（测试计量技术及仪器专业论文）嵌入式中频加温监控系统的研究与应用.pdf

摘要 摘要 肿瘤局部热疗是继手术、放射治疗和化学药物治疗之后发展较快的肿瘤治疗新方 法。它包含微波、射频、超声等多种治疗方法，其中一些己应用于临床，作为辅助 治疗手段。但都存在温度及其边界难以准确控制等缺陷，交变磁场肿瘤热疗技术有 望克服这些问题，它将磁介导材料植入肿瘤内，在中频交变磁场作用下，在肿瘤内 部升温，从而杀死肿瘤细胞。该方法在国内外都开展了一定的研究，但限予实验设 备设计和温度测量等难点，目前仍然没有临床应用。因此，设计肿瘤热疗试验设备， 监控组织内部温度交化，就显得十分重要和迫切。 本文以嵌入式微控制器l p c 2 1 1 4 的加温监控系统为核心，开展了相关研究。构建 嵌入式中频加温监控系统，采集和控制磁场场强和温度信号。以嵌入式微控制器 l p c 2 1 1 4 为平台，对产生的交变磁场场强以及磁场中发热介质的温度进行检测，系统 通过输出功率调节信号改变交变磁场场强，从而改变温度大小，实现对温度的控制。 在肿瘤热疗实验装置的研制中，为获得要求的中频交变磁场，以现有的工业用中频 电源为基础，通过计算，设计出本系统的中频感应电源以及所需的磁：苍、线圈：利 用电磁感应法测量磁场原理，经过一系列实验，确定了磁场检测线圈大小等相关参 数，并设计出磁场检测电路；通过列金属磁介质在交变磁场中的产热机理及磁流体 介质在磁场中的热效应的研究，同时开展了相关实验。得到两种磁介质在组织中的 温度分布，接着对肿瘤热疗中温度检测原理、方法进行研究，采用不受磁场干扰的 有损测温，对肿瘤热疗中组织进行多点测温，并设计了相应的温度检测电路。由于 用于肿瘤热疗中的有损测温还有很大的局限性，因此，本文又进一步研究无损测温 中超声波测温的原理和方法。 系统采用上下位机两级监控方式，嵌入式中频加温系统通过r s 一2 3 2 串口同p c 机相连，p c 机可对采集的参数进行统一管理及显示，并对下位机系统发布控制命令， 实现系统的远程监控。系统同时具有强大的数据库功能，可对任一时问所做实验的 相关数据进行分类保存和查询。实时监控系统以嵌入式微控制器为核心，运算速度 快，可靠性高，有很强的抗干扰性：软件上以嵌入式实时操作系统uc 0 s i i 为开发 甲台，内核精简、设计灵活和实时性好，提高系统的稳定性和可靠性。 广东工业大学工学硕士学位论文 关键词：肿瘤热疗；交变磁场；磁介质；嵌入式系统；磁场检测；温度检测 a b s t r a c t h y p e r t l l e m i ao f 嘶r i san e wm e 山o df o ro n ( d 山啪p y w i l i c hi sd e v e l o p i i l gf a s t p r e s e n t l ya f t e ro p e r a 吐o n 强dr a d i a t i o nt h e r a p ya 葺l dc h e m i s 时n l e d i c a t i o n t h em e t h o d s i i l c l u d i n gm i c m w g v e 趾d m d i o 触dl l l 由m o n i ca n ds oo n ，s o m eo ft l l e mh a v ea p p l i e dt 0 c l i l l i c ，a r e 私b o o s tt 量l 嗽p y b u ta l lo ft h c mh a v es o m ed e f e c t ，s u c h 嬲t e m p e r a t i l r ea n d “s b o l l i l d a r y a r eh a r dt oc o n 们le x a c t l yt h ct e c l l l l o l o g yo fa cm a g n e t i cf i e l d h y p e n l l e n i l i ai se ) p e c t e d t ob eo v e r c o m et h ed e f e c t s i ti st h a ti m p l 孤t n l a g n c t i c m a t e r i a l 访t u m o r c e l l s ，a n dt h et e m p 盱a t u r ei n s i d et h et l l m o rw i l li r l c r e a 、 d t hm e d i u mf 诧q u e n c y a l t e m a t i n gc u e n tm a g l l e t i cf i e l d s i n l i sw a y 劬o rc e l l s 稍l lb eh l l e d t h em c l o d h a sb e e nr e s e a r c h e da th o m ea n da b r o a d b u tr e c e n t l y 也e h y p e “h e 埘【l i a1 1 8 s n ta p p l i e dt o c l i l l i cy e t ，b