CN109171955A - 一种磁共振兼容的微波消融仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种磁共振兼容的微波消融仪，其特征在于：包括导热无磁材料制成的屏蔽机箱，设置在屏蔽机箱内的电源模块、微波发生模块和主控模块，电源模块与微波发生模块和主控模块电连接，为微波发生模块和主控模块供电；主控模块与微波发生模块电连接，用于控制微波发生模块的功率；其中微波发生模块采用晶体管式微波固态源；屏蔽机箱外部紧贴固设有由导热无磁材料制成的散热器。与现有技术相比，本发明的优点在于：微波发生模块采用晶体管式微波固态源，非磁控管方式，输出频率稳定，功率恒定，磁兼容及电磁兼容都优于磁控管方式，并通过屏蔽机箱散热，整个微波消融仪采用无磁器件制成，防止对磁共振的场均匀性产生影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁共振兼容的微波消融仪。
背景技术
癌症是全世界首要的死因之一。据世卫组织估计，2005年至2015年期间将有8400万人死于癌症。中国每年新增癌症病例430万，癌症死亡人数280万，两项指标均居世界第一。
除了少数肿瘤可通过手术切除外，大部分肿瘤治疗的方式主要包括化疗，放射治疗，经导管动脉栓塞、激光、射频、微波消融术、高强度超声聚焦消融、冷冻疗法、基因治疗法等。
进入21世纪以来，医用微波技术发展迅速，特别是微波消融肿瘤已迅速发展成为临床肿瘤治疗中的一种主要手段。
微波消融系统是将微波消融针介入人体肿瘤组织，持续辐射微波能，使得组织内的极性分子在微波场的作用下高速运动，相互摩擦产生热量，使得组织内的细胞蛋白质变性凝固，导致不可逆的坏死，达到肿瘤消融的目的。与同为热消融的射频消融相比，微波消融凝固并坏死相同体积组织所需的时间能缩短50％，并且能达到更安全，更大范围的肿瘤灭活。
磁共振成像系统是应用磁共振现象的医学影像设备，由于其多参数成像，任意方位成像，无电离辐射，组织对比度高，分辨率好，无骨伪影等优点，逐渐成为医学影像诊断中重要的诊断依据。并且因为上述众多优势，磁共振成像被越来越广泛的用于微创介入治疗、超声聚焦无创治疗、伽马刀、加速器等精准放疗。磁共振成像好比为医生提供了另一双“眼睛”，在这双眼睛的辅助下，实现更优化的手术规划，更精准的定位，更微小的创口和更快速的恢复。
然而常规微波消融系统和磁共振成像系统无法兼容，主要由以下几方面原因：
1、常规微波消融系统，一般采用磁控管作为微波源。磁控管可以看成一个置于恒定磁场中的二极管，管内电子在相互垂直的恒定磁场和恒定电场的控制下，把从恒定电场中获得能量转变成微波能量，从而达到产生微波能的目的。核磁共振系统工作时，需要稳定的静磁场，变化的电磁场，这种复杂得电磁场环境会导致常规微波系统无法正常工作
2、常规微波消融系统，内部含有各种电源，从系统小型化和轻量化考虑，往往采用开关电源的方式。各种开关管快速切换在导通和截止的工作状态，会产生各种频率以及谐波频率的脉冲电磁场，如果不加处理，会对磁共振影像产生干扰。
3、常规微波消融系统，往往采用蠕动泵带动水循环来冷却微波针管，降低温度，从而防止表皮和浅表组织的烫伤。然而蠕动泵内部的电机运行往往会产生变化得电磁场，容易产生电磁干扰，从而影响磁共振图像得诊断。
4、常规微波消融系统，微波源功率放大管效率较低，一般只有30～40％效率，大量的功率转换成了发热。为了达到散热目的，一般采用带齿铝型材散热块，贴在功率模块上传热，并通过风扇带走热量。风扇的电机就会产生电磁干扰，如不妥善处理，会影响磁共振影像质量。
5、常规微波消融系统，对材质没有要求，往往带有铁磁性材料的原件在系统中，比如说铁磁性的机箱，铁芯电感，铁磁性螺丝等等。这在核磁共振高磁场强度下工作，很可能导致核磁共振磁场均匀性受到破坏，严重情况下，被吸引到磁体上，从而造成医疗事故。
6、常规微波消融系统，从微波仪输出到微波针，通过同轴电缆进行能量传输。为了避免5所述问题，往往需要离开较远得距离，一般是需要在核磁共振5高斯线以外。较长的传输电缆会带来较多得能量损耗，越长损耗越大，另外，传输电缆也会产生电磁干扰，从而影响磁共振系统的成像。
