УСТРОЙСТВО ДЛЯ УВЧ-ТЕРАПИИ Российский патент 1994 года по МПК A61N1/40 A61N1/32 

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано в физиотерапевтической аппаратуре.

Аппараты для УВЧ-терапии (КВ-терапии), предназначенные для прогрева тканей тела пациента полем УВЧ, представляют собой генератор УВЧ с симметричным выходом, к которому с помощью двухпроводной линии подключается нагрузка, состоящая из системы: средства воздействия (электроды, индуктор) - пациент, образуя так называемый "контур пациента". Оптимальный режим работы генератора (передача в нагрузку наибольшей мощности при наибольшем КПД) осуществляется при работе генератора на определенное, чисто активное сопротивление, называемое эквивалентным сопротивлением генератора (режим согласованной нагрузки).

Различные условия проведения процедуры (используемые средства воздействия и их расположение относительно пациента, электрические характеристики тканей, подлежащих воздействию) приводят к тому, что импеданс нагрузки, приведенный к выходу генератора, изменяется как по активной, так и по реактивной составляющей в широких пределах. В результате без применения дополнительных устройств генератор будет практически все время работать в рассогласованном режиме, что делает невозможным выделение необходимой мощности в пациенте и может привести к выходу из строя активного элемента генератора. Поэтому для получения заданной выходной мощности во всем диапазоне изменений нагрузки и обеспечения нормального режима работы активного элемента генератора необходимо использование специальных согласующих устройств, которые дают возможность получить на выходе генератора сопротивление нагрузки, равное (или близкое к нему) эквивалентному сопротивлению генератора.

Для компенсации реактивной составляющей импеданса нагрузки на выходе генератора в аппаратах для УВЧ-терапии используют выходную колебательную систему, которая включает в себя устройство для настройки контура пациента в резонанс, работающее в ручном или автоматическом режиме.

Однако при этом активная составляющая импеданса нагрузки может изменяться в широких пределах. В результате неравномерности нагрузочной характеристики генератора на выходе аппарата будет выделяться разная мощность, причем неизвестная в каждый момент времени, а КПД генератора может оказаться весьма низок. Кроме того, при использовании в качестве активного элемента генератора транзистора возникают перегрузки, которые могут вывести его из строя.

Для решения этой проблемы может быть использовано еще одно ручное или автоматическое согласующее устройство, которое обеспечивает постоянство активной составляющей импеданса нагрузки на выходе генератора, например, изменением связи между генератором и выходной колебательной системой. Применение второго согласующего устройства усложняет конструкцию аппарата и требует соблюдения жесткого алгоритма управления обоими устройствами. Более простой способ решения проблемы - обеспечить постоянство выходной мощности на выходе генератора при изменении нагрузки регулированием режима работы по постоянному току его активного элемента.

В известном устройстве, выбранном за прототип, эта задача решается за счет того, что в устройство для УВЧ-терапии, содержащее генератор УВЧ, выходную колебательную систему, включающую в себя устройство для компенсации реактивной составляющей нагрузки, подключенную к генератору УВЧ, выход которой является выходом устройства в целом, переключатель режимов работы, выполняющий функцию задатчика мощности, исполнительный блок, подключенный к цепям регулирования выходной мощности генератора УВЧ, введены ответвитель со слабой связью, включенный между генератором УВЧ и выходной колебательной системой, мостовой рефлектометр, соединенный с вторичной цепью ответвителя, детекторы, входы которых соединены с выходами рефлектометра, сумматор, входами соединенный с выходами детекторов, и блок сравнения, первый вход которого соединен с выходом сумматора, второй вход - с выходом задатчика мощности, а выход - с входом исполнительного блока.

В процессе работы устройства по прототипу на выходах мостового рефлектометра выделяются сигналы, один из которых пропорционален выходной мощности генератора УВЧ, а другой - мощности, отраженной от выходной колебательной системы. Эти сигналы детектируются детекторами и вычитаются в сумматоре, в результате чего на выходе сумматора формируется сигнал, пропорциональный мощности, выделяемой в нагрузке. Этот сигнал подается на управляющий вход блока сравнения, на другой вход которого подается опорный сигнал от задатчика мощности. При несовпадении этих сигналов вырабатывается управляющий сигнал, который через исполнительный блок передается на цепи регулирования выходной мощности генератора УВЧ, например на цепи питания.