e c a i l s ei ti sd i m c l l l tt om e a s u r i r 培也et 咖p e m t l l r e 证i s s l l e sa n dd e s i g l l i i 培m e c o r r c l a t i v el a b o r a t o r ye q l l i p m e n t t h e r e f o r ei ts e e m sv e r yi i n p o m m t 粕di n s i s t e n tf o r d e s i g n i n gat e s td e v i c eo fh 珊o rh y p e n l l 枷a t om 砌t o r i n g 趾dc o n 廿o lt l l e c h a i l g ei n t e m p e r a t u r ei n s i d et l l ei s s u e i n “sp a p e r ，i td o e sr e s e a r c ho nw h i c hb a s m go ne m b e d d e di i l i c mc o n 廿o l l e r l p c 2 1 1 4f o rt e m p e m t u r em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l s y s t e m i ti sb u i l ta ne m b e d d e d m e d i 啪f k q u e n c yt e m p e r 蛐m o n i t o r i n g a n dc o n 廿o ls y s t e m ，t oc o l k c t i n ga r l dc o m m l m e s i g n a lo f t h em a g n e t i cf i e l ds t r e n g t ha i l dt e m p e r a n l r e t 圮s y s t e mc a nn o to n l yd e t e c t t h ef i e l d s t r e n g t l l o fa cm a g n c t i cf i e l d s 锄dm et e m p e 删眦eo fh e a t i n gm e d i u mi n m a g n e t i cf i e l d s ，b l l t a l s oc o n 乜o lm e t e m p e r a t u r eb yv a i y i n gt h ef | c l ds t r e n g t ho fa c m a g n c t i c 丘e l d s i no r d e rt og e n i n gr e q l l i r e dm em e d i u i i l 舶q u e n c ya cm a g n c t i cf i e l d ， w h i c hb a s eo ni i l d l l s t r i “m e d i u m f 砘q u e n c yp o w e r ，d e s i g n 虹l em e d i mf r e q u e n c y i n d u c t i o np o w e ra n dt n a g n e t i cc o f e 如dc o i lb yc a l c u l a t i o n b yu s i n gt h cp r i n c i p l ef o r m e a s i l r i n gr n a g i l e t i cf i e l db ye l e c 帕m a g n e t i ci n d u c t i o n ，f l xt l l em a g n e t i cp a r a m e t e r ss u c h a st 1 1 es i z eo f t e s t i n gc o i la i l dd e s i g nt h et e s t i n gc j r c u i tf o rm a g n c t i cf i e l d b ys t u d y i n g t h em e c h a l l i s mo fm e t a lm a g n e t i cm e d i ap m d u c e sh e a ti na cm a g n e t i c 蛀e l d sa n dt h e h e a t i n ge a b c tw h i c h o c c i l r si nm a g 田e t i cf l u i dm e d i u i ni nm a g i l c t i cn e l d s ，w h i c hi sr u na n i i i 东工业大学工学硕士学位论文 e x p e r i m e n t ，m et e m p e r a m r ed i s t r i b u t i o no ft w om 列酣e t i cm e d i u mi ni s s