一種利用相控陣天線的微波能量傳送裝置和方法
【專利摘要】本發明公開了一種利用相控陣天線的微波能量傳送裝置，包括：控制部；分別連接到該控制部的微波能量傳送控制部和測溫部；微波源，所述微波能量傳送控制部和測溫部分別連接到該微波源；以及相控陣天線部和波帶片發射部，分別連接到所述微波源，并且該相控陣天線部還連接到測溫部。利用本發明的相控陣微波能量傳送裝置，能夠以最佳的加熱方案，向該特定目標傳送微波能量，同時對該特定目標進行實時測溫。
【專利說明】一種利用相控陣天線的微波能量傳送裝置和方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種利用相控陣天線進行微波能量傳送的微波能量傳送裝置和方法。該裝置能夠用于微波能量定向傳送、微波熱療和實時測溫等領域。
【背景技術】
[0002]利用微波對人體或生物組織進行加熱治療已有應用。在傳統的熱療技術中，對深層組織進行高溫 治療可能造成表皮組織灼傷，因此，如何對深層的組織進行加熱而不傷及表皮組織或其他組織，是一個具有挑戰性的課題。中國專利ZL90106492.0公開了一種微波透熱法以及裝置，它是根據微波功率密度的規律，在現有貼近式透熱法的基礎上，將微波輻射器的口面離開人體被透熱部位表皮15-70cm的距離，同時，在微波輻射器口面前加一聚焦裝置，并加大微波電源的輸出功率，且連續輸出功率。該方法與裝置能較好地解決透熱深度淺、表皮易灼傷、加熱不均勻等問題。但是，該裝置不能對生物組織加熱的情況進行實時地監控，也無法調節聚焦深度，入射角度和發射功率，因此不能達到有效的加熱治療效果。此外，現有的加熱微波源大都采用單頻率進行加熱，而目標組織細胞(例如，腫瘤細胞)在一段時間后容易適應此頻率，從而達不到有效滅活的治療效果。
[0003]其次，近年來，非熱效應的應用已經引起越來越多的關注。而市場上鮮有能夠同時進行熱療和非熱治療的設備。生物組織在接受微波低強度、長時間輻射或高強度脈沖式輻射后，體溫雖未發生明顯上升但也會產生一系列生物學效應稱之為非熱效應，非熱效應所需的輻射功率大大低于熱效應所需的功率水平。微波非熱效應的作用機制從物理學、生物醫學兩個角度來看大致包括跨膜離子回旋諧振理論、粒子對膜的穿透理論、生物系統相干電振蕩理論、細胞電信號轉導理論等等。微波脈沖對細胞膜的作用可以改變跨膜電位使其發生細胞膜的可逆或不可逆性穿孔，使平時受到細胞膜限制進入的抗癌藥物大量進入細胞內，降低了化療藥物的用量，降低了抗癌藥物對人體的毒副作用。微波可以切斷DNA、影響細胞內第二信使的含量、影響線粒體的功能誘導細胞凋亡。微波輻射癌病灶可以刺激患者免疫調節系統，增強NK細胞、T淋巴細胞和巨噬細胞的細胞免疫力。
[0004]此外，現有的微波測溫技術普遍是利用傳感器進行的有損測量，例如利用半導體熱敏電阻作為測溫探頭的測溫裝置，其不能夠進行有效的深層測溫，只能測量表皮溫度，并且該測溫方法會對人體造成損傷，患者要承受較大的痛苦，容易使傷口感染。中國專利CN100475288C公開了一種單極相控陣列高溫治療加熱裝置，該裝置利用位于患者身體表面的溫度傳感器來測量患者體表溫度。但該測溫裝置不能對深層組織進行有效的測溫，也不具有實時測溫的功能，不能有效地對加熱溫度進行監控。
【發明內容】
