治療類儀器設(shè)計原理

1、治療類儀器設(shè)計原理,9.1概述,現(xiàn)代臨床醫(yī)學(xué)對疾病的治療的方法主要有以下幾種： 藥物治療 手術(shù)治療 儀器治療 心理治療,人類對抗疾病的過程分為四個階段，即：預(yù)防、診斷、治療及健康。其中治療除了藥物治療和手術(shù)治療外，各種新的物理治療方法及相應(yīng)的儀器現(xiàn)正發(fā)揮著日益重要的作用。物理治療 (簡稱理療)就是利用熱、光 (包括輻射)、電、磁、聲、機(jī)械等物理能量作用于人體

2、，達(dá)到治療疾病或緩解病痛的目的。 理療在我國有著悠久的歷史。中醫(yī)中的針炙、按摩、拔火罐、熱療、磁療等治療方法至今仍在使用?，F(xiàn)代理療技術(shù)，是伴隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而興起的，不僅出現(xiàn)了利用靜電、交直流電、微波、射頻電磁波、激光、紅外、紫外、超聲波、高能粒子等效應(yīng)的新型物理治療手段和方法，而且給傳統(tǒng)的理療方法注入了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的新內(nèi)容。本章主要介紹利用電、微波、射頻電磁波、超聲波等物理能量的治療用電子儀器。,儀器治

3、療包括手術(shù)治療和非手術(shù)治療。手術(shù)治療是指用激光、高頻電磁波、放射線、微波、超聲等單獨的或配合傳統(tǒng)手術(shù)的治療。而非手術(shù)治療則是用電療、磁療、熱療、放療等宏觀無創(chuàng)的方式進(jìn)行治療。,治療類儀器的設(shè)計原理是基于各種物理因子對人體不同的生理和生物效應(yīng)。,電磁輻射的特點： 根據(jù)近代物理學(xué)的觀點，所有的電磁輻射不僅具有波動性而且具有粒子性。 根據(jù)量子能量的大小，在考慮實際問題中分別考慮波動性和粒子性。

4、 量子能量足夠大的電磁輻射與某種物質(zhì)相作用時，可將其原子或分子中的束縛電子擊出。,電治療類儀器設(shè)計原理,頻率小于1kHz時的電流對人體細(xì)胞的作用主要是以刺激效應(yīng)為主。,神經(jīng)肌肉電刺激治療類儀器應(yīng)用TENS （ Transcutaneous Electrical Nerve Stimulation）療法原理，使用恒流或恒壓、一定頻率的波形施加于人體肌肉組織，在人體肌肉組織中產(chǎn)生電阻性發(fā)熱、神經(jīng)肌肉的電興奮及

5、其他生化反應(yīng)，從而具有解痙鎮(zhèn)痛、消炎、改善血液循環(huán)等療效。此類儀器根據(jù)其電原理又分為許多種類型，有直流電離子導(dǎo)入治療儀、低頻電刺激治療儀、中頻電刺激治療儀、高頻電刺激治療儀、溫?zé)崦}沖電流刺激治療儀、差頻電療儀、電針灸治療儀等。,為了適應(yīng)人體的各生理部位，以及人體的個體差異和病癥不同等特點，電刺激信號的頻率、脈寬、幅度均設(shè)計成有較廣泛的調(diào)節(jié)范圍。為了避免人體組織對電刺激的生理適應(yīng)性反應(yīng)，電刺激信號的波形也設(shè)計成各種各樣，有脈沖波、尖峰波

6、、三角波、鋸齒波、正弦波等，并有多種療程選擇。,低頻電刺激頻率范圍為0~1kHz，中頻范圍為1k~100kHz，高于100kHz屬高頻范圍?，F(xiàn)在電刺激頻率向中高頻發(fā)展，因為中高頻使人體容抗減少，治療電流量增加，不適感減小，但由于中頻電流的周期性會使人產(chǎn)生適應(yīng)性，所以有人設(shè)計出隨機(jī)中頻電刺激治療儀。電針灸治療儀是根據(jù)中醫(yī)針灸原理結(jié)合電刺激的治療儀器，它產(chǎn)生頻率為幾十至幾百Hz的雙向脈沖波，通過針電極刺激人體穴位。有人還研制出專用的（如專治

7、哮喘?。╇娽樉闹委焹x。,此類儀器早期大都采用電子線路控制，功能比較單一?，F(xiàn)在一般采用單片機(jī)控制，功能較多，不但有多檔參數(shù)選擇，而且有刺激參數(shù)顯示。有的儀器還做成治療診斷兩用型的，即不但可用來電刺激治療，而且具有強(qiáng)度-時間曲線檢查和時值測定等診斷功能。,電刺激方式：　　電刺激系統(tǒng)通常由三部分組成：　?。?、脈沖發(fā)生器，產(chǎn)生使神經(jīng)去極化的脈沖序列；　?。病?dǎo)聯(lián)線，把脈沖傳輸?shù)酱碳の恢茫弧　。?、電極，把刺激脈沖安全、有效地傳輸?shù)娇膳d奮組

8、織。,按照電刺激部位，刺激類型可劃分如下：　?。?、表面刺激　　２、經(jīng)皮刺激　　３、植入式刺激,電刺激的生物效應(yīng)： 陽極中斷 刺激的電化學(xué)效應(yīng) 腦組織的刺激與效應(yīng) 周圍神經(jīng)的刺激與效應(yīng) 肌肉組織的刺激與效應(yīng) 電極腐蝕 組織損傷,植入式電子儀器的基本要求：1、植入式電子儀器的封裝要求2、導(dǎo)聯(lián)和電極設(shè)計3、植入是刺激器的安全設(shè)計,治療