u ea r cg o t t e n t h e nw ec a nm e a s u r et 1 忙i s s u e si n m 山t i p o i mb yu s i i l g d e s m l c t i v e t e m p e r a t u r e m e 镐l l r e m e n t 、v h i c hi si m p e r v i o u st o 也ee f f b c to fam a g n e t i cf i e l da i l dd e s i g nt l l et e s t i n g c i r c 血f o r t e m p e r a t l l r e b e c a u m ed e s t n l c t i v et c l n p e r a t l l r em e a s u r c m e n ts t i l lh a ss o m e l i m i 诅t i o l l s ，也em e o r y 觚di n e t l l o do fu l 位i s m i ct e m p 盯a t i l r em e a s u r e m e n t ，o n eo fn l e n o n d e s 呲t i v e t e m l 婶ra _ 哑m e a s u r 弓他n t ，i sg e ta 龇r s t u d y t h es y s t e mc a l lm o i l i t o r 锄dc o n 仃d 1f b n t e n dm a c l l i n e 姐dp ci ne m b e d d e dm e d i u m 骶q u e n c yt e m p 蹦咖i r em o i t 耐n g 锄d c o r 山ls y s t e mb ya n a c h j n gt ot 1 1 ep cw i ms e r i a l p o n r s - 2 3 2 p cc a l lc e 曲m i z e d m a l l a g e a i l dd i s p l a ym e p 嬲珊e t e r sb ya c q u i s i t i o mi s s u e t 1 1 e c o n 仃o l l i n g c o m m 舭dt o 蠹o n t e n dm a c 蚰t h e r e f o r ei tr e a l i z e s l o n g d i s t a l l c e m o n i t o r i n g 孤dc o n t m l _ t h es y s t e ma l s o h a sp o w e 删f h n c t i o n s0 fd a 切b a s e ，i tc a n c l a s s i 母a 1 1 dc o n s e r v ea n di n q u i r ea _ b o u tt l l ed a t ao fe x p e r i n l e n ti na 1 1 y 廿m e r e a l t i m e m o n i t o r i n gs y s t e l l l ，b a s 协go ne m b e d d e dr n i c r o c o 蛐r 0 1 l c r ，h a sa f a s tc o m p u t i n g s p e c d a 1 1 da h i g hr e l i a b i l i t ya n das 姗培蜘t i _ j 眦m i n g a n d 也es o f t w a r ci sd e v e l o p i n gp l a t f b 衄o n e r n b c d d c do p e r a t i o ns y s t c muc o s - i i ，d l i c hi sk e m e ls i m p l 姆a n dd e s i g nf l e x i b l ea n d g o o dr e a l t i m e ，s ot l l a ti m p r o v es t a b i l i t ya i l dr e l i a b i l i t yo fs y s t c m k e y w o r d s ：h y p 吲瞳l e r 】【i l i ao ft u l l r ；a cm a g n e t i cf i e l d s ；m a g n e t i cm e d i a ；e m b e d d e d s y s t e m ；m a g n e t i cf i e l dd e t e c t i o n ；t e m p 麟咖啪d e t e c t i o n 第一章绪论 l ，1 肿瘤治疗的概况与发展 目前恶性肿瘤的治疗尚属世界性难题。传统的治疗方法，如手术、放射治疗 和化学药物治疗仍是当今国际医学界治疗癌症的三大支柱，对减轻患者的痛苦、 缓解临场症状、有效延长生命起到了不可低估的作用。