专利名称：一种相控阵微波能量传送装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种利用相控阵天线进行微波能量传送的相控阵微波能量传送装置。该装置能够用于微波能量定向传送、微波CT检测、微波热疗等领域。
背景技术：
对人体器官或生物组织进行检测的方法通常有X射线检测、核磁共振检测、超声检测等。利用相控阵天线进行检测的技术也已存在；美国专利4，528，854公开了一种用于超声诊断装置的相控阵接收器，用于从接受超声波的传感器元件来改变输出电压的相位，并合成这些电压来改变超声波的方向和其他特性。但此装置由于大的不连续性限制了超声波成像的效率。微波检测主要是以微波作为信息载体，利用生物组织中的生物电磁特性(介电常数，电导率等)进行图像重构。由于介电常数大小与生物组织含水量密切相关，故微波成像非常适合对生物组织成像，获得其它成像手段无法获得的信息。微波成像具有安全、成本低、理论上可对温度变化进行成像等特点。此外，利用现有的检测成像技术，大多只能重构出二维图像，在目标组织定位方面仍然存在偏差，无法测出目标组织的深度。利用微波对人体或生物组织进行加热治疗已有应用。在传统的热疗技术中，对深层组织进行高温治疗可能造成表皮组织灼伤，因此，如何对深层的组织进行加热而不伤及表皮组织或其他组织，是一个具有挑战性的课题。中国专利ZL90106492.0公开了一种微波透热法以及装置，它是根据微波功率密度的规律，在现有贴近式透热法的基础上，将微波辐射器的口面离开人体被透热部位表皮15-70cm的距离，同时，在微波辐射器口面前加一聚焦装置，并加大微波电源的输出功率，且连续输出功率。该方法与装置能较好地解决透热深度浅、表皮易灼伤、加热不均匀等问题。但是，该装置不能对生物组织加热的情况进行实时地监控，也无法调节聚焦深度，入射角度和发射功率，因此不能达到有效的加热治疗效果。此外，现有的加热微波源 大都采用单频率进行加热，而目标组织细胞(例如，肿瘤细胞)在一段时间后容易适应此频率，从而达不到有效灭活的治疗效果。其次，近年来，非热效应的应用已经引起越来越多的关注。而市场上鲜有能够同时进行热疗和非热治疗的设备。生物组织在接受微波低强度、长时间辐射或高强度脉冲式辐射后，体温虽未发生明显上升但也会产生一系列生物学效应称之为非热效应，非热效应所需的辐射功率大大低于热效应所需的功率水平。微波非热效应的作用机制从物理学、生物医学两个角度来看大致包括跨膜离子回旋谐振理论、粒子对膜的穿透理论、生物系统相干电振荡理论、细胞电信号转导理论等等。微波脉冲对细胞膜的作用可以改变跨膜电位使其发生细胞膜的可逆或不可逆性穿孔，使平时受到细胞膜限制进入的抗癌药物大量进入细胞内，降低了化疗药物的用量，降低了抗癌药物对人体的毒副作用。微波可以切断DNA、影响细胞内第二信使的含量、影响线粒体的功能诱导细胞凋亡。微波辐射癌病灶可以刺激患者免疫调节系统，增强NK细胞、T淋巴细胞和巨噬细胞的细胞免疫力。此外，现有的微波测温技术普遍是利用传感器进行的有损测量，例如利用半导体热敏电阻作为测温探头的测温装置，其不能够进行有效的深层测温，只能测量表皮温度，并且该测温方法会对人体造成损伤，患者要承受较大的痛苦，容易使伤口感染。中国专利CN100475288C公开了一种单极相控阵列高温治疗加热装置，该装置利用位于患者身体表面的温度传感器来测量患者体表温度。但该测温装置不能对深层组织进行有效的测温，也不具有实时测温的功能，不能有效地对加热温度进行监控。