9、用電子儀器,電刺激治療儀 心臟除顫器 高頻電刀 微波熱療治癌儀 射頻熱療儀,超聲治療儀 體外沖擊波碎石機(jī)體外反搏裝置 電化學(xué)治癌儀 遠(yuǎn)紅外理療儀,電刺激治療儀,電刺激治療儀利用低頻率、小電流及低電壓的脈沖電流來治療某些類型的疾病。 醫(yī)學(xué)上把頻率從0~1000Hz的脈沖電流稱為,低頻電流，常用的低頻電流波形有三角波、方波 (單向脈沖)、梯形波、正弦波、雙向非對稱脈沖和雙向?qū)ΨQ脈沖。最常用的是雙向?qū)ΨQ或不對稱脈沖。

10、雙向脈沖方向正負(fù)變化，在電極處無電解作用。低頻脈沖電流具有興奮神經(jīng)肌肉組織、促進(jìn)局部血液循環(huán)、鎮(zhèn)痛和消炎等多種生理作用，在臨床理療上用來治療周圍神經(jīng)麻痹、肌肉萎縮、關(guān)節(jié)腫痛、肩周炎、偏癱、肌肉勞損、軟組織損傷、神經(jīng)痛等疾病。,電刺激治療儀的電路結(jié)構(gòu)形式很多，現(xiàn)代的電刺激治療儀都采用微機(jī)控制，由可編程波形發(fā)生器產(chǎn)生各種刺激波形，刺激脈沖的寬度、頻率、幅度以及刺激的起始時間及持續(xù)時間等也都用微機(jī)控制。既可以恒壓輸出又可恒流輸出，恒壓輸出最大

11、可達(dá)±160V，恒流輸出最大可達(dá)±100mA。,上圖是一種電刺激治療儀的電路原理框圖，由單片機(jī)、D/A轉(zhuǎn)換器、可編程定時器、刺激脈沖合成、功率放大器、脈沖變壓器、刺激電流檢測及數(shù)碼顯示、過載保護(hù)等部分組成。,D/A轉(zhuǎn)換器用來控制刺激脈沖的幅度，即微機(jī)向D/A轉(zhuǎn)換器輸出一個數(shù)字量，由D/A轉(zhuǎn)換為與某數(shù)字量成正比的模擬電壓，此模擬電壓的大小就決定了刺激脈沖的幅度?？删幊潭〞r器通過編程產(chǎn)生的脈沖決定刺激脈沖的頻率和寬度。刺

12、激脈沖合成電路將上述信號合成為一定幅度的雙向脈沖送功率放大器。在刺激器的輸出級采用脈沖變壓器，一方面起升壓作用，另一方面起人體安全隔離作用。在變壓器輸出端，接有高頻濾波器，以防止上電和關(guān)電時對病人可能產(chǎn)生的電沖擊。,電流檢測電路的用途是檢測輸出刺激電流的大小，以進(jìn)行恒流輸出反饋控制以及微機(jī)實時顯示刺激電流的實際大小。其原理是在脈沖變壓器輸出回路中串聯(lián)一個測流電阻，在這個電阻上可得到與刺激電流成正比的脈沖電壓信號，此信號經(jīng)光電耦合后送A/

13、D轉(zhuǎn)換器，由微機(jī)實時采集電流大小，再由微機(jī)根據(jù)刺激電流的大小實時調(diào)節(jié)D/A輸出，從而調(diào)節(jié)刺激電流保持恒定，這也就是通過微機(jī)自動控制刺激電流的大小及恒定，而不是采用電流負(fù)反饋電路自動調(diào)節(jié)。另一方面，微機(jī)將電流大小送顯示數(shù)碼管實時顯示。,電流檢測的另一個目的是過載保護(hù)，當(dāng)刺激電流超過一個設(shè)定的安全值時，過載保護(hù)電路會停止刺激脈沖合成電路的輸出，從而保證了由于意外情況對病人造成的傷害。 電刺激治療儀采用光電隔離和變壓器隔離保護(hù)措施，以

14、保證人身的電氣安全。,心臟起搏器 （Pacemaker）,正常狀態(tài)下，由心臟竇房結(jié)產(chǎn)生的興奮傳導(dǎo)到心房，再由心房傳導(dǎo)到心室，引起心臟的搏動。如果由于心臟疾患而使這種傳導(dǎo)受阻 (稱為房室傳導(dǎo)阻滯)，則心搏減緩，進(jìn)而危及生命。心臟起搏器是用一定形式的電脈沖刺激心臟，使之按一定頻率有效地收縮的一種植入式電子裝置。心臟起搏技術(shù)是工程技術(shù)與心臟電生理相結(jié)合形成的一門新科學(xué)。由于對心律失常治療有良好效果，受到人們極大的重視。特別是隨著微電子技術(shù)和微

15、處理器技術(shù)以及新能源的應(yīng)用，近年來心臟起搏器技術(shù)發(fā)展十分迅速。,早在1932年Hyman創(chuàng)制一臺用針刺入心臟起搏的重達(dá)7.2公斤的儀器，命名為人工心臟起搏器以來，這個名稱一直沿用至今。1952年，Zoll創(chuàng)造用脈沖電流經(jīng)胸壁刺激起搏的方法，挽救了32名房室傳導(dǎo)阻滯患者的生命。1958年，F(xiàn)urmam開創(chuàng)心內(nèi)膜電極起搏技術(shù)，同年，由西門子公司安裝了世界第一個埋藏式起搏器 (固定頻率型)，并成功起搏心臟，從此人工心臟起搏技術(shù)進(jìn)入成熟期，并得

16、到迅速發(fā)展。,70年代以來又出現(xiàn)了心房心室順序起博的心臟起搏器，更符合血液動力學(xué)及人體生理要求。之后又出現(xiàn)了植入人體后能被程控儀根據(jù)病人不同需求而改變不同工作參數(shù)的起搏器。隨著臨床醫(yī)學(xué)及電子醫(yī)學(xué)的發(fā)展，80年代后期起搏工業(yè)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。現(xiàn)代的起搏器已經(jīng)具備能根據(jù)病人活動情況自動調(diào)節(jié)起搏頻率；根據(jù)病人起搏閾值自動調(diào)節(jié)能量輸出；起搏器與程控器實現(xiàn)了雙向?qū)嵤┻b測，起搏器不但起到起搏心臟的功能，還可以記錄心臟的活動情況，供醫(yī)生診斷疾病和根