7、常规微波消融系统，无温度控制反馈，或者只能测量微波针针杆位置得温度，而无法得到微波针针尖温度，更不用说肿瘤组织中的温度场分布。
为了克服微波仪与磁共振的之间的电磁干扰问题，比较容易想到的方法是磁共振和微波消融分时工作。微波消融时，不采集图像。磁共振采集图像时，微波消融系统不工作，甚至是需要切断电源才能完全消除电磁干扰的问题。这种分时工作的方式，不仅大大降低了系统的工作效率，并且使得磁共振成像能实时监测组织消融情况的潜在功能无用武之地。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种磁共振兼容的微波消融仪，使得磁共振和微波消融系统能够实现电磁兼容，并且功能无缝融合。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种磁共振兼容的微波消融仪，其特征在于：包括导热无磁材料制成的屏蔽机箱，设置在屏蔽机箱内的电源模块、微波发生模块和主控模块，电源模块与微波发生模块和主控模块电连接，为微波发生模块和主控模块供电；主控模块与微波发生模块电连接，用于控制微波发生模块的功率；其中微波发生模块采用晶体管式微波固态源；屏蔽机箱外部紧贴固设有由导热无磁材料制成的散热器。
所述散热器设置在屏蔽机箱一侧，屏蔽机箱另一侧紧贴固设有由导热无磁材料制成的水箱。
所述屏蔽机箱内设有由导热无磁材料制成的分隔板，从而将屏蔽机箱分成独立的三个容纳腔，电源模块、微波发生模块和主控模块分别设置在不同的容纳腔内。
所述电源模块、微波发生模块和主控模块外分别设置有由导热无磁材料制成的第一屏蔽罩、第二屏蔽罩和第三屏蔽罩，第一屏蔽罩、第二屏蔽罩和第三屏蔽罩与屏蔽机箱内壁贴合。
所述屏蔽机箱内设有能与第一屏蔽罩、第二屏蔽罩和第三屏蔽罩贴合、同时还与屏蔽机箱内壁贴合的由导热无磁材料制成的水箱。
所述屏蔽机箱上设有安全接地端口、电源输入端口和微波功率输出端口，安全接地端口、电源输入端口与电源模块电连接；微波功率输出端口与微波发生模块的输出端连接。
电源模块具有电源输入端和电源输出端，屏蔽机箱上的电源输入端口连接EMI滤波器后与电源模块的电源输入端电连接；电源模块的电源输出端具有两组输出，两组输出均连接穿心电容后分别给微波模块和主控模块进行供电。
所述屏蔽机箱内还设有与主控模块电连接的光发射机，屏蔽机箱上设有波导管接口，光发射机的光纤穿过波导管接口，与配套的光接收机连接，光接收机将光信号转换成电信号，传输给上位机。
微波功率输出端口连接有外接隔离器，外接隔离器与微波消融针连接。
所述微波发生模块包括晶体管式微波固态源、放大器、输出匹配网络电路、定向耦合器、保护电路、功率控制通讯模块和电源管理模块；其中保护电路包括输出保护和微波模块温度保护；功率控制通讯模块与主控模块通讯，并在主控模块的控制下，按要求功率输出微波，功率控制模块还能将保护电路获取的实时前反向功率，晶体管式微波固态源的工作温度传输给主控模块，主控模块再将这些信息通过光发射机和光纤传输给外接上位机，外接上位机实时显示晶体管式微波固态源的功率和工作温度。
与现有技术相比，本发明的优点在于：微波发生模块采用晶体管式微波固态源，非磁控管方式，输出频率稳定，功率恒定，磁兼容及电磁兼容都优于磁控管方式，并通过屏蔽机箱散热，整个微波消融仪采用无磁器件制成，防止对磁共振的场均匀性产生影响。
附图说明
图1为本发明实施例中磁共振兼容的微波消融仪正面立体结构示意图。
图2为本发明实施例中磁共振兼容的微波消融仪背面立体结构示意图。
图3为本发明实施例中磁共振兼容的微波消融仪分解图。
图4为本发明实施例中磁共振兼容的微波消融仪的功能模块框图。
图5为本发明实施例中微波发生模块的框图。
图6为本发明实施例中主控模块框图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1～3所示的磁共振兼容的微波消融仪，包括导热无磁材料制成的屏蔽机箱1，设置在屏蔽机箱内的电源模块2、微波发生模块3和主控模块4，电源模块2与微波发生模块3和主控模块4电连接，为微波发生模块3和主控模块4供电；主控模块4与微波发生模块3电连接，用于控制微波发生模块的功率；其中微波发生模块3采用晶体管式微波固态源；屏蔽机箱1外部紧贴固设有由导热无磁材料制成的散热器5。