尽管传统治疗方法取得了 长足的发展，但治疗效果长期徘徊不前，治疗费用高昂，以及治疗过程给患者带 来的损伤，仍然是阻碍肿瘤治疗学迅速发展的瓶颈问题，除以上三大手段外，发 展较快的治疗方法有肿瘤局部加热治疗。不论从热生物学，还是热疗设备方面都 取得了很大进步，给肿瘤治疗学发展带来新的希望，也是肿瘤治疗学取得重大突 破的出路之一。 1 1 1 肿瘤治疗的生物学机理及技术现状 现代热生物学已经充分阐明肿瘤对熟高度敏感，4 2 5 以上的温度可以有效 杀伤肿瘤细胞。热作为物理因子可直接损伤细胞及周围血管，而肿瘤组织具有微 血管发育刁i 良和其呈缺氧、低营养、低p h 的特点，因此瘤细胞对热的耐受性低， 对熟更具有敏感性，比正常细胞更易被杀伤。并且，癌组织内部的血供不好，散 热能力差，易于升温。而它周围的正常组织受热后，血流加快，迅速降温不易 造成损伤。加热治疗的这些特点近年来己在大量的基础研究和临床实践中得到证 实“2 。 局部加热治疗是目前热疗研究的主要方向，按照治疗时温升分类，局部热疗 可分为三种： 1 温热疗法( h y p e r t h e r m i a ) ，加温到4 2 4 6 ，细胞损伤可逆，一般作为 辅助疗法，单独应用效果有限。 2 高温疗法( m e r m a l l h e r a p y ) ，又称热消融，在4 6 7 0 之间，对肿瘤 和正常绮胞都有较大杀伤，使组织坏死和凝固，并蒯激机体免疫系统，增强 至三些奎兰三兰堡圭耋篁堡兰 机体对肿瘤的免疫力。 3 热切除疗法( t h e r m o a b l a t i o n ) ，加热温度 7 0 ，可直接破坏组织，使肿瘤 组织广泛凝固或炭化，坏死肿瘤组织释放的物质进入血中，可能引起休克综 合症。 以上可以看出，对于不同的温度范围，肿瘤治疗会有不同的效果。因此，对 于温度的控制是非常关键的。 目前肿瘤局部热疗有射频、微波、超声、红外线和激光等方法，主要应用有 以下三种： 1 射频加温( 3 1 0 0 渊z ) 如图1 1 ( a ) 所示，通常有高温疗法( 温度在4 6 7 0 之间) 和热切除( 温度在7 0 以上) ，射频电极轴向区域内的所有 组织都受热。采用射频电场产生装置进行加温是当今最便捷的有效的肿瘤热 疗法”。1 。目前，能对较大体积和位景较深的肿瘤进行加热的射频加温装置 中，以8 m h z r f 加温装置在临床上最为通用。然而，由于射频磁场对身体 细胞组织的加温不具有选择性，当对脂肪层的加热达到一定程度时，会导致 患者疼痛和脂肪硬结，从而使得患者不能忍受疼痛而放弃治疗。另一方面射 频加温方法不能针对肿瘤区的某一点进行加温，使得肿瘤组织周围的正常组 织的温度也较高，这就影响了与肿瘤区温度差的提高，使得治疗效果不佳。 ( a ) 射频加温 ( a ) r a d i o t h e r a p yh y p e n h e r m i a ( b ) 微波加温 ( b ) m i c r o w a v eh y p e r m e r m i a 图l l 射频和微波局部加热治疗肿瘤示意图 f i g l 一1r a d i o t h e r a p ya n d m i c r o w a v el o c a lh y p e n h e r n l i af o rt u m o r st r e a t m e n t 2 图1 1 ( b ) 为微波加热( 频率 1 0 0 m h z ) 示意图，电极附近区域内的所有 组织都受热不能加热较深的肿瘤，加热区内的温度也不均匀，治疗部位常 第一章绪论 有烫伤等副作用，对用热电偶等有损测温有干扰，操作的医务人员也需防 护。 3 超声方法( 0 5 2 m h z ) 一般采用超声聚焦进行热切除，由于超声不能穿 过含气空腔，且存在骨反射、骨吸收等问题，还与射频热切除一样存在并 发症的问题【6 1 。 上述疗法不需任何介质诱导，近年来有很多改进，对肿瘤治疗有一定疗效， 但也有一些很明显的缺点主要难以突破体外加热的框架，无法做到严格控温， 更无法达到肿瘤内部热分布均匀和与正常组织较大温差的要求，无法彻底解决加 热治疗特异性和均匀性等关键问题”一- ”，因而肿瘤热疗目前只是辅助的治疗手段 还不能独立和广泛的作为临床应用。 1 1 2 肿瘤热疗新方法的提出及意义 理想的加热治疗应当做到： 1 加热肿瘤组织到有效治疗温度范围并维持特定时间，使肿瘤细胞受到毁 灭性打击。 2 要避免靶区外正常组织的过热损伤，扩大正常组织与肿瘤组织的温差。 3 尽量减少治疗中患者的各种创伤和威胁患者生命的并发症。 为此，国内外加温治疗专家都在寻求打破传统体外加温治疗的思路，另辟新 路，提出将金属介质( 磁流体、铁磁热籽等) 植入肿瘤组织内，采用中频交变磁 图卜2 交变磁场局部加热治疗肿瘤示意图 f i g l 一2l o c a l h y p e r n l e r m i af o rt u m o r t r e a t m e n tw i t ha c m a g n e t i cf i e l d 场( 中频i n t e r m e d i a t ef r c q u e n c y ，频率1 0 k h z 一1 0 0 k h z ) 对金属介质加温，使 其在肿瘤组织内部加热n ，一m 。