17、據(jù)具體情況調(diào)整起搏參數(shù)時作參考。,隨著起搏器功能的增加，起搏治療適應(yīng)癥也在增加，除了最早用于治療房室傳導(dǎo)阻滯和竇房結(jié)功能不良外，現(xiàn)在起搏器也為心肌病、心衰、房顫、迷走神經(jīng)綜合癥等疾病的治療提供了更多的選擇。同時起搏器的電池的壽命也有了很大的改善，從最初的紐扣電池到鋰碘電池，再加上自動閾值奪獲功能的應(yīng)用，起搏器的使用壽命可達(dá)15年以上。起搏器的體積也越做越小，目前世界上最小的起搏器為圣猶達(dá)St.Jude Medical公司生產(chǎn)，重量只有1

18、2.8g，體積5.9立方厘米，如一枚一元硬幣。我國從1976年開始研制起搏器，至今可以生產(chǎn)鋰電池作能源、鈦鋼全密封、厚膜電路按需型埋藏式心臟起搏器。,心臟起搏器的類型有：⑴固定頻率型 (早期產(chǎn)品)，⑵P波同步型 (早期產(chǎn)品)，⑶心室同步型，⑷房室順序型，⑸全自動型，其中⑵、⑶、⑷種又稱按需型。全自動型可根據(jù)心臟的工作情況自動選擇和更換發(fā)送脈沖的方式，其性能已經(jīng)與人體心臟生理要求相接近，可自動抗心律失常，自動抑制心動過速的多余沖動，又能在

19、正常時自動關(guān)閉。,隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，人工心臟起搏領(lǐng)域的新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，人工心臟起搏的適應(yīng)證也不斷拓寬。雙心房起搏適宜于伴有房內(nèi)阻滯的陣發(fā)快速房性心律失?；颊撸芷鸬街委熀蜏p少房性心律失常發(fā)作的效果。雙心室起搏應(yīng)用于充血性心力衰竭伴有室內(nèi)阻滯的患者，通過置入冠狀靜脈竇電極至血管分叉處來實現(xiàn)左室起搏。目前，多部位心臟起搏方式在國內(nèi)剛剛起步，其遠(yuǎn)期療效和預(yù)后以及并發(fā)癥等尚需進(jìn)一步觀察和研究。臨床上應(yīng)嚴(yán)格掌握適應(yīng)證。新型的可感知情緒變化的

20、閉環(huán)頻率反應(yīng)起搏器具有感知體力和情緒變化而自動進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)的功能，是更能滿足生理的頻率反應(yīng)起搏器。,對心臟起搏器的質(zhì)量要求是極高的，要求其工作要極端地可靠。其中關(guān)鍵的技術(shù)問題一是材料問題，它的電極、導(dǎo)線及外殼材料不能與肌肉組織發(fā)生有害化學(xué)反應(yīng)；二是電池壽命問題，電池壽命也就是起搏器的壽命，一定要長壽命。現(xiàn)在使用鋰電池，壽命可達(dá)8~10年；三是體積盡可能要小，可使用大規(guī)模集成電路以縮小體積，現(xiàn)在其厚度可達(dá)10～16mm，重量僅40～60克

21、；四是控制技術(shù)，一般采用微處理器，進(jìn)行按需式程序控制。,心臟除顫器,心臟除顫器是一種能將脈沖電流輸入心臟，以消除心臟顫動，使之恢復(fù)竇性心律的近代醫(yī)療電子儀器。心臟發(fā)生纖維性顫動 (分心房纖維性顫動和心室纖維性顫動，簡稱房顫和室顫)，特別是發(fā)生室顫時非常危險，不及時搶救就會死亡。而一種有效的搶救方法就是對心臟進(jìn)行電除顫 (defibrillation)。心臟起搏與心臟除顫的區(qū)別是：后者除顫時將一次瞬時高能脈沖作用于心臟，一般持續(xù)時間是4~

22、10ms，電能在40~400焦耳（瓦·秒）內(nèi)。,心臟除顫器的原理是利用LC電路進(jìn)行高壓直流充放電。高壓發(fā)生器能將+l5V的低電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?.5kV~6kV的直流高壓。經(jīng)過高壓繼電器,K的常閉觸頭向高壓電容器C充電。對病人除顫時，一個電極放在胸前胸骨部位，另一個放在胸前心尖部位，醫(yī)生按下放電按鈕，高壓繼電器K動作，使放電的一對觸頭閉合，電容C中的電荷迅速通過電感線圈L和兩個電極在人的心臟區(qū)域作短時間的放電，給心臟一個大電流刺激。這

23、樣，往往可以糾正室顫，使心臟恢復(fù)正常跳動。,除顫器的電源用交流電或直流電(鎳鎘蓄電池)。高壓發(fā)生器將交流電整流濾波后所得的+l5V直流電或蓄電池的+l5V直流電通過DC/DC(直流/直流)變換電路變成直流高電壓，即將+l5V直流電通過電子開關(guān)變?yōu)榻蛔兠}沖電壓，再通過升壓變壓器升壓，并經(jīng)高壓整流后變成直流高壓，向高壓電容器C充電。因為除顫器是非常重要的搶救用儀器，所以現(xiàn)代除顫器大多是便攜式和交直流兩用的，內(nèi)有鎳鎘可充電電池，平常充電或一直

24、處于充足電狀態(tài)，以便隨時急用。,除顫器對人體放電是用能量 (單位：焦耳)來計量的。醫(yī)生根據(jù)病情決定用多少能量并可以調(diào)節(jié)。除顫器的能量有兩種表示方法：一是電容器貯存能量，二是傳遞能量。傳遞能量是貯存能量經(jīng)電路損耗后實際給人體的能量。貯存能量由下式?jīng)Q定：（焦耳），其中C是高壓電容器的電容值，一般取16~30μF，U是電容器的充電電壓，最大值一般為3.5kV~6.0 kV。W一般最大為400焦耳。貯存能量用并聯(lián)在高壓電容器兩端的能量計來測量。

