动导致微波肿 瘤治疗仪输出功率的波动. 3微波肿瘤治疗仪输出功率稳定设计 综上所述,设计输出功率稳定的微波肿瘤治疗仪需要从微波源和 稳定直流高压电源着手. 3.1微波源的选择 选用的磁控管型号为CK一140B型连续波磁控管,输出波长12cm 的固定频率连续波磁控管,在微波治疗仪和分析仪上作为微波功率 源,是军用级别的磁控管.阳极需要一1800V直流高压,阴极灯丝需要 5V交流电压,在功率达到IOOW或阳极电流达到100mA以上时.灯丝 电压需要降低到3V.这种磁控管在长时间工作和温度升高时输出功 率不会改变,这是其它治疗仪选用磁控管的最大不同.因此只要磁控 管阳极输入功率保持不变,就能保证输出功率的稳定性. 3.2开关电源的设计 开关电源为磁控管的驱动电源,提供阳极电压和阴极交流电压, 是一种专为医用微波磁控管设计(阳极电压?1800V)的开关电源,采 用高压和灯丝电压分开,高压部分和灯丝电压部分集成在电源板 上.采用PFC技术.在电网电压的波动的情况下保持供给磁控管阳极 的电压稳定,从而保证磁控管输出微波功率的稳定.额定输入电压为 200,240Vac,最大输入电压范围180,264Vac,输入功率控制通过外 部PWM信号给定,在最大功率范围内进行调节,本电源具有多重保 护功能,特别适应于高性能医用微波系统磁控管驱动,产生可以调节 输出功率的微波. 综上,在保证磁控管输出功率稳定的情况下,通过设计的开关电 源保证了提供给磁控管的工作电压的稳定,设计出输出功率稳定的微 波肿瘤治疗仪,为医生临床手术提供稳定,安全,可控的微波源. 4输出功率的稳定性能实验 4.1长时间工作情况下输出功率的稳定性试验 采用亚美微波功率计,在0,7O分钟内,分别测量设定值为30W, 40W,50W,60W,70W,80W不同时刻的输出功率,间隔1O分钟.测量 的结果如表i所示.第一列为输出功率设定值,其它列为不同时间下 的输出功率测量值. 表1不同时刻3OW,40W,50W,60W,70W,80W输出功率值 0minl0min20rain30min40min50min60min70min 3OW29.528-328.629.228.528.728.629.4 40W41.640.741.241.340.6241.24141.6 50W50.650.650_350.249.549.749.750.5 60W58.75858_358.55857_85858.4 70W69.769-369-369.368.768.56969.4 80W79.779.579.579.4797979.179.5 从表1可以看出.在70min内,各设定值下输出功率变化量小于 1.5W,考虑测量误差,可以认为70min内输出功率不变.因此可以认为 微波肿瘤治疗仪在长时间工作状态下,输出功率稳定. 4.2不同输人电压输出功率的稳定性实验 采用接触式调压器改变微波肿瘤治疗仪的交流输入电压.用亚美 YM2462型功率计测量微波治疗仪的输出功率.测量结果见表2.表中 第一行为肿瘤机设定功率值,第一列为输入不同交流电压值.其它为 实际测量输出功率值(单位W).(下转第65页) 科技信息.科教前沿oSCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION2011年第5期 从图2所示的滤波结果可以看出离散卡尔曼滤波器对于稳定流 而且能过快速收敛.为了检验离散 量的时差测量结果滤波效果显着. 卡尔曼滤波器对工作状态变化情况下流量时差信号的滤波效果,对液 压系统在三个工作状态间切换过程中测得的流量时差信号进行滤波. 结果如图3所示.从图中可以看出该滤波器对时差信号的突变响应缓 慢,需要对其进行改进. 采样序剐 图3突变时差信号滤波结果 3改进的离散卡尔曼滤波 在自适应卡尔曼滤波中将目标动态的变化看作是随机干扰[81,通 过噪声方差的自适应推算出变化后的系统噪声协方差阵.此处我们也 仿照自适应滤波,将时差信号的突变看作系统的随机干扰.但由于时 差信号在突变完成后噪声方差又迅速回到干扰噪声的状态,所以需要 滤波器在消噪和突变响应间能够快速的切换.基于这些特点,我们在 前所采用的离散卡尔曼滤波器的基础上采用了切换噪声协方差阵的 方法.首先建立切换函数: k 卅):?e(i)/3(18) 式中,e(k):z()-Z(k) 由于干扰噪声幅值在一定范围内变化.所以将噪声方差作为阈值 判断,通过试验数据计算噪声方差为8.改进后的卡尔曼滤波按 如下准则来切换系统噪声协方差阵: fQifJ(k)?A8 IQ,ifj(k)?A, 式中,Q为滤波噪声协方差阵,Q为信号突变响应协方差阵.A为 加权因子,其作用是防止噪声的个别峰值较大而造成切换函数误判, A值取为1.5. 