[0005]鑒于現有技術中的上述不足，本發明旨在提出一種相控陣微波能量傳送裝置和一種相控陣微波能量傳送方法，能夠實現對目標組織進行靶向多頻能量傳送，并且具有實時測溫與實時監控的功能，從而可對特定目標組織達到更加有效的能量傳送效果。[0006]根據本發明的第一個方面，提出了一種利用相控陣天線的微波能量傳送裝置，包括:控制部；分別連接到該控制部的微波能量傳送控制部和測溫部；微波源，所述微波能量傳送控制部和測溫部分別連接到該微波源；以及相控陣天線部和波帶片發射部，分別連接到所述微波源，并且該相控陣天線部還連接到測溫部；所述微波能量傳送控制部根據由所述控制部確定的加熱方案，確定待發射微波的頻率、功率和波形；所述測溫部對特定目標實施測溫，并將測溫結果發送給所述控制部；所述微波源根據由所述微波能量傳送控制部確定的待發射微波的頻率、功率、波形及脈沖方式，生成具有該頻率、功率、波形及脈沖方式的微波；所述相控陣天線部和/或所述波帶片發射部在所述微波能量傳送控制部的控制下，根據所述特定目標的空間位置信息，向該特定目標發射由所述微波源生成的具有所述頻率、功率、波形的微波。
[0007]根據本發明的第二個方面，提出了一種利用相控陣天線的微波能量傳送方法，包括:初始化步驟，確定特定目標的空間位置；治療方案確定步驟，確定對于該特定目標的待發射微波的設定頻率、功率和波形以及所述特定目標的預期溫度和預期加熱時間；熱療微波生成步驟，生成具有所述設定功率、波形、頻率的熱療用微波；熱療微波發射步驟，將該熱療用微波發射到所述特定目標的上述空間位置；熱療溫度判定步驟，判斷所述特定目標是否達到所述預期溫度；以及熱療時間判定步驟，判斷是否到達所述預期加熱時間；其中，如果所述特定目標沒有達到所述預期溫度，則增大微波發射功率或增加脈沖頻率，并重復執行所述熱療溫度判定步驟；其中，如果還未達到所述預期加熱時間，則重復執行所述熱療時間判定步驟。
[0008]利用本發明的相控陣微波能量傳送裝置和相控陣微波能量傳送方法，能夠將具有優選功率、頻率和波形的微波靶向地照射到該特定目標。同時，能夠對該特定目標進行實時測溫，確保了在微波能量傳送的過程中的安全性。
【專利附圖】
【附圖說明】
`[0009]圖1是示出本發明的相控陣微波能量傳送裝置的結構框圖；
[0010]圖2是示出本發明的具有共振頻率查找功能的相控陣微波能量傳送裝置的結構框圖；
[0011]圖3是示出波帶片發射部的原理的示意圖；
[0012]圖4是示出本發明的相控陣微波能量傳送裝置的操作實例的流程圖；
[0013]圖5是示出本發明的相控陣微波能量傳送裝置的另一操作實例的流程圖；以及
[0014]圖6是示出本發明的相控陣微波能量傳送裝置的又一操作實例的流程圖。
【具體實施方式】
[0015]下面，將參照附圖具體描述本發明的相控陣微波能量傳送裝置。
[0016]如圖1所示，本發明的相控陣微波能量傳送裝置10包括分別與控制部11相連的微波能量傳送控制部13和測溫部14。該微波能量傳送控制部13和測溫部14共同連接到微波源16，該微波源16直接連接到相控陣天線部17和波帶片發射部8。相控陣天線部17還與和測溫部14相連接。此外，控制部11還與一顯示及存儲部15相連接。
[0017]微波能量傳送控制部13參照現有掃描定位設備(例如，超聲設備、核磁共振設備等)確定的該特定目標的位置信息，利用相控陣天線或波帶片，進行微波能量的定向傳送。測溫部14采用常規的紅外測溫技術，或者微波測溫技術，對所述特定目標進行實時測溫，從而獲得該特定目標的三維熱分布圖。當采用微波測溫技術時，該測溫部14利用比吸收率與溫度成正比例的關系，將特定目標對于微波能量的比吸收率轉換為溫度。
[0018]微波源16是一種頻率可調、輸出波形可調的微波發生設備，可用于微波能量傳送控制部13的微波傳送。與微波源16相連接的相控陣天線部17和波帶片發射部18用于向特定目標發射滿足聚焦方向、功率大小、波形形狀等要求的微波。
[0019]控制部11對本發明的相控陣微波能量傳送裝置10的各模塊操作進行控制。此外，顯示及存儲部15用于以圖形方式顯示測溫等結果，并對各種操作和測量數據進行存儲。