25、傳遞能量一般為貯存能量的80%，最大為320焦耳。,電容器放電時的峰值電流很大，約幾十安培，電流脈沖寬度一般在幾個ms之內(nèi)。在電容器C的放電回路中串聯(lián)一個電感線圈L，其作用是為了得到一個單次的大電流脈沖，而峰值電流又受到限制而不致過大。,現(xiàn)代除顫器上還有心電監(jiān)護(hù)儀部分，心電測量電極與除顫電極共用，心室除顫后立刻可以看到心電波形，判斷病人是否轉(zhuǎn)復(fù)。心電監(jiān),護(hù)的另一個用途是使除顫脈沖的釋放與心電R波同步，以保證除顫的安全和療效。這是因為房顫

26、的病人還有心電波形和節(jié)律，這時就不允許隨便什么時刻除顫，因為如果除顫脈沖恰好打在心電T波上（易激期），會引起心室纖顫而有致命危險，所以除顫脈沖只允許落在R波下降沿。因此，除顫脈沖在心電監(jiān)護(hù)電路檢測到R波的下降沿時才立刻釋放，這就稱為R波同步除顫 。,7.3 高頻電刀,高頻電刀(High-Frequency Electrotome )（高頻手術(shù)器）是一種新型的取代機(jī)械手術(shù)刀進(jìn)行組織切割的電外科器械。它通過電極 (電刀筆和敷肌板)將高頻電流

27、送入人體，在電刀筆下的局部組織中形成高密度電流，從而使局部產(chǎn)生高熱而達(dá)到切割和凝結(jié)兩種電外科效果。使用高頻電刀切口小，可以減少流血甚至做到不流血，目前已得到廣泛應(yīng)用。,高頻電刀自1920年應(yīng)用于臨床至今，已有70多年的歷史了，經(jīng)歷了火花塞放電—大功率電子管—大功率晶體管—大功率MOS管四代的變更。隨著計算機(jī)技術(shù)的普及應(yīng)用和發(fā)展，目前，高性能的單片機(jī)廣泛應(yīng)用在高頻電刀的整機(jī)控制中，實施了對各種功能下功率波形、電壓、電流的自動調(diào)節(jié)，各種安全

28、指標(biāo)的檢測，以及程序化控制和故障的檢測及指示。因而大大提高了設(shè)備本身的安全性和可靠性，簡化了醫(yī)生的操作過程。國內(nèi)60年代就出現(xiàn)了電子管式和火花放電式高頻電刀，90年代出現(xiàn)了采用先進(jìn)的VMOS場效應(yīng)功率管的高頻電刀。,高頻電刀由主機(jī)和電極 (電刀筆、敷肌板)兩部分組成。主機(jī)由振蕩器、調(diào)制器、功率放大、單片機(jī)控制等電路組成。振蕩器頻率一般采用 500KHz正弦波，調(diào)制頻率采用25KHz方波，有25%~50%的占空比。功率放大器采用VMOS場

29、效應(yīng)功率管，電切 (純切)時輸出開路電壓要求為3000V，最大輸出功率 300W，電凝時輸出開路電壓要求為7000V，最大輸出功率120W。單片機(jī)控制輸出功率的大小，并有按鍵選擇及數(shù)碼管顯示輸出功率的大小，而且還有安全保護(hù)功能。,現(xiàn)代高頻電刀在電刀筆頭處通以氬氣，以獲得特殊的凝血效果，這類儀器叫氬氣高頻電刀。 高頻電刀具有電切 (純切、混切)、電灼、電凝 (單極電凝、雙極電凝)等功能。根據(jù)不同的手術(shù)需要，設(shè)定不同的輸出功率。

30、適用于普通外科、心臟外科、泌尿外科、婦科等手術(shù)。,7.4 微波熱療治癌儀,手術(shù)、放療、化療及免疫治療是常用的治療惡性腫瘤的四種方法，但仍有約1/3的患者由于腫瘤得不到控制而死亡。20世紀(jì)90年代以來，又有了一種新的治療方法——熱療，可以將癌癥治愈率提高，已迅速成為癌癥治療的第五種方法。 熱療有多種透熱方法，有射頻療法、激光療法、超聲波療法以及微波療法等。目前在我國使用較多的是微波療法。,加熱治癌的機(jī)理為：微波等各

31、種輻射波都具有穿透能力。癌細(xì)胞富含水分，微波等各種輻射波照射到癌組織后被吸收并轉(zhuǎn)化成熱能，當(dāng)癌腫區(qū)被加熱到41.5~43℃時，即可抑制癌細(xì)胞核糖核酸 (RNA) 和脫氧核糖核酸 (DNA)的合成，導(dǎo)致癌細(xì)胞死亡。熱療時，正常組織也受到不同程度的加熱，但因正常組織血液循環(huán)加速，使得組織內(nèi)熱量消散。而癌細(xì)胞本身的低氧張力使其pH值略低，而pH值低的細(xì)胞對熱敏感，因此癌部溫度升高，且體內(nèi)血液循環(huán)相對較差，也使癌腫區(qū)局部溫度升高。,微波熱療治癌

32、儀的組成包括以下四部分：微波源、輻射器、測溫及微機(jī)控制。微波源是微波熱療儀的關(guān)鍵部件。使用頻率一般為915MHz和2450MHz兩種。工作頻率與透熱深度成反比，即工作頻率升高，加熱深度變淺。915MHZ的微波穿透深度可達(dá)5～7c㎝。微波源的功率大小可根據(jù)腫瘤情況及加熱方式 (體內(nèi)、體外)的不同而合理選擇，儀器功率范圍一般為10～40W。微波源有普通微波源和固態(tài)微波源兩種。普通微波源采用磁控管或金屬陶瓷三、四極管微波器件；固態(tài)微波源采用微