国外主要是德国在开展工作，取得一定的效果m 一，。 国内这方面研究发展较快，取得较好成绩。 交变磁场中金属介质产生感应电流等效应而发热，发热温度与交变磁场参数 及金属物体大小、形状和结构等密切相关，根据材料参数的不同，主要产生涡流、 磁滞和磁矢量发热。应用热介质在中频交变磁场中升温的特性，使其区域温度控 制在4 5 7 0 ，如图1 2 所示，植入肿瘤组织内的金属介质，在交变磁场下产生 感应效应，有选择性对特定组织控温加热，使肿瘤与周围正常组织有较大温差， 大幅提高局部加热治疗效果，减轻治疗过程的并发症。由于中频磁场不对非金属 组织产生热效应，有效地保护正常组织，从而可以避免许多传统加温治疗的缺陷， 有望大大提高肿瘤治疗的效果。 1 2 肿瘤热疗试验装置简介 1 2 1 国内外研究现状概述 目前的研究主要是集中在治疗方法和效果方面，一般交变磁场的试验装簧采 用工业感应加热电源改装，只有德国有可用于临床试验装置的报道，还未见临床 的应用装置，对应用装置实用化研究也较少。在感应加热材料和加热装置等研究 中，其中以德国柏林洪堡医学院的j o r d a n 研究组忡1 的研究处于世界前列，已经做 出磁流体加热材料和用于人体的大型加热试验装置，并进行实验：我国的吴亚等 m j 也制作了用于肿瘤细胞热疗实验的小型试验装置，比传统改装的高频感应电源 进了一步。 肿瘤热疗中的测控温的方法是研究的重点之一】，其中对温度场的检测也是 一个难点；另外磁场检测也是其中的一个重要任务，目前已有的检测方法主要针 对静态磁场，在交变磁场中，集中在工业用的强磁场的低频段和通信用的弱磁场 的高频段【2 2 】。 铁磁热介质植入肿瘤组织，在中频交变磁场中加热治疗，具有使用简单、控 制方便、效果明显、不良副作用小等优点。中频交变磁场虽已成熟用于工业生产， 但仍未用于临床肿瘤热疗，还有许多影响铁磁热介质加热治疗进一步应用的因素， 4 第一章绪论 其中最主要的是加热设备和感应金属介质材料【2 3 】，对于加热设备存在以下需解决 的关键问题： 1 用于医疗临床治疗设备要求安全和控制方面较完备的综合试验，必须先研 究和制作具有实h 寸检测、精确控制和操作方便交变磁场感应加热治疗的试验 装置。 2 对设备的交变磁场和发热组织的温度场实时检测，应用可控的中频交变磁 场，对附有金属介质的生物组织发热进行有效控制。 交变磁场中金属粒子诱导肿瘤热疗新方法的提出，最终目标是将这种新的疗 法用于临床应用，而要达到这个目标，还需要大量的科学实验以及作为中频交变 磁场植入金属介质加温治疗的定量分析依据。因此，本课题将研究加温过程中磁 场、温度场实时检测与控制等关键问题，建立嵌入式加温监控系统，以期完成简 单的实验，为新方法的研究提供科学数据，争取能够早日应用于临床。 1 2 2 系统主控电路工作原理 近几年来嵌入式计算机技术的发展相当迅速，性能高运算快的嵌入式微处理 器，以及成熟稳定的嵌入式操作系统，为本课题的研究提供了条件：利用计算机 强大的软件技术可以仿真模拟磁场加热过程，建立实验图像数据库，为研究分析 提供条件以便构成优化的实验参数，提高系统的精确性、可靠性。 键盘与显示 嵌 入 式 处 理 器 上位计算机 r s 2 3 2 串口 温度传感器及检测电路 = = = = = = = = = = ：= = = = = = ：= = = 磁传感器及检测电路 液晶显示 图卜3 主控系统原理框图 f i 9 1 3 m a i nc o n t m ls y s t e m 嵌入式中频加温监控系统主要用于测量多点温度、温度上升速率、磁感应强 一一一一一一 度、电压电流，以及计算加热温度总量等多种参数，并且能控制相关操作功能于 身的测控系统。系统主要由磁场发生装置，信号转换、采集电路，主控制电路 等几部分组成。采用上下位机系统，由上位计算机进行统一的管理，具有整个系 统的操作控制界面，可改变操作参数，实时显示温度等参数，并对控制系统发布 指令。下位机负责多点数据采集和温度控制、报警等。图1 3 为系统主控制部分 的原理框图。系统还具有故障自动检测，报警等功能，并可根据实际加温状况， 智能调节加温温度，控制电源开断。 1 2 3 监控系统的总体设计与特点 管理与显示计算机( 上位机) 采用c + + 语言编程，采用模块化的结构，便于 程序调整和根据需要添加各种功能。在屏幕上可输入温度、磁场、时闻等控制参 数，实时显示温度、磁场、时间等实验数据，并对试验个体数据进行分类保存和 管理，对加热量和热分布的统计计算，主要显示加热温度、磁场强度曲线和数据， 并附有试验对象、次数和时间及频率、电流、加温时间等。 为检测加温治疗的效果，还可以根据试验对象的情况和当前加温的试验条件 记录等，将每次加温试验的各种效果参数( 经化验检测后) ，输入计算机中，由计 算机进行统计分析，得到较佳的加温方案，包括加温次数、加温时间和温度选择 等，以建立完善的治疗计划系统。 下位机是系统检测和控制的关键，要求实对性好、控制精度高、有较强的抗 干扰能力。其系统软件采用嵌入式软件设计方法，与传统控制软件不同，其最大 特点就是引入了嵌入式实时操作系统，使得整个系统更加稳定和精确的完成各项 任务。一个嵌入式操作系统，能够进行实时多任务管理，采用分时多任务方式， 在一段时间内，通过操作系统的调度机制，决定c p u 的使用权交给哪个任务。