[0020]下面，將分別對本發明的相控陣微波能量傳送裝置10的上述各模塊的結構和操作，以及整體操作進行說明。
[0021]微波源
[0022]如圖1所示，而當本發明的相控陣微波能量傳送裝置10進行微波能量傳送操作或者微波測溫操作或者這兩個操作同時進行時，則使所述微波源16生成具有期望頻率、脈沖寬度和功率的微波脈沖或連續波。該微波源16選用一個以上半導體可掃頻微波源接力覆蓋，使微波頻率范圍從P波段達到K波段，即從230MHZ-26.5GHz。輸出功率可由毫瓦(mW)級經放大器放大至100瓦(100W)級。前述的微波能量傳送控制部13根據微波能量傳送的需求，對該微波源16的發射頻率、微波波形和輸出功率等進行控制。
[0023]由微波源16生成的微波，將被通過波導管或微波發射器等傳送至相控陣天線部17或波帶片發射部18 (將在下文中詳述)。在主要以熱療為目的的情況下，將利用波帶片發射部18進行微波的聚焦和發射，而在主要以非熱效應為目的的情況下，將利用相控陣天線部17進行微波的發射。
[0024]相控陣天線部
[0025]相控陣天線部17連接到前述微波源16和測溫部14。該相控陣天線部17用于向特定目標靶向地輻射特定聚焦方向、頻率、功率、波形的電磁波，并接收電磁波經特定目標后的反射波(例如，在微波測溫操作中)。
[0026]相控陣天線是通過移相器來控制陣列天線中各輻射單元的饋電相位，從而改變天線方向圖形狀的天線。本發明的相控陣天線部17可以配置為單區的結構，也可以配置為包括多個分區的結構。例如，相控陣天線部17可以配置為包括:A型矩形單面陣天線，其配置成128個以上的發射/接收組件，排列方式為(8*8) *n組；B型矩形單面陣天線，其配置成128個以下的發射/接收組件，排列方式為(4*4) *n組；C型拱形單面陣天線，其配置成128個以上的發射/接收組件。
[0027]上述單面陣天線的組合方式可以是，一個A型矩形單面陣天線搭配一個以上的B型矩形單面陣天線等其他可選的組合方式，并且各型天線均為可切換式。例如，一種單面陣天線是配有AA、AB、AC三個以上具有128個及以上波束的適應不同頻率的共面陣天線，并且配有可切換的BA、BB、BC三個以上具有128個及以下波束的共面陣天線，其中各波束相位可以是相干和不相干。
[0028]通過這樣的配置，本發明的相控陣天線部17可以實現多區域分別可控的技術效果。例如，可以僅選擇開啟相控陣天線的部分區域進行操作，而其余部分不工作；或者，可以控制相控陣天線的不同區域，以不同的頻率、功率、波形來向不同的目標發射微波。
[0029]波帶片發射部
[0030]除了使用上述的相控陣天線部17向特定目標發射微波外，本發明的相控陣微波能量傳送裝置10還可以通過波帶片發射部18對微波進行聚焦和發射。該波帶片發射部18連接到前述的微波源16，用于將來自該微波源16的受控微波聚焦并發射至特定目標。
[0031]所述波帶片發射部18是利用波的衍射特性對波束進行相干疊加，來達到對靶向目標進行聚焦輻射。針對不同頻率的微波，本發明的波帶片發射部18實質上包括了多個波帶片，每一波帶片針對一特定頻率的微波。
[0032]波帶片的原理如圖3所示:
[0033]以聚焦點P。為中心，以r1;..rN為半徑作出一系列球面，其中，
【權利要求】
1.一種利用相控陣天線的微波能量傳送裝置，包括: 控制部；分別連接到該控制部的微波能量傳送控制部和測溫部；微波源，所述微波能量傳送控制部和測溫部分別連接到該微波源；以及相控陣天線部和波帶片發射部，分別連接到所述微波源，并且該相控陣天線部還連接到所述測溫部；其中，所述微波能量傳送控制部根據由所述控制部確定的加熱方案，確定待發射微波的頻率、功率和波形；所述測溫部對特定目標實施測溫，并將測溫結果發送給所述控制部；所述微波源根據由所述微波能量傳送控制部確定的待發射微波的頻率、功率和波形，生成具有該頻率、功率和波形的待發射微波；所述相控陣天線部和/或所述波帶片發射部在所述微波能量傳送控制部的控制下，根據所述特定目標的空間位置信息，向該特定目標發射由所述微波源生成的具有所述頻率、功率、波形的待發射微波。