所述散热器5设置在屏蔽机箱一侧，屏蔽机箱另一侧紧贴固设有由导热无磁材料制成的水箱6。所述屏蔽机箱内设有由导热无磁材料制成的分隔板，从而将屏蔽机箱分成独立的三个容纳腔，电源模块、微波发生模块和主控模块分别设置在不同的容纳腔内。
所述屏蔽机箱上外设有安全接地端口11、电源输入端口12和微波功率输出端口13，安全接地端口11、电源输入端口12与电源模块2电连接；微波功率输出端口13与微波发生模块3的输出端连接。电源模块2具有电源输入端和电源输出端，屏蔽机箱上的电源输入端口11连接EMI滤波器后与电源模块的电源输入端电连接；电源模块的电源输出端具有两组输出，两组输出均连接穿心电容7后分别给微波模块3和主控模块4进行供电。所述屏蔽机箱1内还设有与主控模块4电连接的光发射机8，屏蔽机箱上设有波导管接口14，光发射机8的光纤穿过波导管接口14，与配套的光接收机9连接，光接收机9将光信号转换成电信号，传输给上位机10。微波功率输出端口连接有隔离器15，隔离器与微波消融针16连接，参见图4所示。
所述微波发生模块包括晶体管式微波固态源、放大器、输出匹配网络电路、定向耦合器、保护电路、功率控制通讯模块和电源管理模块；参见图5所示；微波发生模块采用晶体管式微波固态源，非磁控管方式，输出频率稳定，功率恒定，磁兼容及电磁兼容都优于磁控管方式；放大器模块，根据实际放大管的情况，可以分为前级放大，中间放大，第三级放大和末端放大或者前级放大，中间放大，末端放大。保护电路包括输出保护，和微波模块温度保护。当微波天线出现故障时，发射机输出的射频功率不能得到有效传输，会产生很大的发射功率，严重影响微波模块的安全。在放大级和稳压模块级都设置有温度传感器，当机内温度超过设定温度时，由保护电路模块切断放大器电源。功率控制通讯模块与主控模块通讯，并在主控模块的控制下，按要求功率输出微波，功率控制模块还能将保护电路获取的实时前反向功率，晶体管式微波固态源的工作温度传输给主控模块，主控模块再将这些信息通过光发射极和光纤传输给上位机，上位机实时显示晶体管式微波固态源的功率和工作温度。
散热设计对于功放至关重要，散热不好会导致设备无法工作，甚至损毁设备，因此屏蔽机箱和分隔板采用散热良好的纯铜或黄铜或纯铝或铝合金等材质，为了满足散热要求，电路功率部分需要紧密贴合分隔板或屏蔽机箱内侧壁。当然，整个电路部分，也可以整体设置在一个独立的屏蔽罩内，屏蔽罩与屏蔽机箱内侧壁贴合。
理论上说，常见液体和固体中，水的比热容最大，是铝的4.7倍，是铜的10.9倍。也就是说单位质量的水，温度上升1℃，需要吸收更多的热量。因而水是理想的热量吸收负载。铜、铝材质虽然储热能力不强，但是却具有很好的导热能力，铜的导热系数是液态水的639倍，铝的导热系数是液态水的390倍。本设计充分利用水的热量吸收能力和铜铝等材质的优良导热能力，优化微波仪的热量传输和平衡设计。磁共振兼容的微波消融仪采用3层结构设计，中间层作为微波消融仪主机的屏蔽机箱，下层是大功率散热器，上层是水箱。大功率散热器可以采用纯铜、黄铜、纯铝、铝合金等导热良好并且无磁性的材质，密齿设计可以增加表面积，增加与空气的热量交换。水箱采用纯铜、黄铜、纯铝、铝合金等导热良好并且无磁性的材质，经过防水腐蚀表面处理。当然，也可以将水箱与微波主机合并，放置于一个箱体内。
主控模块包括微处理器、功率控制通讯模块、上位机通信模块和电源管理模块，微处理器是主控模块的核心，可以采用FPGA、ARM、DSP、各型号MCU。主要完成上位机通讯与微波控制模块通讯和控制的功能。功率控制通讯模块，主要完成微波模块功率控制功能。另外微波模块通过测温探头，将微波模块的工作实时温度传输给主控模块，进行实时监测；上位机通讯模块主要完成与上位机的通讯功能，本方案中采用USB或者RS-232转换成光纤通讯的方式，与上位机进行通讯。彻底解决通讯传输线上引进的系统干扰