因 此，带有操作系统的程序设计任务可以实现更多更复杂的功能，而且更具有实时 性。 建立在强大的嵌入式操作系统之上的应用程序，在操作系统各个库函数支持 下，则更加智能化、模块化，使程序变得更稳定，可靠，易于维护和修改。 6 第一章绪论 1 3 本课题的研究内容 针对国内外肿瘤治疗技术及设备的现状，以及金属介质在中频磁场下热效应 治疗肿瘤新方法发展需要，本课题主要研究基于该方法机理的实验设备。课题的 主要内容有以下几方面： 1 中频交变磁场的检测。 设计中频交变磁场发生装霞，实现在中频范围内能够完成磁场强度的检测。 改变磁场强度大小，通过观察金属粒子的加热效果，来研究与介质体积匹配的最 佳场强强度。 2 温度产生的机理及温度、磁场等参数之间的关系。 研究交变磁场的均匀性、可聚集性及磁场强度与介质介电性能的关系，确定 达到治疗温度的各种最佳参数以及磁场下介质温度检测的最优方法。 3 嵌入式加温监控系统的软硬件实现。 建立加温监控系统的硬件平台，移植嵌入式操作系统；根据相关算法编写应 用软件，实现系统各个功能：仿真中频交变磁场诱导加热过程，分析和计算不同 的磁场参数，找出合适的磁场频率、强度和介质大小以及分析它们的最优组合， 建立实验的数据库，为进一步研究分析提供条件。 4 新型实验设备研制中的工艺与嵌入式技术的开发。 本课题的技术关键有三：中频交变磁场的检测、温度实时检测的最佳方法以 及嵌入式自动检测控制系统的设计。 本课题结合了微机控制技术，嵌入式技术，多线程编程理论等，对各数据参数 进行采集和控制，取得了一定的效果。 广东工业大学工学硕士学位论文 第二章中频交变磁场发生机理及检测 2 1 交变磁场发生装置研究现状 金属磁介质在交变磁场作用下，受涡流等效应的影响，致使温度上升，从而 到达治疗肿瘤的目的。因此，研究和设计交变磁场发生装置是接个肿瘤热疗的基 础。 为了达到一个好的肿瘤治疗效果，磁场发生装置的设计主要有以下几个难点： 1 产生适合人体加热频率为l o l o o k h z 的中频交变磁场，并且频率、磁场 强度都是可调节的，以便得到更好的加热效果。 2 为了得到较为均匀的温度场分布，要求在两磁级缝隙中产生的磁场也是均 匀变化的。 3 磁场发生装置中磁芯的设计，不但要满足能够做人体实验所要求的体积大 小，同时还要尽量减小体积大而带来的损耗问题。 目前，国内外许多科研单位在研制中频交变磁场发生装置，以期突破以上难 点。国外，德国在2 0 0 3 年研发出可供医学实验的交变磁场的磁场发生装置，工作 频率为1 0 0 k h z 左右，磁场强度在o 1 5 k m 可控，放置病人的空间在2 1 4 5 c m 可调；国内，东南大学2 0 0 4 年研发出工作频段范围为2 0 1 5 0 k h z ，有效磁场空 间的磁场强度为5 l o k a ，m ，装嚣间隙为3 0 m m ，只能做一些病理组织加温实验 的小型磁场发生装置。 本文通过对中频磁场发生机理的研究，以感应加热电源为基础，设计出频率 为1 0 k h z 1 0 0 k h z ，磁场强度为4 k m 3 0 k a m 的中频交变磁场发生装置：同 时，改进了磁芯的设计，降低了功耗，两磁极之间缝隙为3 0 c m ，更适合做大型动 物和人体的加温实验。 2 2 中频交变磁场发生装置工作原理 本文中中频交变磁场发生装置由中频电源、振荡器及磁芯、线圈构成。将5 0 h z 第二章中频交变磁场发生机理及检测 工频交流电，经过整流、滤波后，通过逆变电路，振荡器，形成中频( 1 0 k h z 一 1 0 0 k h z ) 交变电流，经过绕在高磁导率磁芯上的线圈，即可在所需位置聚集同一 频率的交变磁场。 2 2 1 电源的设计 产生中频交变磁场的电源部分主要由可控整流器、串连逆变器和必要的保护 电路组成。图2 1 为中频电源原理框图。三相电源3 8 0 v ，5 0 h z 经过空气开关、 r 线圈 图2 1 中频电源系统框图 f i 9 2 1s y s t e m o f i n t e m e d i a t e 舶q u e n c yp o w c r 接触器、快速熔断器接到由晶闸管模块组成的三相可控整流器，经过斩波调压送 到功率m o s f e t 逆变器中，由它产生1 0 k h z 1 0 0 k h z 的中频电流，经过变压器 送到由高频电容器和绕在磁芯上的线圈组成的串连谐振电路中，在磁芯的周围以 及磁芯上下磁极间隙中便会产生同一频率的交变磁场。下面将部分控制电路设计 简要说明一下： 1 串连谐振逆变器 串连谐振逆变器也称电压型逆变器，其原理结构如图2 2 所示。串连谐振逆变 器的输出电压为近似的方波。由于电路工作在谐振频率附近，使振荡电路对于 基波具有最小阻抗，所以负载电流近似正弦波。 2 锁相环和相角锁定 在电源工作过程中，串连逆变器总是工作在感性状态下，即工作频率略高于负 9 广东工业大学工学硕士学位论文 载的谐振频率。由于工作温度和负载电参数的变化，将使逆变器偏离最佳工作 点，因而，不仅引起逆变器关断损耗增大，而且，当逆变器工作点高于负载谐 振点较远时，还会使负载阻抗增大使逆变器的功率容量不能充分利用。