在滤波过程中,切换函数小于判断阈值,噪声协方差阵取Q,滤 波器对时差信号进行消噪.当切换函数超过判断阈值,说明信号发生 突变,噪声协方差阵取Q,,滤波器对突变时差信号进行跟踪.运用改 (上接第59页) 进后的滤波器对在三个工作状态间变化的流量时差数据进行滤波.结 果如图4所示. 最样胖列 图4改进卡尔曼滤波器处理结果 从实验结果中可以看出改进后的滤波器在不影响消噪能力的情 况下.增强了对信号突变的瞬态响应能力,具有良好的精度和实时性. 4结束语 本文采用切换函数和改变系统状态噪声协方差阵的方法,对突变 的流量时差信号进行卡尔曼滤波,在保留传统卡尔曼滤波稳态性能的 情况下,极大的改善了卡尔曼滤波的瞬态响应能力. 【参考文献】 l1JNarendraKSBalakrisham.Improvingtransientresponseofadaptivecontrol systemusingmultiplemodelandswitching【JJ.IEEETransonAutomaticControl (so018—9281994,39(9):1861-1866. 12JNarendraKS.XiangC.Adaptivecontrolofdiscrete—timesystemsusing multiplemodels叨.IEEETransonAutomaticControl(S0018—9286),2000,45(9): 1669—1686. [3]李晓理,胡广大.基于多模型方法的自适应卡尔曼滤波【J].系统仿真, 2008,200):590—592. [4]RamanKMehra.On—lineidentmcati0noflineardynamicsystemwith applicationtokalmanfiltering.叨.IEEETransonAutomaticControl(soo18— 9286),1971,16(1):12—20. [5]徐本连,王执铨.一种基于切换模型的快速机动目标跟踪算法研究【C】.控制 与决策.2006,21f9):1028—1032. 【6]AhmedABahnasawi.Aswitchingmodelsgainrotationalgorithmfortrackinga maneuveringtarget『J].SimulationPracticeandTheory,1999,7(1):71—89. 17JBlom,H.A.P,Bar-Shalom,Y.Theinteractingmultiplemodelalgorithmfor systemswithmarkovianswitchingcoefficients【C].IEEETrans.onAutomatic Control,1988,33(8):780-783. 朱征桃.最优估计及其应用[N].科学出版社,1984:175—176. [8]贾沛璋, [责任编辑:曹明明] 表2不同输入电压和测量输出功率关系 30w40w5Ow60w7Ow8ow90w10Ow110wl2Ow13Ow140w15ow 25Ov31.340.350.161.469-381_390.41O1.3ll0.412l3l32.6140.415O.1 242v31.540.650_361.269.681.590.31O1.2l1O.2121.6l32140.515O.2 220v31.440.550.261.569.181.490.51Ol_6l1O.6121.1132.6140.415O.1 l98v31.440.850.561.261.281.290-3101.2l10_3l21-3132.6139.8l50.2 188v31.640.650.361.669.48I_l90.2l01.41lO5120.8132.7140.5l5O.5 由表2可以看出,在输出功率设定值不变的情况下,交流输入电 压变化,实际测量输出功率值变化范围很小,最大变化功率不超过 1W.这些测试结果充分说明本课题设计的微波肿瘤治疗仪的输出功 率稳定性好. 5结束语 本课题研究的输出功率稳定的微波肿瘤 治疗仪目前正在国家医疗器械检测中心进行 检测.并且性能良好,为肿瘤患者提供一种新 的治疗手段.为医生提供一种安全,可靠的医 疗设备. 【参考文献】 [1]梁萍,董宝玮.超声引导微波凝固治疗肝癌.北京 人民军医出版社.2003. [2]杨立生.80C51F005微控制器在新型微波消融治 疗仪上的应用.科技信息,2009,29. [3]时振栋,等.电磁波的应用.北京:高等教育出版社,1990 作者简介:杨立生,男,讲师,正德职业技术学院. [责任编辑:张慧]