33、波固態(tài)器件。為了適應(yīng)不同方式和加熱的需要，一臺儀器中往往采用多個微波源器件，即可分源使用，又可合成使用。,磁控管組成及工作原理： 微波能量是由微波發(fā)生器產(chǎn)生的，微波發(fā)生器包括微波管和微波管電源兩個部分。其中微波管電源（簡稱電源或微波源）的作用是把常用的交流電能變成直流電能，為微波管的工作創(chuàng)造條件。微波管是微波發(fā)生器的核心，它將直流電能轉(zhuǎn)變成微波能。,磁控管是一種用來產(chǎn)生微波能的電真空器件。實質(zhì)上是一個置于恒定磁場中的

34、二極管。管內(nèi)電子在相互垂直的恒定磁場和恒定電場的控制下，與高頻電磁場發(fā)生相互作用，把從恒定電場中獲得能量轉(zhuǎn)變成微波能量，從而達(dá)到產(chǎn)生微波能的目的。,磁控管由管芯和磁鋼（或電磁鐵）組成。管芯的結(jié)構(gòu)包括陽極、陰極、能量輸出器和磁路系統(tǒng)等四部分。管子內(nèi)部保持高真空狀態(tài)。,1 陽極 陽極是磁控管的主要組成之一，它與陰極一起構(gòu)成電子與高頻電磁場相互作用的空間。在恒定磁場和恒定電場的作用下，電子在此空間內(nèi)完成能量轉(zhuǎn)換的任務(wù)。磁控管的陽

35、極除與普通的二極管的陽極一樣收集電子外，還對高頻電磁場的振蕩頻率起著決定性的作用。,陽極由導(dǎo)電良好的金屬材料（如無氧銅）制成，并設(shè)有多個諧振腔，諧振腔的數(shù)目必須是偶數(shù)，管子的工作頻率越高腔數(shù)越多。陽極諧振腔的型式常為孔槽形、扇形和槽扇型，陽極上的每一個小諧振腔相當(dāng)于一個并聯(lián)的2C振蕩回路 。,由微波技術(shù)理論可知，諧振腔的諧振頻率與腔體的幾何尺寸成反比。腔體越大其工作頻率越低。于是，我們可以根據(jù)腔體的尺寸來估計它的工作頻段。磁控管的陽極由

36、許多諧振腔耦合在一起，形成一個復(fù)雜的諧振系統(tǒng)。這個系統(tǒng)的諧振腔頻率主要決定于每個小諧振腔的諧振頻率，我們也可以根據(jù)小諧振腔的大小來估計磁控管的工作頻段。,磁控管的陽極諧振系統(tǒng)除能產(chǎn)生所需要的電磁振蕩外，還能產(chǎn)生不同特性的多種電磁振蕩。為使磁控管穩(wěn)定的工作在所需的模式上,常用“隔型帶”來隔離干擾模式.隔型帶把陽極翼片一個間隔一個地連接起來,以增加工作模式與相鄰干擾模式之間的頻率間隔。 另外,由于經(jīng)能量交換后的電子還具有一定的

37、能量,這些電子打上陽極使陽極溫度升高,陽極收集的電子越多(即電流越大),或電子的能量越大(能量轉(zhuǎn)換率越低),陽極溫度越高,因此,陽極需有良好的散熱能力.一般情況下功率管采用強(qiáng)迫風(fēng)冷,陽極帶有散熱片.大功率管則多用水冷,陽極上有冷卻水套。,2 陰極及其引線 磁控管的陰極即電子的發(fā)射體,又是相互作用空間的一個組成部分。陰極的性能對管子的工作特性和壽命影響極大，被視為整個管子的心臟。 陰極的種類很多，性能各異。連

38、續(xù)波磁控管中常用直熱式陰極，它由鎢絲或純鎢絲繞成螺旋形狀，通電流加熱到規(guī)定溫度后就具有發(fā)射電子的能力。這種陰極具有加熱時間短和抗電子轟擊能力強(qiáng)等優(yōu)點，在連續(xù)波磁控管中得到廣泛的應(yīng)用。,此種陰極加熱電流大，要求陰極引線要短而粗，連接部分要接觸良好。大功率管的陰極引線工作時溫度很高，常用強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱。磁控管工作時陰極接負(fù)高壓，因此引線部分應(yīng)有良好的絕緣性能并能滿足真空密封的要求。為防止因電子回轟而使陽極過熱，磁控管工作穩(wěn)定后應(yīng)按規(guī)定降低陰極

39、電流以延長使用壽命。,3 能量輸出器 能量輸出器是把相互作用空間中所產(chǎn)生的微波能輸送到負(fù)載去的裝置。能量輸出裝置的作用是無損耗，無擊穿地通過微波，保證管子的真空密封，同時還要做到便于與外部系統(tǒng)相連接。小功率連續(xù)波磁控管大多采用同軸輸出在陽極諧振腔高頻磁場最強(qiáng)的地方。放置一個耦合環(huán)，當(dāng)穿過環(huán)面的磁通量變化時，將在環(huán)上產(chǎn)生高頻感應(yīng)電流，從而將高頻功率引到環(huán)外。耦合環(huán)面積越大耦合越強(qiáng)。,大功率連續(xù)波磁控管常用

40、軸向能量輸出器，輸出天線通過極靴孔洞連接到陽極翼片上。天線一般做成條狀或圓棒也可為錐體。整個天線被輸出窗密封。 輸出窗常用低損耗特性的玻璃或陶瓷制成。它不須保證微波能量無損耗的通過和具有良好的真空氣密性。大功率管的輸出窗常用強(qiáng)迫風(fēng)冷來降低由于介質(zhì)損耗所產(chǎn)生的熱量。,4 磁路系統(tǒng) 磁控管正常工作時要求有很強(qiáng)的恒定磁場，其磁場感應(yīng)強(qiáng)度一般為數(shù)千高斯。工作頻率越高，所加磁場越強(qiáng)。磁控管的磁路系統(tǒng)就是產(chǎn)生恒定磁場的裝置。磁路系