实用新型内容鉴于现有技术中的上述不足，本实用新型旨在提出一种相控阵微波能量传送装置，能够实现微波目标成像，对目标组织进行靶向多频能量传送，并且具有实时测温、三维成像与实时监控的功能，从而可对特定目标组织达到更加有效的能量传送效果。根据本实用新型的第一个方面，提出了一种相控阵微波能量传送装置，包括:控制部；分别连接到该控制部的扫描定位部、微波能量传送控制部和测温部；微波源，所述扫描定位部、微波能量传送控制部和测温部分别连接到该微波源；以及相控阵天线部和波带片发射部，分别连接到所述微波源，并且该相控阵天线部还连接到所述扫描定位部和测温部；其中，所述扫描定位部对特定目标进行扫描定位，以获得该特定目标的空间位置信息和图像信息，并将该空间位置信息和图像信息发送给所述控制部；所述微波能量传送控制部根据由所述控制部确定的加热方案，确定待发射微波的频率、功率和波形；所述测温部对所述特定目标实施测温，并将测温结果发送给所述控制部；所述微波源根据由所述微波能量传送控制部确定的待发射微波的频率、功率、波形及脉冲方式，生成具有该频率、功率、波形及脉冲方式的微波；所述相控阵天线部和/或所述波带片发射部在所述微波能量传送控制部的控制下，根据由所述扫描定位部获得的所述特定目标的空间位置信息，向该特定目标发射由所述微波源生成的具有所述频率、功率、波形的微波。利用本实用新型的相控阵微波能量传送装置，能够精确地确定特定目标的空间位置，并将具有优选功率、频率和波形的微波靶向地照射到该特定目标。同时，能够对该特定目标进行实时测温，确保了在微波能量传送的过程中的安全性。
图1是示出本实用新型的相控阵微波能量传送装置的结构框图2是示出微波源的结构及其与其他部件的连接关系的图；图3是示出波带片发射部的原理的示意图；图4是示出全息照相原理的示意图；图5是本实用新型的微波衍射型扫描定位部的结构图；图6是示出本实用新型的相控阵微波能量传送装置的操作实例的流程图；图7是示出本实用新型的相控阵微波能量传送装置的另一操作实例的流程图；以及图8是示出本实用新型的相控阵微波能量传送装置的又一操作实例的流程图。
具体实施方式
下面，将参照附图具体描述本实用新型的相控阵微波能量传送装置。[0019]如图1所示，本实用新型的相控阵微波能量传送装置10包括分别与控制部11相连的扫描定位部12、微波能量传送控制部13和测温部14。该扫描定位部12、微波能量传送控制部13和测温部14共同连接到微波源16，该微波源16直接连接到相控阵天线部17和波带片发射部18。相控阵天线部17还与扫描定位部12和测温部14相连接。此外，控制部11还与一显示及存储部15相连接。扫描定位部12利用微波透射原理或微波衍射原理，对探测区域内的特定目标(例如，人体内或动物体的特定组织，或者离体组织，或者植物体等等)进行扫描定位，获得该特定目标的空间位置信息和图像信息。或者，该扫描定位部12可以参照其他扫描定位设备(例如，超声设备、核磁共振设备等)的定位结果，获得该特定目标的位置和图像信息。微波能量传送控制部13根据由扫描定位部12确定的该特定目标的位置信息，利用相控阵天线或波带片，进行微波能量的定向传送。测温部14采用常规的红外测温技术，或者微波测温技术，对所述特定目标进行实时测温，从而获得该特定目标的三维热分布图。当采用微波测温技术时，该测温部14利用比吸收率与温度成正比例的关系，将特定目标对于微波能量的比吸收率转换为温度。微波源16是一种频率可调、输出波形可调的微波发生设备，可进一步包括扫频微波源和能量传输微波源，分别用于扫描定位部12的扫描成像和微波能量传送控制部13的微波传送。与微波源16相连接的相控阵天线部17和波带片发射部18用于向特定目标发射满足聚焦方向、功率大小、波形形状等要求的微波。控制部11对本实用新型的相控阵微波能量传送装置10的各模块操作进行控制。此外，显示及存储部15用于以图形方式显示扫描定位、测温等结果，并对各种操作和测量数据进行存储。