Недостатком этого устройства является значительная методическая погрешность вырабатываемого управляющего сигнала, определяемая конечной величиной направленности ответвителя N и погрешностью δ, возникающей при рассогласовании нагрузки δ, которая в свою очередь зависит от коэффициентов отражения основного канала собственно ответвителя, нагрузки и выхода вторичного канала ответвителя (в данном случае детекторов).

В устройстве для УВЧ-терапии могут быть применены два типа ответвителя: с использованием коаксиального кабеля в качестве основной линии и двумя зондами в качестве элементов связи (так называемый квадратный или двушлейфный ответвитель) и с использованием связанных полосковых линий. Для того, чтобы такой ответвитель был направленным, т.е. мог регистрировать отдельно как падающую, так и отраженную волну, необходимо, чтобы расстояние между зондами в первом типе было равно λ/4 (с учетом укорочения в кабеле), а во втором типе λ/4 должна равняться длине области связи (с учетом укорочения в диэлектрике), прием на втором конце вторичного канала должна быть включена согласованная нагрузка.

Поскольку основным недостатком рефлектометра является большая погрешность, оценивают погрешность получения управляющего сигнала в прототипе, пропорционального проходящей мощности через основной канал ответвителя. Погрешность собственно ответвителя зависит от его конструкции и точности его изготовления. Наибольшая погрешность ответвителя первого типа обусловлена рассогласованием
δ_расс = 2Г_но ˙ Г_н + 2Г_в, где Г_но, Г_н и Г_в - коэффициенты отражения собственно самого ответвителя, нагрузки и выхода вторичного тракта.

Для ответвителя с двумя зондами δ_расс = + 2Г_в.

Для ответвителя на связанных линиях эффективная направленность N_эффи его собственный коэффициент отражения (кроме точности выполнения полосковой линии и качества перехода от коаксиальной линии к полосковой) также сильно зависит от КСВ нагрузки:
N_эфф = 10log .

Из приведенных формул видно, что при большом КСВ нагрузки, а при проведении процедур УВЧ-терапии он может достигать 3 ˙ (Г_н = 0,5), погрешность получения управляющего сигнала, пропорционального мощности, выделяемой в нагрузке, может составлять 50% и более, что при больших уровнях мощности может привести к передозировке, а при малых вообще сделать стабилизацию мощности невозможной.

Кроме того, динамический диапазон работы ответвителя с использованием детекторов определяется рабочим диапазоном линейной или квадратичной характеристики детектора, которая для современных ВЧ-диодов составляет 1-3 В, тогда как диапазон изменения мощности, попадающей на детектор, как правило, на порядок больше, что ограничивает диапазон регулирования выходной мощности.

Еще одним недостатком использования рефлектометра является то, что он искажает параметры проходящей волны из-за шунтирующего действия вторичного канала. Связь вторичной линии с основным каналом, определяемая переходным ослаблением ответвителя, должна быть достаточной для обеспечения работы детекторов, поэтому вторичный канал должен поглощать часть ВЧ-мощности, что эквивалентно включению в основную линию шунтирующей проводимости. В результате этого искажается картина стоячей волны при рассогласовании как по амплитуде, так и по фазе (так как в общем случае эта шунтирующая проводимость - величина комплексная), что ведет к нелинейности выходного сигнала.

И, наконец, учитывая большую длину основного канала ответвителя (λ/4 = 1,7-2,5 м), в нем будет значительным коэффициент затухания, что снижает КПД устройства, а поскольку рефлектометр представляет собой сложную конструкцию с высокими требованиями к допускам и качеству его изготовления, включение в цепь обратной связи как узлов ВЧ-тракта, так и низкочастотных цепей и цепей питания может привести к попаданию ВЧ-напряжения за пределы обычно экранированного ВЧ-блока устройства, что приведет к повышению уровня радиопомех, создаваемых генератором УВЧ.

Изобретение решает задачу повышения точности дозирования мощности путем снижения методических погрешностей величины управляющего сигнала, и поддержание мощности на заданном уровне при проведении процедуры, при высоком КПД устройства.

Решение этой задачи обеспечивается тем, что устройство для УВЧ-терапии, содержащее генератор УВЧ, выходную колебательную систему, вход которой соединен с выходом генератора УВЧ, исполнительный блок, первым выходом соединенный со входом генератора УВЧ, и задатчик мощности, выход которого соединен с первым входом блока сравнения, снабжено датчиком потребляемого тока, первый и второй выходы которого подключены, соответственно, к первому входу исполнительного блока и второму входу блока сравнения, а также генератором пилообразного напряжения и формирователем управляющего сигнала, два входа которого соединены с выходами генератора пилообразного напряжения и блока сравнения, а выход подключен ко второму входу исполнительного блока, причем в качестве генератора УВЧ использован генератор ключевого типа.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг.2 - структурная схема УВЧ-генератора; на фиг.3 - принципиальная схема датчика потребляемого тока.