41、統(tǒng)分永磁和電磁兩大類。永磁系統(tǒng)一般用于小功率管，磁鋼與管芯牢固合為一體構(gòu)成所謂包裝式。大功率管多用電磁鐵產(chǎn)生磁場，管芯和電磁鐵配合使用，管芯內(nèi)有上、下極靴，以固定磁隙的距離。磁控管工作時，可以很方便的靠改變磁場強(qiáng)度的大小，來調(diào)整輸出功率和工作頻率。另外，還可以將陽極電流饋入電磁線包以提高管子工作的穩(wěn)定性。,輻射器的作用是將微波能集中在一定范圍內(nèi)，而且能有效地輻射到所需加熱區(qū)，而對健康組織少升溫或不升溫。根據(jù)加熱方式的不同，有各種形狀的輻

42、射器。體外加熱用的有圓形和方形；體內(nèi)加熱用的有桿形直腸輻射器、棒狀頸輻射器、尿道輻射器、食道輻射器、鼻腔輻射器等；而組織間加熱使用針狀輻射器；聚焦式加熱輻射器則將多個輻射器分布在一個圓周上，腫瘤位置置于圓周中心，即各個輻射器的焦點上，這樣可以集中加熱。,測溫在任何方式的熱療中是必須的。目前臨床上是采用半導(dǎo)體熱敏電阻或熱電耦等測溫元件置于腫瘤中心，為有創(chuàng)的或少創(chuàng)的；為避免微波的干擾，測溫要采用間斷式的，即在測溫瞬間停止微波輸出。當(dāng)然，最好

43、的方法是無損測量溫度和連續(xù)測量，目前無損測溫方法是研究的前沿課題，有的方案采用微波輻射測量技術(shù)，有的方案采用XCT或MRI斷層成像中腫瘤形狀的改變及組織密度的改變，從而找到與溫升之間的關(guān)系，有的采用輻射計、光纖測溫裝置等。 微波熱療儀都采用計算機(jī)控制，對加熱溫度進(jìn)行自動測量控制?？刂撇糠峙c微波源采取分立式，即微波源與治療床放在屏蔽室內(nèi)，以防微波的泄漏對操作人員造成損害。,實際的招標(biāo)標(biāo)書內(nèi)容：

44、 微波治療儀1. 投標(biāo)產(chǎn)品應(yīng)具有體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，有較好的抗震性能和較寬的電壓適用范圍。2. 工作頻率：2450MHZ±50MHZ3. 整機(jī)額定輸出微波功率不大于250W4. 具有微波輸出控制裝置，輸出范圍1—100W5. 輻射器輸入端電壓駐波比不大于2,6. 數(shù)字顯示治療時間長短可以設(shè)置，精度為±1秒鐘，數(shù)字顯示理療時間精度為±0.1分鐘。7. 微波輸出功率和治療時間可預(yù)先設(shè)

45、置。8. 儀器在電源中斷或復(fù)位后，需重新起動工作程序，否則儀器無微波功率輸出9. 微波泄漏不超過2MW/C￠T，無泄漏電磁波。10. 輻射器帶有不粘連組織，每臺儀器配有九只不同形狀的輻射器。配置：治療探頭7只；腔內(nèi)輻射器1件；理療架1個；腳踏開頭1只；多功能豪華推車1臺,射頻熱療儀,射頻熱療儀是繼微波熱療儀之后發(fā)展起來的一種新的熱療儀器，它利用射頻電磁波作為熱源，其治療深度比微波大，微波僅能對淺表腫瘤 (2~3cm)加熱，而射頻

46、最深可達(dá)25cm。射頻加熱將人體的肌肉組織作為導(dǎo)體，通過兩個電極將射頻信號導(dǎo)入人體，人體內(nèi)就會產(chǎn)生焦耳熱，不同的組織和不同的血運(yùn)情況，產(chǎn)生的焦?fàn)枱嵋膊煌?1.射頻熱療治癌儀 射頻熱療治癌儀，采用8MHz頻率，射頻功率1500W，可加熱任何深部和大小的腫瘤。儀器采用計算機(jī)控制和精密的測溫方法，測溫精度達(dá)士0.2℃，并使用CT掃描圖像制定治療計劃，治療過程中用CT掃描顯示加熱分布情況，由計算機(jī)控制完成治療計劃、溫度

47、控制和功率輸出等。,2.射頻前列腺治療儀 射頻前列腺治療儀是利用射頻熱源專門治療前列腺肥大疾病的。這種儀器采用200KHz射頻電磁波，射頻功率源采用高功率VMOS管，輸出功率10～50W。3.射頻消融儀 射頻消融儀利用500KHz的射頻電磁波，通過心導(dǎo)管將射頻能量釋放于心臟的異常心電傳導(dǎo)組織上，使其局部組織加熱，細(xì)胞內(nèi)水分蒸發(fā)、干燥、固縮以致壞死。將房室結(jié)或房室旁道消融，用于治療室上性心律失常。,超聲治

48、療儀,利用超聲反射回波信息成像的B超及多普勒超聲診斷儀器已廣泛應(yīng)用于臨床。利用超聲的另外一些特殊性能，如超聲波傳播的方向性較強(qiáng)，介質(zhì)質(zhì)點振動的加速度很大，在液體中會產(chǎn)生“空化效應(yīng)”，聲波聚焦后可產(chǎn)生局部高溫等，可以制成各種治療儀器。常用的有超聲熱療治癌儀、超聲手術(shù)刀、白內(nèi)障超聲乳化儀等。,1.超聲聚焦熱療治癌儀,超聲熱療治癌儀利用聚焦原理，36塊壓電晶體置于半球形盤內(nèi)，由同步電子發(fā)生器同時向每塊壓電晶體發(fā)激勵脈沖，36塊壓電晶體產(chǎn)生的超