·[0024]下面，将分别对本实用新型的相控阵微波能量传送装置10的上述各模块的结构和操作，以及整体操作进行说明。微波源如图2所示，在优选实施例中，微波源16包括扫频微波源161和能量传输微波源162。该扫频微波源161与前述的扫描定位部12、微波能量传送控制部13、测温部14和相控阵天线部17相连接；而该能量传输微波源162与前述的微波能量传送控制部13、测温部14以及下述的相控阵天线部17和波带片发射部18相连接。当本实用新型的相控阵微波能量传送装置10进行扫描定位操作时，使用所述扫频微波源161生成具有期望频率、脉冲宽度和功率的微波脉冲。该扫频微波源161利用一个(主频是915MHz)或两个(主频是915MHz、2450MHz)大功率微波源进行接力扫频覆盖，扫频范围是0.9 3.0GHz，扫频精度小于IKHz，并且所述该扫频微波源161的输出功率在100瓦到1000瓦范围内可调。考虑到扫频深度和不造成皮肤灼伤的要求，需要通过增大输出功率来增加微波穿透深度，通过减小脉冲宽度来降低能量吸收(例如，对人体进行照射时，可避免对人体表皮造成灼伤)。因此，扫频微波源161能够输出高峰值功率的窄脉冲，其中脉冲宽度在纳秒级。在此情况下，由前述的扫描定位部12根据扫描需求，对该扫频微波源161的扫频范围，扫频精度和输出功率进行控制。而当本实用新型的相控阵微波能量传送装置10进行微波能量传输操作或者微波测温操作或者这两个操作同时进行时，则使所述能量传输微波源162生成具有期望频率、脉冲宽度和功率的微波脉冲或连续波。该能量传输微波源162选用一个以上半导体可扫频微波源接力覆盖，使微波频率范围从P波段达到K波段，即从230MHZ-26.5GHz。输出功率可由毫瓦(mW)级经放大器放大至100瓦(100W)级。同时，在需要的情况下，可调用所述扫频微波源161兼做能量传输微波源，以达到最大输出功率达到千瓦(KW)级的要求。在此情况下，由前述的微波能量传送控制部13根据微波能量传送的需求，对该能量传输微波源162的发射频率、微波波形和输出功率等进行控制。由微波源16生成的微波，将被通过波导管或微波发射器等传送至相控阵天线部17或波带片发射部18 (将在下文中详述)。在主要以热疗为目的的情况下，将利用波带片发射部18进行微波的聚焦和发射，而在主要以非热效应为目的的情况下，将利用相控阵天线部17进行微波的发射。此外，当需要更大功率的能量传送时，也可同时将扫频微波源161和能量传输微波源162共同作为能量传输微波源使用。例如，在需要对某特定目标进行大功率微波加热的情况下，可以通过微波能量传送控制部13同时对扫频微波源161和能量传输微波源162的扫频范围、扫频精度和输出功率进行控制，并通过相应的微波发射装置(下文中将详细描述的相控阵天线部17和波带片发射部18)向该特定目标发射微波。相控阵天线部相控阵天线部17连接到前述扫频微波源161和能量传输微波源162以及扫描定位部12和测温部14。该相控阵天线部17用于在前述扫描定位部12和测温部14的控制下，向特定目标靶向地辐射特定聚焦方向、频率、功率、波形的电磁波，并接收电磁波经特定目标后的反射波(例如，在微波测温操作中)。相控阵天线是通过移相器来控制阵列天线中各辐射单元的馈电相位，从而改变天线方向图形状的天线。本实用新型的相控阵天线部17可以配置为单区的结构，也可以配置为包括多个分区的结构。例如，相控阵天线部17可以配置为包括:A型矩形单面阵天线，其配置成128个以上的发射/接收组件，排列方式为(8*8)*n组；B型矩形单面阵天线，其配置成128个以下的发射/接收组件，排列方式为(4*4) *n组；C型拱形单面阵天线，其配置成128个以上的发射/接收组件。上 述单面阵天线的组合方式可以是，一个A型矩形单面阵天线搭配一个以上的B型矩形单面阵天线等其他可选的组合方式，并且各型天线均为可切换式。例如，一种单面阵天线是配有AA、AB、AC三个以上具有128个及以上波束的适应不同频率的共面阵天线，并且配有可切换的BA、BB、BC三个以上具有128个及以下波束的共面阵天线，其中各波束相位可以是相干和不相干。通过这样的配置，本实用新型的相控阵天线部17可以实现多区域分别可控的技术效果。例如，可以仅选择开启相控阵天线的部分区域进行操作，而其余部分不工作；或者，可以控制相控阵天线的不同区域，以不同的频率、功率、波形来向不同的目标发射微波。波带片发射部除了使用上述的相控阵天线部17向特定目标发射微波外，本实用新型的相控阵微波能量传送装置10还可以通过波带片发射部18对微波进行聚焦和发射。该波带片发射部18连接到前述的能量传输微波源162，用于将来自该能量传输微波源162的受控微波聚焦并发射至特定目标。所述波带片发射部18是利用波的衍射特性对波束进行相干叠加，来达到对靶向目标进行聚焦辐射。针对不同频率的微波，本实用新型的波带片发射部18实质上包括了多个波带片，每一波带片针对一特定频率的微波。波带片的原理如图3所示:以聚焦点Ptl为中心，以r1; ιγ..rN为半径作出一系列球面，其中，