因此， 需要设置锁相环控制电路，以实现频率的自动跟踪。 3 逆变控制电路设计 图2 3 显示逆变控制的原理框图。由逆变器输出反馈电压，根据电压电流的相 位关系，电流信号经相位检测电路，对应于输出一定占空比的高低电平信号， 图2 2 串连逆变器结构 f i 9 2 - 2s t r u c t u r eo f p o l y p h o n c i n v e n e r 滤波后得到直流电平，以反映输出电压电流的基波相移。根据设定的丰耳角锁定 值，调节器输出控制电平，调节压控振荡器的输出频率，以达到频率自动跟踪 的目的。 图2 3 逆变控制原理框图 f i 9 2 - 3p r i n c i p l eo f i n v e r tc o n t r o l 4 电源变压器的设计 电源变压器的功能是功率传送、电压变换和绝缘隔离，作为一种主要的软磁电 第二章中频交变磁场发生机理及检测 磁元件，在电源技术中和电力电子技术中得到广泛的应用。以设计原则为出发点， 可以对电源变压器提出3 项设计要求：使用条件，完成功能，提高效率。使用条 件包括两方面内容：可靠性和电磁兼容性。可靠性是指在具体的使用条件下，电 源变压器能正常工作到使用寿命为止；电磁兼容性是指高频电源变压器既不产生 对外界的电磁干扰，又能承受外界的电磁干扰。完成功能有3 个：功率传送，电 压交换和绝缘隔离。提高效率则是要降低变压器的铁损( 磁芯损耗) 和铜损( 绕 组损耗) 。 2 2 2 磁芯部分的设计 适合做人体实验的磁场发生装置要求磁芯体积足够大，在频率较高的环境下， 磁芯损耗是必须解决的问题。因此，使用正确的磁芯材料，以及精确的磁芯尺寸 ! 图2 4 磁芯外形示意图 f i 9 2 4f i g u r eo fm a g n e t i c c o r ef b m 设计至关重要。 为减小损耗，磁j 卷材料选用高频低功耗锰锌铁氧体，又称为功率铁氧体。功 率铁氧体的特征是在高频率高磁感应强度的条件下，仍旧保持很低的功耗而且 功耗随磁：占的温升而下降，在8 0 左右达到最低点，从而形成良性的循环。根据 广东工业大学工学硕士学位论文 实际运用及加工工艺状况，磁芯外形设计如图2 4 所示。 上下磁体之间的缝隙为3 0 c m ，不但可以做肿瘤细胞病理的实验，而且还可以 做大型动物以及人体的加温实验。线圈绕在右侧磁体立柱上，顺着导磁体在垂直 x 、y 轴的缝隙处产生均匀交变的磁场。 图2 5 磁体各部分尺寸图 f i 9 2 - 5m e 船u r c m e n t o fe a c hp a no f m a g n e t 根据实际要求，频率在1 0 k h z l o o k h z 之间，场强在4 k a ，m 一3 0 k a m 之间 ， 、一 om呻曲，i 涸度( ) 图2 6 两种情况下的功率损耗曲线图 f i 9 2 6p o w e r l o s sg r a p hi nt w oc o n d i t i o n s 可调，结合磁体设计软件，最终磁芯各部分设计尺寸如图2 - 5 所示。 外 抽 搐 )瓦 功率损耗千( 第二章中频交变磁场发生机理及检测 设计好的磁芯分别在频率为2 5 k h z 和1 6 k h z 的条件下测试，如图2 6 所示， 其功率损耗随频率升高而增大，8 0 以前随温度升高而降低，随后损耗上升缓慢， 基本稳定在一个数值，达到了实验要求。 2 3 交变磁场的检测 交变磁场场强的大小直接影响处于磁场中热介质温度的大小，因此，实时获 得磁场强度在肿瘤组织的分布状况，对控制肿瘤组织加热分析起到积极作用。 目前，测量磁场常用的方法有：电磁感应法、霍尔效应法、磁阻效应法、核 磁共振法、磁通门法、磁光法。其中，电磁感应法和霍尔效应法较为简单，而且 应用广泛。本节将重点介绍这两种测量方法。 2 3 1 震尔效应法测量磁场 霍尔效应测量方法使用灵敏度高、体积小、适应频率和温度范围宽的霍尔器 件作为传感器，置于所测磁场中，它既可测量恒定磁场，又可测量交变磁场。 1 测量原理 霍尔效应意义是指当施加的外磁场垂直于半导体中流过的电流时，会在半导 d z f x y 图2 7 霍尔效应原理图 f i 9 2 - 7p r i n c i p l eo f h a l le f r e c t 体垂直于磁场和电流的方向上产生霍尔电动势。如图2 7 所示。沿x 轴方向通过 电流i ，并在z 轴方向施加磁感应强度为b o 的磁场，那么载流子将在y 轴方向受到 洛沦兹力作用，在半导体的y 轴的两端产生霍尔电动势e h 。根据霍尔效应制造的 广东工业大学工学硕士学位论文 霍尔器件是具有一定形状的半导体薄片其霍尔电动势为： 西岫竽，( 绚 ( 2 1 ) 式中：d 为霍尔器件的厚度；，( 形) 为与霍尔片长和宽有关的常数；r h 为与材料有 关的霍尔系数；l 为通过霍尔片的电流；b o 为外磁场的磁感应强度。 对一个霍尔器件而言，e h 取决于外磁场b o 和额定电流1 ，在i 一定时，由e h 大小 就可测出外磁场b o 大小。 2 误差分析 用霍尔探头测量时，产生的感应电动势理论上也应该是正弦信号，但实际上 由于涡流、磁滞现象的影响，其波形却类似一个尖峰脉冲信号，并且存在奇次谐 波，以三次谐波为主。