49、聲波通過探頭與皮膚之間的水囊,介質(zhì)聚焦于體內(nèi)位于球心 (焦點)處的腫瘤位置上，用B超進(jìn)行腫瘤定位。焦斑區(qū)可產(chǎn)生大于80℃的瞬間高溫和空化效應(yīng)，這兩者可引起蛋白質(zhì)變性和細(xì)胞結(jié)構(gòu)的改變，從而使腫瘤細(xì)胞壞死。超聲聚焦治癌技術(shù)不需要切割皮膚，治療深度可達(dá)15cm，而且還由于焦斑處為瞬時高溫形成，無明顯熱擴(kuò)散，克服了射頻和微波難以對局部深層組織升溫，以及干擾溫度測控的缺點。,2.超聲手術(shù)刀,超聲手術(shù)刀是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種新型手術(shù)儀器。

50、它利用超聲波作用于人體組織的三大效應(yīng)，即碎裂效應(yīng)、空化效應(yīng)和止血效應(yīng)，切開或碎裂人體組織，具有選擇性碎裂、損傷小、精度高、能止血等獨特的優(yōu)點。超聲手術(shù)刀不同于高頻電刀、微波手術(shù)刀、激光手術(shù)刀等，它不產(chǎn)生焦痂、煙霧和焦味。,碎裂效應(yīng)是由聲輻射頭發(fā)射的超聲波振動加速度達(dá)到切割閾值 (50000g，g為重力加速度)時，輻射頭輻射出大量的聲微波，促使生物組織碎裂。碎裂效應(yīng)主要體現(xiàn)于骨科精細(xì)手術(shù)。空化效應(yīng)是對于含水量較多的組織，如腦瘤、肝腫瘤等，

51、超聲波在其中產(chǎn)成大量氣泡，這些氣泡的內(nèi)外壓差可達(dá)數(shù)千巴。大量氣泡的爆裂使周圍的組織乳化成乳膠體，以便使用負(fù)壓吸引器吸出，使手術(shù)視野清晰。止血效應(yīng)是超聲波能使生物組織脫水，導(dǎo)致微血管收縮，達(dá)到止血目的。,超聲手術(shù)刀的主要組成部分包括：超聲發(fā)生器、換能器、超聲輻射頭 (手術(shù)刀)、手動與自動控制系統(tǒng)及自動故障診斷保護(hù)系統(tǒng)、負(fù)壓吸引器和沖洗器。換能器采用壓電陶瓷換能器，工作頻率分別為23KHz和30KHz。碎裂效應(yīng)使用23KHz，空化效應(yīng)使用3

52、0KHz，輸出功率100W。超聲輻射頭做成各種形狀，以滿足不同手術(shù)需要。超聲手術(shù)刀可進(jìn)行多種外科手術(shù)，如眼科手術(shù)、腦腫瘤、肝腫瘤、截肢及腹腔鏡手術(shù)等。,體外沖擊波碎石機(jī),體外沖擊波碎石機(jī)是應(yīng)用聚焦技術(shù)，通過介質(zhì)將體外產(chǎn)生的沖擊波 (或連續(xù)超聲波)傳入體內(nèi)，將人體深部的結(jié)石 (如腎結(jié)石、尿道結(jié)石、膽道結(jié)石)震碎，然后自然排出體外。 根據(jù)沖擊波產(chǎn)生的原理不同，體外沖擊波碎石機(jī)可分為⑴液電式；⑵電磁式；⑶壓電式；⑷聚能激光式

53、；⑸微爆炸式等。國內(nèi)產(chǎn)品主要是液電式。,液電式?jīng)_擊波碎石通過X射線機(jī)或B超定位，由位于半橢球反射體的第一焦點(F1)處的水下火花放電產(chǎn)生的沖擊波，經(jīng)半橢球反射體反射并經(jīng)水囊介質(zhì)進(jìn)入人體，聚焦于反射體的第二焦點 (F2)處，被精確定位于第二焦點處的結(jié)石被聚焦的高能量密度的沖擊波所粉碎。,體外沖擊波碎石機(jī)的系統(tǒng)由以下部分組成： 1. 沖擊波發(fā)生器 沖擊波發(fā)生器由高壓脈沖發(fā)生器及水下放電電極組成。高壓脈沖發(fā)生器采用高

54、壓電 容充放電原理，充電電壓約1.8~2.5萬伏，由高壓開關(guān)管控制在1μs內(nèi)的瞬間放電，引起水的爆發(fā)性汽化，產(chǎn)生瞬間壓力達(dá)1000巴的沖擊波。,2.水囊介質(zhì) 由于水與人體組織具有相似的聲學(xué)特性，所以用去氣軟水作為傳導(dǎo)介質(zhì)，并有水循環(huán)去氣泡及加溫裝置。 3.結(jié)石定位系統(tǒng) 由兩個成一定角度的X線電視系統(tǒng)或由一個可旋轉(zhuǎn)的X線電視系統(tǒng)對結(jié)石進(jìn)行定位；有的碎石機(jī)采用X線機(jī)和B超聯(lián)合定位，用B超定位

55、可實時監(jiān)視結(jié)石的粉碎過程。,4.計算機(jī)控制系統(tǒng) 計算機(jī)控制結(jié)石定位、電極間隙、X光曝光時間和劑量，控制X線圖像的數(shù)據(jù)采集、存儲，控制水處理系統(tǒng)以及打印病例報告等。 5.心電、呼吸監(jiān)護(hù)系統(tǒng)及同步觸發(fā) 碎石治療過程要經(jīng)過幾百次至上千次的放電，所以需要心電、呼吸監(jiān)護(hù)系統(tǒng)來監(jiān)護(hù)患者的生理狀態(tài)。放電的發(fā)生要采用心電R波同步觸發(fā)，這樣可減少心臟的并發(fā)癥。 6.治療床及運(yùn)動控制系統(tǒng) 控制床體的運(yùn)動