Устройство для УВЧ-терапии содержит УВЧ-генератор 1, выходную колебательную систему 2, вход которой соединен с выходом УВЧ-генератора 1, а выход является выходом устройства в целом для подключения к нагрузке (пациенту), последовательно соединенные датчик потребляемого тока 3 и исполнительный блок 4, выход которого соединен с входом УВЧ-генератора 1, блок сравнения 5, первый вход которого соединен с выходом задатчика мощности 6, второй - с вторым выходом датчика потребляемого тока 3, а выход - с входом формирователя 7 управляющего сигнала, второй вход которого подключен к выходу генератора пилонапряжения, а выход - к второму входу исполнительного блока 4 (см. фиг.1).

УВЧ-генератор 1 служит для выработки электромагнитных колебаний с выходной мощностью, необходимой для получения заданной мощности в нагрузке. В качестве УВЧ-генератора 1 используется генератор ключевого типа, который может быть построен по схеме, содержащей маломощный автогенератор и двухкаскадный усилитель, работающий в ключевом режиме на резистивную нагрузку.

При конкретной реализации в соответствии с указанной схемой УВЧ-генератор 1 (см. фиг.2) содержит последовательно соединенные автогенератор 9, предусилитель 10, оконечный усилитель 11 и фильтр-диплексер 12.

Автогенератор 9 вырабатывает импульсы необходимой частоты и может быть построен по известной схеме емкостной трехточки с кварцевой стабилизацией частоты (например, см Справочное пособие по ВЧ-схемотехнике. М.: Мир, 1987, с.158).

Предусилитель 10 выполняет функцию первого каскада усилителя и может быть выполнен по двухтактной схеме с переключением напряжения (см. Транзисторные генераторы гармонических колебаний в ключевом режиме. М.: Радио и связь, 1985, с.34, рис.2.3), например на транзисторах КТ934В.

Второй каскад усилителя - оконечный усилитель 11 - выполнен по двухтактной схеме с переключением тока, например на транзисторах КТ9105АС, причем общая точка коллекторов транзисторов по постоянному току подключена к выходу исполнительного блока 4 и является входом УВЧ-генератора 1.

Фильтр-диплексер 12 обеспечивает постоянное активное (или близкое к нему) входное сопротивление во всем диапазоне частот и представляет собой вилку фильтров, состоящую из основного и дополнительного фильтров. В виде вилки фильтров он может быть выполнен по известным схемам вилки фильтров Баттерворта, Чебышева или Кауэра.

Выходная колебательная система 2 предназначена для создания на симметричном выходе устройства уровня напряжения рабочей частоты, необходимого для получения заданного уровня мощности в нагрузке. Она может быть выполнена по известной схеме, включающей датчик рассогласования, через катушку связи подключенный к выходному согласующему контуру, например в виде ферровариометра, настройка которого в резонанс обеспечивается с помощью обмотки подмагничивания, величина тока в которой пропорциональна величине управляющего сигнала на вторичном выходе датчика рассогласования, усиленном усилителем постоянного тока.

Датчик потребляемого тока 3 служит для получения сигнала, пропорционального уровню потребляемой мощности, и выполнен по схеме, представленной на фиг. 3. Датчик 3 состоит из резистора R1, включенного последовательно через исполнительный блок 4 в цепь коллекторного питания оконечного усилителя 11 генератора УВЧ 1, основного транзистора VT1 и дополнительного транзистора VT2, выполненных, например, на транзисторной сборке, и вспомогательных резисторов R2-R4, как показано на фиг.3. Выводы резистора R3, включенного в коллекторную цепь транзистора VT1, являются вторым выходом датчика потребляемого тока 3, входом которого подключенным к источнику питания (на чертежах не показан), и первым выходом являются выводы резистора R1.

Исполнительный блок 4 предназначен для управления цепью регулирования выходной мощности УВЧ-генератора 1 (в данном случае цепью питания оконечного усилителя 11) и может быть выполнен в виде модулятора коллекторного питания оконечного усилителя 11, например по схеме импульсного усилителя (см. Транзисторные генераторы гармонических колебаний в ключевом режиме. М.: Радио и связь, 1985, с. 165, рис.6.8), причем такая реализация исполнительного блока 4 обеспечивает высокий КПД цепи регулирования и устройства в целом.

