肿瘤热疗中微波治疗仪温度检测-临床医学
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肿瘤热疗中微波治疗仪温度检测


 摘要  介绍了微波治疗仪中的温度监测技术,给出了改进型热电偶传感器的结构,并对它的抗电磁波干扰性进行了分析,试验结果表明该改进措施是有效的、可行的。
 
  关键词  微波  温度传感器  电磁干扰
 
Temperature monitoring for microwave therapy apparatus  FENG Chensheng,PAN Yingjun,ZHOU Daqiu,WU Fang(College of Optoelectronic Engineering,Chongqing University Chongqing 400044 China)
 
  Abstract  This paper introduces temperature monitoring for microwave therapy apparatus and the structure of a improved thermocouple sensor.analysis and experiment on anti-electromagnetic interference indicate that this method is effective and feasible.
 
  Key words  Microwave;Temperature sensor;EM interference
 
  肿瘤热疗近些年来获得迅速的发展,在临床上已经显示出很好的效果,是一种有前途的治疗方法。微波治疗仪就是利用微波辐射对肿瘤组织的热效应杀死肿瘤细胞,在治疗中正常组织的温度一般不超过44℃,而治疗肿瘤的理想温度是43℃。温度是杀死肿瘤细胞的关键因素,在42℃左右1℃之差可引起细胞存活率的成倍变化。37℃~46℃范围内临床的测温精度应该在±0.2℃之内[1]。所以在微波热疗中温度的监测和控制起着非常重要的作用,测温要求有较高的精度、短的响应时间、良好的稳定性和可靠性。
 
1  微波场测温技术
 
  热疗中的测温技术分为无损测温和有损测温两种。无损测温近年来有较大的发展,也提出了多种测温的方法,如:微波无损测温[2]、MRI(磁共振成像)[3]、超声波测温[4]等。无损测温不会产生由于测温引起病人的痛苦、伤口感染和身体移动引起的测量误差等不利因素。国内很多热疗仪采用有损测温技术,将特制的微型温度探针刺入组织内部进行温度的测量。通常用于测温的传感器有热电偶、高阻导线热敏电阻、光纤温度传感器等。因为测温环境是在微波的近场,金属物质在强电磁场下会产生较大的感应电流,因此会在测温电路上形成干扰电压从而引起测量误差,所以要实现准确的测温,必须采取相应的措施排除电磁干扰。光纤温度传感器不受微波的干扰,而且具有体积小、耐腐蚀等特点,国外已经进行了研究[5],但因光电系统价格较高目前难以推广。由高阻导线热敏电阻组成的测温系统受电磁场的干扰小,高阻导线是由非金属高电阻率材料制成(如碳纤维),不是金属材料,测温探头是半导体热敏电阻,所以其具有抗微波干扰的特点,但是热敏电阻互换性差,一旦损坏不容易购买。
 
  相比以上两种测温传感器,热电偶具有互换性好、性能稳定、结构简单、准确可靠、价格低廉、技术成熟的优点。但是热电偶的探头和传输线都是导体,在微波场中会受到微波的干扰,测量温度时要产生误差,必须采取相应的措施减少或者消除干扰的影响,所以一般进行停机测量温度,周期性的输出微波和关闭微波源,在关闭微波源瞬间采集温度信号,同时要把握好停机时间和测温时间[6],可以大大减轻强微波场的干扰。但是在热疗过程中,希望能够不停机测温,为此我们设计了一种改进型热电偶温度传感器。
 
2  用改进型热电偶进行微波场测温实验
 
  我们对一种热电偶加装两层屏蔽层,可以很好地减轻微波对热电偶的干扰,实现不停机测温。
 
1  改进型热电偶示意图

2  屏蔽原理示意图
2.1  分析  实验中采用的微波辐射器的最大辐射方向与螺旋轴线垂直,用很细的一端封闭的双层铜管作为屏蔽体来屏蔽微波场对热电偶(如图1)的干扰,屏蔽效能的大小与电磁波的性质以及屏蔽体的结构和材料性质有关。图2为金属管壁屏蔽原理示意图,管壁左侧为水(或空气),右侧为空气,两侧有波阻抗突变,从而入射到界面的电磁波在界面上会产生反射的电磁波和透射的电磁波。当电磁波E1i入射到水(空气)-金属界面上时,产生反射的电磁波E1r和透射的电磁波E2i,E2i在金属管壁内继续传播,其振幅按指数规律衰减,对于铜其趋肤厚度可用下式计算:
 
σ≈1÷πfμσ[7] 其中f为电磁波频率,μ为铜的磁导率,σ为铜的电导率
 
  没有衰减掉的电磁波到达金属管壁的右边界产生反射和透射,反射部分场强为E2r,其在金属管壁内传播同样要按指数规律衰减,然后在左界面反射和透射,反射部分在两个界面之间来回多次反射。微波的频率很高,入射波经过金属管壁的反射和衰减,多次反射现象并不显著。透射过外层金属管壁的电磁波E3i会被内层屏蔽。对于内层金属管壁可做同样的分析,总的损耗是两层损耗之和,改进型的热电偶的每层屏蔽层都使电磁波受到衰减,再者外屏蔽层对电磁波的反射和内屏蔽层的反射作用使外界环境的电磁干扰受到很大的削弱,因此一端封闭的双层细屏蔽体可以屏蔽电磁波干扰,可通过下面的实验得到验证,同时可以看出两层屏蔽比一层有更好的屏蔽效果。

   
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