权利要求1.一种相控阵微波能量传送装置，其特征在于，包括: 控制部； 分别连接到该控制部的扫描定位部、微波能量传送控制部和测温部； 微波源，所述扫描定位部、微波能量传送控制部和测温部分别连接到该微波源；以及相控阵天线部和波带片发射部，分别连接到所述微波源，并且该相控阵天线部还连接到所述扫描定位部和测温部； 其中，所述扫描定位部对特定目标进行扫描定位，以获得该特定目标的空间位置信息和图像信息，并将该空间位置信息和图像信息发送给所述控制部； 所述微波能量传送控制部根据由所述控制部确定的加热方案，确定待发射微波的频率、功率和波形； 所述测温部对所述特定目标实施测温，并将测温结果发送给所述控制部； 所述微波源根据由所述微波能量传送控制部确定的待发射微波的频率、功率和波形，生成具有该频率、功率和波形的待发射微波； 所述相控阵天线部和/或所述波带片发射部，在所述微波能量传送控制部的控制下，根据由所述扫描定位部获得的所述特定目标的空间位置信息，向该特定目标发射由所述微波源生成的具有所述频率、功率、波形的待发射微波。
2.如权利要求1所述的相控阵微波能量传送装置，其特征在于，还包括一显示及存储部，用于以图像化的形式，对由所述扫描定位部获得的所述特定目标的图像信息和由所述测温部的测温结果进行显示；并且，该显示及存储部还对由所述扫描定位部获得上述特定目标的空间位置信息和图像信息以及由所述测温部的测温结果进行存储。
3.如权利要求1所述的相控阵微波能量传送装置，其特征在于， 所述微波源包括一扫频微波源和一能量传输微波源； 所述扫频微波源连接至所述扫描定位部、微波能量传送控制部和相控阵天线部，用于根据由所述微波能量传送控制部确定的待发射微波的频率、功率和波形，生成具有该频率、功率、波形的待发射微波； 所述能量传输微波源连接至所述微波能量传送控制部、测温部和波带片发射部，用于根据由所述微波能量传送控制部确定的待发射微波的频率、功率和波形，生成具有该频率、功率和波形的待发射微波。
4.如权利要求3所述的相控阵微波能量传送装置，其特征在于， 所述扫频微波源生成频率连续变化的微波，通过所述相控阵天线部发射到所述特定目标的空间位置；同时，所述测温部实时地测量该特定目标的温度，在该特定目标的温度出现最大值的时候，判定此时的微波频率为该特定目标的共振频率，作为待发射微波的所述频率。
5.如权利要求1所述的相控阵微波能量传送装置，其特征在于， 所述相控阵天线部具有多个分区，用于同时向所述特定目标发射不同频率的微波。
6.如权利要求1所述的相控阵微波能量传送装置，其特征在于，所述测温部是红外测温装置。
7.如权利要求1所述的相控阵微波能量传送装置，其特征在于，所述波带片发射部具有分别对应于不同发射频率的多个波带片。
专利摘要本实用新型公开了一种相控阵微波能量传送装置，包括控制部；分别连接到该控制部的扫描定位部、微波能量传送控制部和测温部；微波源，所述扫描定位部、微波能量传送控制部和测温部分别连接到该微波源；以及相控阵天线部和波带片发射部，分别连接到所述微波源，并且该相控阵天线部还连接到所述扫描定位部和测温部。利用本实用新型的相控阵微波能量传送装置，能够精确地定位感兴趣的特定目标，并以最佳的加热方案，向该特定目标传送微波能量。
文档编号A61B5/01GK203139407SQ20122049123
公开日2013年8月21日 申请日期2012年9月25日 优先权日2012年9月25日
发明者丘国慈, 丘福隆, 曾毅, 郝建红, 吴水才, 姚逸翔 申请人:郭运斌, 丘国慈