Блок сравнения 5 предназначен для выработки сигнала рассогласования и представляет собой дифференциальный усилитель с ВЧ-коррекцией, выполненный, например, на микросхеме К544УД2 (см. В.С.Гутников. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л.: Энергоатомиздат, 1988, с.27).

Задатчик мощности 6 предназначен для задания уровня опорного сигнала, подаваемого на первый вход блока сравнения 5, соответствующего необходимой выходной мощности в нагрузке, и может быть выполнен, например, в виде регистра выбора мощности на многопозиционном переключателе типа ПК2.

Формирователь управляющего сигнала 7 предназначен для выработки управляющего сигнала, подаваемого на исполнительный блок 4, с частотой, задаваемой генератором пилонапряжения 8, и длительностью, определяемой уровнем сигнала рассогласования, вырабатываемого блоком сравнения 5. Формирователь 7 представляет собой триггер Шмитта и может быть выполнен по известной схеме, например, на компараторе К554СА3.

Генератор пилообразного напряжения 8 предназначен для выработки сигнала треугольной формы с выбранной частотой преобразований и может быть выполнен, например, на интегральном таймере КР1006ВИ1. Частота преобразований 100 кГц.

Устройство работает следующим образом. Средства воздействия, необходимые для проведения процедуры, устанавливают в рабочее положение и подключают к устройству, отрегулированному на каждой ступени на значения выходной мощности, указанные в эксплуатационной документации.

Устройство включают в сеть. При этом генератор пилонапряжения 8 начинает вырабатывать импульсы треугольной формы с частотой ШИМ преобразования, которые поступают на первый вход формирователя управляющих сигналов 7.

Задатчик мощности 6 устанавливают в соответствии с медицинскими показаниями на требуемое значение выходной мощности. При этом на первом входе блока сравнения 5 устанавливается опорный сигнал, величина которого соответствует требуемому значению выходной мощности устройства, установленному задатчиком 6 и соответствующему ему значению мощности, потребляемой генератором УВЧ 1.

При подаче питания от источника питания на генератор УВЧ 1 через датчик потребляемого тока и исполнительный блок 4, генератор УВЧ 1 начинает вырабатывать электромагнитные колебания УВЧ, которые через выходную колебательную систему 2 поступают на выход устройства, а на втором выходе датчика 3 появляется сигнал, поступающий на второй вход блока сравнения 5, величина которого соответствует значению мощности, потребляемой генератором УВЧ 1 от источника питания.

Блок сравнения 5 вырабатывает сигнал, уровень которого зависит от величин сигналов на его входах, поступающий на второй вход формирователя 7. Формирователь 7 вырабатывает управляющие импульсы прямоугольной формы, частота которых задана генератором пилонапряжения 8, а длительность определяется уровнем сигнала, поступающего от блока сравнения 5.

Управляющие импульсы с выхода формирователя 7 подаются на второй вход исполнительного блока 4, в результате чего на выходе исполнительного блока 4 вырабатывается постоянное напряжение коллекторного питания оконечного усилителя 11 генератора УВЧ 1, пропорциональное длительности управляющих импульсов, величина которого зависит от уровня сигнала на выходе блока сравнения 5 и, следовательно, от соотношения величин фактической потребляемой генератором УВЧ 1 мощности и заданной задатчиком 6 мощности, определяющих значения сигналов на входах блока сравнения 5. При этом величина фактической потребляемой генератором УВЧ 1 мощности в свою очередь зависит от значения активного сопротивления нагрузки.

Если активное сопротивление нагрузки соответствует значению, при котором осуществлялась регулировка устройства, то величина мощности, потребляемой генератором УВЧ 1 от источника питания, будет соответствовать требуемому значению выходной мощности, заданной задатчиком 6, которая при этом выделяется на нагрузке, причем установившийся режим работы не изменяется, пока не изменится величина активного сопротивления нагрузки.

Если активное сопротивление нагрузки отличается от значения, при котором осуществлялась регулировка устройства, величина мощности, потребляемой генератором УВЧ 1 от источника питания, также не будет соответствовать заданному требуемому значению выходной мощности, что приведет к изменению уровня сигнала на втором выходе датчика 3 потребляемого тока, причем при увеличении сопротивления нагрузки уменьшается потребляемая мощность и уровень сигнала на выходе датчика 3, а при уменьшении сопротивления нагрузки мощность, потребляемая генератором УВЧ 1, увеличивается и, соответственно, изменяется уровень сигнала на выходе датчика 3.