56、狀態(tài)。,體外反搏裝置,體外反搏技術(shù)利用壓縮空氣囊在體外進(jìn)行加壓以改善內(nèi)臟供血，對冠心病、腦血管疾病及其他內(nèi)臟的退行性疾病有顯著療效。體外反搏裝置一般由壓縮空氣機(jī)、反搏氣囊 (分上肢氣囊、下肢氣囊及軀干氣囊等)、心電監(jiān)護(hù)及同步系統(tǒng)、計算機(jī)控制系統(tǒng)等組成。體外加壓要與心臟舒張期同步。體外反搏技術(shù)可以改善內(nèi)臟供血的機(jī)制還要進(jìn)行更深入的驗證。,電化學(xué)治癌儀,電化學(xué)治療惡性腫瘤 (Eectrochemotherapy for Malignant

57、tumors，ECT)，簡稱“電化療”，是利用電解的化學(xué)作用殺傷癌變組織的一種治癌方法，其開創(chuàng)人是瑞典放射學(xué)專家Nordenstron。1978年，他首先用電化療法成功地醫(yī)治人體轉(zhuǎn)移性肺癌。,電化學(xué)治癌儀的治療方法及基本原理是：將兩支 (或多支)鉑針電極插入腫瘤組織中，并接通直流電源。因為人體組織中的間隙液是以氯化鈉 (NaCl)等為主的電解質(zhì)溶液，當(dāng)外加直流電壓達(dá)到分解電壓（3V）時，腫瘤及其周圍地區(qū)就發(fā)生電解化學(xué)反應(yīng)，在正電極區(qū)產(chǎn)生

58、次氯酸根 (ClO－)和氯酸根 (ClO3-)，在負(fù)電極區(qū)產(chǎn)生NaHO。次氯酸根和氯酸根都是極強(qiáng)的氧化劑，能破壞癌細(xì)胞組織，而且電解作用使正負(fù)電極區(qū)的pH值發(fā)生劇烈變化，正電極區(qū)為2.0～2.1，負(fù)電極區(qū)為12～14，這種pH值的劇變導(dǎo)致酶、蛋白質(zhì)凝聚、失活，癌細(xì)胞被殺死。,電化學(xué)療法主要治療淺表腫瘤如皮膚癌、乳腺癌、甲狀腺癌，也能治療體內(nèi)的肺癌。目前的技術(shù)關(guān)鍵是電流劑量學(xué)的研究，以及合理的治療條件和方法的研究。,遠(yuǎn)紅外理療儀,遠(yuǎn)紅外理

59、療儀是我國醫(yī)療保健儀器中的熱門，由于其治療和保健范圍寬，使用方便且價格較低，目前已進(jìn)入家庭。遠(yuǎn)紅外理療儀的輻射源由陶瓷材料 (管狀或板狀)作為基底，然后涂上紅外涂料燒結(jié)而成。通電后基板(或管)被加熱到200～400℃，使紅外材料受激而輻射紅外能量。遠(yuǎn)紅外理療儀采用匹配輻射原理，即根據(jù)人體生物組織的不同吸收頻譜，選擇其相應(yīng)的輻射源，從而獲得最佳吸收效果。一般它的紅外波長比普通的紅外線治療儀要長。功率峰值偏向中遠(yuǎn)紅外段，在4～7μm左右。,

60、臨床實驗及使用表明，遠(yuǎn)紅外理療儀對燒傷消炎、鎮(zhèn)痛解痙、凍瘡治療、關(guān)節(jié)炎、皮膚潰瘍等疾病有顯著的療效和保健作用。其治療機(jī)理還有待于進(jìn)一步研究。,,,激光治療儀,1、激光產(chǎn)生的原理 激光（laser)是受激輻射光放大（light amplification by stimulated emisstion for radiation)的縮寫。 原子可能具有的能量是分立和不連續(xù)的。根據(jù)原子能量狀態(tài)的不同，可以將其分為許多不同的

61、能級。,以二能級系統(tǒng)為例光子與物質(zhì)粒子作用的過程是：（1）、受激吸收（2）、自發(fā)輻射（3）、受激輻射（4）、粒子數(shù)反轉(zhuǎn),為了實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須滿足兩個條件: 工作物質(zhì)結(jié)構(gòu)，應(yīng)具有壽命較長的較高能級。 對工作物質(zhì)施加外來能源的激勵，將大多數(shù)粒子由基態(tài)激發(fā)到高能級。,為實現(xiàn)激光輸出，還需要光學(xué)反饋裝置，這就是光學(xué)諧振腔。諧振腔由兩塊兩快光學(xué)反射鏡組成，其中一塊是全反射透鏡，另一

62、塊為部分反射鏡。工作物質(zhì)置于中間。沿兩鏡面公共法線方向往返行進(jìn)的光，多次通過工作物質(zhì)，經(jīng)多次放大，逐漸增強(qiáng)，由部分反射鏡透射出來的震蕩光就是激光。,激光的基本特性： （1）、方向性強(qiáng) （2）、單色性好 （3）、亮度高 （4）、相干性好,激光器的類型和基本組成： 激光器就是一個射線發(fā)生器。發(fā)生器的主要構(gòu)件是激勵源和諧振腔，腔內(nèi)有光發(fā)射媒介物（工作物質(zhì)），以及可以提供媒介發(fā)射射線反饋的反射鏡。 根據(jù)不

63、同的工作物質(zhì)，激光器可分為氣體、固體、液體、半導(dǎo)體等類型。,生物醫(yī)學(xué)激光束的傳輸： 光纖 光學(xué)傳輸臂,激光的生物效應(yīng)：1、熱效應(yīng)2、光化效應(yīng)3、壓強(qiáng)效應(yīng)4、電磁場效應(yīng)5、生物刺激效應(yīng),臨床常用的生物醫(yī)學(xué)激光的特點: 四種激光器在臨床生物醫(yī)學(xué)中獲得廣泛應(yīng)用，用來切除、切碎和凝結(jié)軟組織。其中兩種為氣體激光器：二氧化碳和氬離子激光器。另外兩種為固體激光器：Nd:YAG激光器，鎵-鋁砷化物（GaAlAs)半導(dǎo)體二極管激