随着频率的升高，波峰明显变尖，影响测量。还有霍尔探 头的材料，尺寸及对交变磁场的敏感度( 转换特性) 上也存在误差。 因此，采用霍尔效应方法测量频率较高的交交磁场时，存在的误差比较大。 图2 - 8 感应法原理图 f i 9 2 - 8m e a s l l r ep r i n c i p l eo f i n d u c t i o n 2 3 2 电磁感应法测量磁场 电磁感应法是指将测量线圈置入交变磁场中，根据法拉第电磁感应定律在线 圈的引线间会产生感应电动势，并且感应电动势的大小与穿过线圈的磁通量的大 小成正比。 1 测量原理 把一个匝数为n ，截面积为s 的测量线圈放在被测磁场h 中，线圈轴线与磁 1 4 量三茎耋墼奎耋璧丝耋生垫苎墨竺型 场夹角为0 ，如图2 8 所示。 当线圈相对磁场移动时，线圈中的磁场。发生变化，线圈的引线间产生的感 应电动势e 为： 牡警铂掣 ( 2 ：， 西”西 式中儿。为真空中磁导率，将上式对时间t 积分得到： 中= 【p 出 ( 2 3 ) o 为磁通量的改变量，与被测磁场有关，只要测出感应电动势e 对时间的 积分，便求出磁场h 。 若m = o ，关掉磁场或将线圈抛到磁场为零处则： 中= o s h( 2 4 ) 肚去p 。蠢赫 ( z 5 ) 式( 2 5 ) 中，f 表示磁场频率，e 。表示感应电动势的幅值。只要测出该感应 电动势，就可测出磁场h ，这时测量的是测量线圈体积内的平均磁场，下面通过 精心设计测量线圈尺寸，则所测得磁场即为线圈中心点的磁场。 2 测量线圈尺寸的确定【2 4 】 现在考虑一个长度为2 l ，半径为r 的薄层圆柱线圈，磁场h z 是在其轴向上 的磁场，在线圈中心沿x 、y 、z 轴展成马克劳林级数，其中h z ( 0 ) 是中心点的磁场： 耻蜥x 掣一y 掣+ z 掣+ 圭z 2 掣+饿叫应2m 圭y 2 掣+ 圭= 2 掣+ ” 亿s ， 2 。加22出。 ”。 总磁通量为： 口= l n d z l hz d s = 耻一l h z d v 2 ” 其中s 为圆柱线圈的横截面积，v 为它所包围的体积( v = 2 l s ) 幂的项对线圈的积分为零，如果假设： ( 2 7 ) 显然，上式奇次 广东工业大学工学硕士学位论文 i x 。幽= l 旷幽= l z 2 d v ( 2 8 ) 对于无旋场有v 疗= o ，又因为v 曰：0 ，则： j l = 日：( o 卜( 2 9 ) 庐= 。朋w ：( o )( 2 1 0 ) 由上式可以看出，在此假设条件下测得磁场即为线圈中心点的磁场。依据上面假 设条件，以h 轴为z 轴作柱坐标变换： x=rs i i l p ( 2 1 1 ) 卉= 衙以比 ( 2 1 2 ) 即得线圈尺寸： 妄= ( 三) 咒一s 亿 3 测量磁场电路构成 图2 - 9 信号放大电路 f i 9 2 9s i g n a la m p l i f i e rc i r c u “ 测量磁场的电路包括测量线圈、信号调节电路、a d 转换电路( 主控制器) 及l c d 显示电路构成。其中： ( 1 ) 测量线圈：选取符合l 、r 比值的线圈，线圈尺寸要在被测磁场范围 之内。本文用铜材料做成真径为1 5 姗，匝数为1 0 匝的感应线圈。 6 第二章中频交变磁场发生机理及检测 ( 2 ) 信号放大、调节电路：将线圈传出的模拟交变电压信号送至由l m 3 5 8 组成的放大电路中，如图2 9 所示，再经过整流、滤波转为直流模拟 电压信号，该信号再由调节电路调节至a d 转换的输入范围( 0 3 3 v ) 。同时，根据我们所测信号的强弱不同，通过主控制单元对其参 量进行控制，实现对不同场强的测量。 ( 3 ) a d 转换：主控制器l p c 2 1 1 4 中集成了4 路1 0 位a d 转换，调节好 的信号接入d 转换相应管脚，经过转换，由程序完成数据读取和传 送显示。 4 结论 由于用霍尔效应法测景交变磁场，在磁场频率较高的情况下，会有较大误差， 并且没有合适的霍尔传感器。因此，本系统将采用电磁感应法测最交变磁场。 电磁感应法测量磁场应用广泛，不仅适合测量均匀的、非均匀磁场，而日可 测恒定的、交变的磁场。磁场的性质、大小决定着线圈的尺寸、材料和形状，测 量的精度取决于线圈，因此线圈的设计显得尤为重要。 考虑磁场对整个检测电路的影响，一方面使检测电路尽量远离干扰源，另一 方面，采取检测电路屏蔽、接地等抗干扰措施。 2 4 交变磁场中的磁介质 本课题研究提出将磁介质材料通过相关手段植入肿瘤内，在交变磁场的作用 下，使磁介质发热，从而使肿瘤细胞发热，达到杀死肿瘤细胞的目的。因此，磁 介质材料的选择，以及植入组织的方法，将是本课题研究的一个方面。 2 4 1 磁介质材料的分类及植入方法 用于热疗的磁介质材料主要有：1 磁流体( m a g n e t i cn u i d ，m f ) ，m f 的磁核多 采用粒径由数纳米到几百纳米不等的氧化铁( f e 2 0 3 ，f e 3 0 4 等) 磁液或磁粉，常用聚 合物或吸附剂包裹；2 磁性脂质体( m a g n c t o l i p o s o m e s ，m l ) ，磷脂对磁粒有很强的 吸附作用，脂