В результате этого изменяется уровень сигнала на выходе блока сравнения 5 и длительность управляющих импульсов на выходе формирователя 7, причем уменьшение уровня сигнала на выходе датчика 3 приводит к уменьшению уровня сигнала на выходе блока сравнения 5 и увеличению длительности управляющих импульсов формирователя 7, а увеличение уровня сигнала на выходе датчика 3 - к увеличению уровня сигнала на выходе блока сравнения 5 и, соответственно, к уменьшению длительности управляющих импульсов. Это приводит к изменению величины постоянного напряжения коллекторного питания оконечного усилителя 11 генератора УВЧ 1, причем при увеличении длительности управляющего сигнала величина напряжения питания возрастает, а при уменьшении - уменьшается.

Это происходит до тех пор, пока мощность, потребляемая генератором УВЧ 1, не достигнет величины, соответствующей требуемому значению выходной мощности устройства, установленной задатчиком 6, после чего изменение величины коллекторного питания оконечного усилителя 11 генератора УВЧ 1 прекращается, пока не произойдет изменения значения активного сопротивления нагрузки, и устройство работает в установившемся режиме.

При изменении активного сопротивления нагрузки устройство срабатывает описанным выше образом, восстанавливая необходимый уровень потребляемой мощности УВЧ-генератора 1 и тем самым стабилизируя выходную мощность, выделяемую на нагрузке на уровне, заданном задатчиком 6.

Таким образом, цепь обратной связи устройства, включающая в себя датчик потребляемого тока 3, блок сравнения 5, формирователь 7 и исполнительное устройство 4, обеспечивает автоматическую стабилизацию мощности на выходе устройства на уровне, установленном задатчиком мощности 6, с погрешностью, определяемой непостоянством КПД ключевого генератора в рабочем диапазоне нагрузок.

Экспериментальная проверка показала, что при изменении нагрузки в 6 раз (КСВ = 3) изменение выходной мощности устройства составило не более 25%, тогда как в известных устройствах это изменение не устанавливалось и не гарантировалось.

Кроме того, устройство позволяет уменьшить зависимость выходной мощности от других дестабилизирующих факторов, в частности изменения напряжения питания, влияния температуры и пр., и исключить возможность "просачивания" электромагнитного излучения из ВЧ-тракта, т.е. обеспечить низкий уровень радиопомех, создаваемых устройством.

Использование заявляемого решения позволяет обеспечить повышенную точность дозирования выходной мощности устройства при высоком КПД. Кроме того, применение ШИМ преобразования с достаточно высокой частотой преобразования в сочетании с использованием в исполнительном устройстве ВЧ транзисторов позволяет обеспечить большой диапазон регулирования выходной мощности и высокий КПД цепи регулирования, причем заявляемое решение позволяет упростить устройство, исключив из ВЧ-тракта сложные конструктивные элементы.

Использование: в медицинской технике для УВЧ-терапии. Сущность: обеспечивает точное дозирование мощности УВЧ-излучения и поддержание ее на заданном уровне с высоким КПД при проведении процедур УВЧ-терапии за счет использования УВЧ-генератора ключевого типа, выход которого через выходной контур подключен к контуру пациента, и цепи регулирования мощности, потребляемой генератором УВЧ от источника питания, включающей датчик потребляемого тока, выходы которого подключены: первый - через исполнительный блок - к входу генератора УВЧ, второй - к блоку сравнения с задатчиком мощности на своем первом входе, и формирователь управляющего сигнала, входы которого соединены с выходами генератора пилообразного напряжения и блока сравнения, а выход - с вторым входом исполнительного блока. При этом стабилизация выходной мощности устройства осуществляется опосредовано путем стабилизации мощности, потребляемой генератором УВЧ, а погрешность получения управляющего сигнала не зависит от степени рассогласования генератора УВЧ с нагрузкой, поскольку цепь обратной связи, формирующей сигнал, не включает в себя элементы ВЧ-тракта. 3 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ УВЧ-ТЕРАПИИ, содержащее генератор УВЧ, выходом связанный с выходной колебательной системой, а входом - с выходом исполнительного блока, задатчик мощности, выход которого подключен к первому входу блока сравнения, отличающееся тем, что в него введены последовательно соединенные генератор пилообразного напряжения и формирователь, датчик потребляемого тока, первым выходом соединенный с первым входом исполнительного блока, второй вход которого соединен с выходом формирователя, при этом второй вход блока сравнения подключен к второму выходу датчика потребляемого тока, а выход - к второму входу формирователя.