2.如權利要求1所述的相控陣微波能量傳送裝置，還包括一顯示及存儲部，用于以圖像化的形式，對由所述測溫部的測溫結果進行顯示；并且，該顯示及存儲部還對由所述測溫部的測溫結果進行存儲。
3.如權利要求1所述的利用相控陣天線的微波能量傳送裝置，其中，還包括共振頻率查找部，該共振頻率查找部與所述相控陣天線部、所述微波源和所述控制部相連；所述微波源生成頻率連續變化的微波，通過所述相控陣天線部發射到所述特定目標的所述空間位置，同時，所述測溫部實時地測量所述特定目標的溫度，在該特定目標的溫度出現最大值的時候，所述共振頻率查找部判定此時的微波頻率為該特定目標的共振頻率，作為待發射微波的所述頻率。
4.如權利要求1所述的利用相控陣天線的微波能量傳送裝置，其中，所述相控陣天線部具有多個分區，用于同時向所述特定目標發射不同頻率的微波。
5.如權利要求1所述的利用相控陣天線的微波能量傳送裝置，其中，所述測溫部根據下式，對所述特定目標實施測溫:Pl/PO = T1/T0 ；其中，P0是向一標準人體模型中與所述特定目標相對應的部分輸入的微波能量；το是該標準人體模型的該相對應的部分在吸收了 Ρ0后的溫度；P1是所述特定目標吸收的微波能量；T1是所述特定目標在收了 P1后的溫度。
6.如權利要求5所述的利用相控陣天線的微波能量傳送裝置，其中，由所述相控陣天線部向該特定目標發射由所述微波源生成的具有所述頻率、功率和波形的微波，并且該相控陣天線部還檢測從該特定目標反射回的回波信號。
7.如權利要求5所述的利用相控陣天線的微波能量傳送裝置，其中，由所述波帶片發射部向該特定目標發射由所述微波源生成的具有所述頻率、功率、波形的微波，并且所述相控陣天線部檢測從該特定目標反射回的回波信號。
8.如權利要求6所述的利用相控陣天線的微波能量傳送裝置，其中，所述特定目標吸收的微波能量P1是所述相控陣天線部向該特定目標發射的微波的能量與該相控陣天線部接收到的所述回波信號的能量兩者之差。
9.如權利要求7所述的利用相控陣天線的微波能量傳送裝置，其中，所述特定目標吸收的微波能量P1是所述波帶片發射部向該特定目標發射的微波的能量與該相控陣天線部接收到的所述回波信號的能量兩者之差。
10.如權利要求1所述的利用相控陣天線的微波能量傳送裝置，其中，所述測溫部是紅外測溫裝置。
11.如權利要求1所述的利用相控陣天線的微波能量傳送裝置，其中，所述波帶片發射部具有分別對應于不同發射頻率的多個波帶片。
12.如權利要求1所述的利用相控陣天線的微波能量傳送裝置，其中，所述特定目標的所述空間位置信息是由該相控陣微波能量傳送裝置之外的外部設備提供的。
13.一種利用相控陣天線的微波能量傳送方法，包括: 初始化步驟S11，確定特定目標的空間位置；治療方案確定步驟S13，確定對于該特定目標的待發射微波的設定頻率、功率和波形以及所述特定目標的預期溫度和預期加熱時間；熱療微波生成步驟S14，生成具有所述設定功率、波形、頻率的熱療用微波；熱療微波發射步驟S15，將該熱療用微波發射到所述特定目標的上述空間位置；熱療溫度判定步驟S16，判斷所述特定目標是否達到所述預期溫度；以及熱療時間判定步驟S17，判斷是否到達所述預期加熱時間；其中，如果所述特定目標沒有達到所述預期溫度，則增大微波發射功率或增大脈沖頻率，并重復執行所述熱療溫度判定步驟S16 ；其中，如果還未達到所述預期加熱時間，則重復執行所述熱療時間判定步驟S17。