本发明中，微波发生器采用晶体管器件，非磁控管方式，输出频率稳定，功率恒定，磁兼容及电磁兼容都优于磁控管方式；采用射频屏蔽、穿心电容、EMI滤波器和波导传输等电磁兼容器件和技术，可以与各种型号得MRI设备配套适用，相互不影响；为了满足电磁兼容的要求，对微波功率放大器件不使用风扇散热，采用水箱散热，并通过微波仪整机铝制外壳散热；整个微波仪全部采用无磁器件加工，防止对磁共振的场均匀性产生影响。采用光纤传输控制方式，远程控制。光纤传输，可以彻底防止传输上引进电磁干扰，并且传输距离远，抗干扰能力强。微波仪整机采用无磁材料制备，可以放置于尽量接近患者的位置，微波功率输出损耗降至最低。可用上位机界面，实时控制，实时显示，控制更灵活，控制精度更高。上位机可以将微波仪控制同MRI扫描控制计算机无缝对接，嵌入到磁共振扫描控制界面种。方便使用人员使用同一台计算机对微波消融仪和MRI设备进行控制。微波消融系统与磁共振完全兼容，可以在微波消融的同时进行磁共振成像，便于观察和评估消融的效果。通过在微波传输线缆上设置传输隔离器，隔绝微波功率传输线上带来的电磁干扰。根据微波仪前反向功率监视功能，实时监测前反向功率的变化，用远程计算机可以精准控制微波得功率、消融时间，输出能量，可以对消融过程肿瘤组织温度，以及温度场分布做一个预估评价，必要时可以给使用医生消融范围得一些预警提示。
Claims (10)
1.一种磁共振兼容的微波消融仪，其特征在于：包括导热无磁材料制成的屏蔽机箱，设置在屏蔽机箱内的电源模块、微波发生模块和主控模块，电源模块与微波发生模块和主控模块电连接，为微波发生模块和主控模块供电；主控模块与微波发生模块电连接，用于控制微波发生模块的功率；其中微波发生模块采用晶体管式微波固态源；屏蔽机箱外部紧贴固设有由导热无磁材料制成的散热器。
2.根据权利要求1所述的磁共振兼容的微波消融仪，其特征在于：所述散热器设置在屏蔽机箱一侧，屏蔽机箱另一侧紧贴固设有由导热无磁材料制成的水箱。
3.根据权利要求1所述的磁共振兼容的微波消融仪，其特征在于：所述屏蔽机箱内设有由导热无磁材料制成的分隔板，从而将屏蔽机箱分成独立的三个容纳腔，电源模块、微波发生模块和主控模块分别设置在不同的容纳腔内。
4.根据权利要求1所述的磁共振兼容的微波消融仪，其特征在于：所述电源模块、微波发生模块和主控模块外分别设置有由导热无磁材料制成的第一屏蔽罩、第二屏蔽罩和第三屏蔽罩，第一屏蔽罩、第二屏蔽罩和第三屏蔽罩与屏蔽机箱内壁贴合。
5.根据权利要求4所述的磁共振兼容的微波消融仪，其特征在于：所述屏蔽机箱内设有能与第一屏蔽罩、第二屏蔽罩和第三屏蔽罩贴合、同时还与屏蔽机箱内壁贴合的由导热无磁材料制成的水箱。
6.根据权利要求1所述的磁共振兼容的微波消融仪，其特征在于：所述屏蔽机箱上设有安全接地端口、电源输入端口和微波功率输出端口，安全接地端口、电源输入端口与电源模块电连接；微波功率输出端口与微波发生模块的输出端连接。
7.根据权利要求6所述的磁共振兼容的微波消融仪，其特征在于：电源模块具有电源输入端和电源输出端，屏蔽机箱上的电源输入端口连接EMI滤波器后与电源模块的电源输入端电连接；电源模块的电源输出端具有两组输出，两组输出均连接穿心电容后分别给微波模块和主控模块进行供电。
8.根据权利要求6所述的磁共振兼容的微波消融仪，其特征在于：所述屏蔽机箱内还设有与主控模块电连接的光发射机，屏蔽机箱上设有波导管接口，光发射机的光纤穿过波导管接口，与配套的光接收机连接，光接收机将光信号转换成电信号，传输给上位机。
9.根据权利要求8所述的磁共振兼容的微波消融仪，其特征在于：微波功率输出端口连接有外接隔离器，外接隔离器与微波消融针连接。
10.根据权利要求9中任意一项权利要求所述的磁共振兼容的微波消融仪，其特征在于：所述微波发生模块包括晶体管式微波固态源、放大器、输出匹配网络电路、定向耦合器、保护电路、功率控制通讯模块和电源管理模块；其中保护电路包括输出保护和微波模块温度保护；功率控制通讯模块与主控模块通讯，并在主控模块的控制下，按要求功率输出微波，功率控制模块还能将保护电路获取的实时前反向功率，晶体管式微波固态源的工作温度传输给主控模块，主控模块再将这些信息通过光发射极和光纤传输给上位机，上位机实时显示晶体管式微波固态源的功率和工作温度。
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