14.如權利要求13所述的利用相控陣天線的微波能量傳送方法，在所述初始化步驟S11和所述治療方案確定步驟S13之間，還包括一共振頻率確定步驟S12，在該步驟中:生成一系列在預設頻段內頻率連續增大的低功率微波，并將該微波通過所述波帶片發射至所述特定目標的所述空間位置；測量所述特定目標在不同頻率下的溫度；以及確定對應于該特定目標的最高溫度的頻率為該特定目標的共振頻率。
15.如權利要求13所述的利用相控陣天線的微波能量傳送方法，其中，在治療方案確定步驟S13中，進一步確定對于該特定目標是否執行非熱療方式；在確定對于該特定目標執行非熱療方式的情況下，在所述治療方案確定步驟S13中，進一步確定用于非熱療方式的非熱療用微波的功率、波形、頻率；并且，所述相控陣微波能量傳送方法在所述治療方案確定步驟S13之后還包括:非熱療微波生成步驟S18，生成具有所述設定功率、波形、頻率的非熱療用微波；非熱療微波發射步驟S19，將該非熱療用微波通過相控陣天線發射到所述特定目標的上述空間位置；非熱療溫度判定步驟S20，判斷所述特定目標是否達到所述預期溫度；以及非熱療時間判定步驟S21，判斷是否到達所述預期加熱時間；其中，如果所述特定目標沒有達到所述預期溫度，則增大微波發射功率，并重復執行所述非熱療溫度判定步驟S20 ;并且其中，如果還未達到所述預期加熱時間，則重復執行所述非熱療時間判定步驟S21。
16.如權利要求13所述的利用相控陣天線的微波能量傳送方法，其中，由一波帶片發射部向該特定目標發射所述熱療用微波，并且由一相控陣天線部檢測從該特定目標反射回的回波信號。
17.如權利要求15所述的利用相控陣天線的微波能量傳送方法，其中，由一相控陣天線部向該特定目標發射所述非熱療用微波，并且該相控陣天線部還檢測從該特定目標反射回的回波信號。
18.如權利要求16所述的利用相控陣天線的微波能量傳送方法，其中，在所述熱療溫度判定步驟S16中，根據下式，對所述特定目標實施測溫:Pl/PO = T1/T0 ；其中，P0是向一標準人體模型中與所述特定目標相對應的部分輸入的微波能量；το是該標準人體模型的該相對應的部分在吸收了 Ρ0后的溫度；P1是所述特定目標吸收的微波能量；T1是所述特定目標在收了 P1后的溫度，其中，所述特定目標吸收的微波能量P1是所述波帶片發射部向該特定目標發射的所述熱療用微波的能量與該相控陣天線部接收到的所述回波信號的能量兩者之差。
19.如權利要求17所述的利用相控陣天線的微波能量傳送方法，其中，在所述熱療溫度判定步驟S16或所述非熱療溫度判定步驟S20中，根據下式，對所述特定目標實施測溫:Pl/PO = T1/T0 ；其中，P0是向一標準人體模型中與所述特定目標相對應的部分輸入的微波能量；το是該標準人體模型的該相對應的 部分在吸收了 Ρ0后的溫度；P1是所述特定目標吸收的微波能量；T1是所述特定目標在收了 P1后的溫度，其中，所述特定目標吸收的微波能量P1是所述相控陣天線部向該特定目標發射的所述非熱療用微波的能量與該相控陣天線部接收到的所述回波信號的能量兩者之差。
20.如權利要求13或15所述的利用相控陣天線的微波能量傳送方法，其中，在所述熱療溫度判定步驟S16和所述非熱療溫度判定步驟S20中，利用一紅外測溫裝置檢測所述特定目標的溫度。
【文檔編號】A61N5/02GK103656865SQ201210359500
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年9月25日 優先權日:2012年9月25日
【發明者】丘國慈, 丘福隆, 曾毅, 郝建紅, 吳水才, 姚逸翔 申請人:郭運斌, 丘國慈