电容式射频热疗的加热机制及自稳幅射频功率电源的研究

发布时间：2017-07-31 12:39

  本文关键词：电容式射频热疗的加热机制及自稳幅射频功率电源的研究

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【摘要】：关于电容式射频热疗中的加热机制和人体不同组织的升温规律还存在一些认识上的误区。本文从电磁场的基本原理出发,阐述了电容式射频加热人体组织的理论机制,指出了不能用电磁波的传输理论来分析射频在人体组织中的透入深度、以及射频加热时利用的不是射频电流流经人体组织产生的欧姆热,而是人体组织在高频电磁场中的极化损耗。在忽略射频极板边缘效应、且极板之间充有多层不同电介质的理想情况下,分别推导了极板间任意两介质中单位体积耗散的功率比、比吸收率(SAR)比、以及升温速率比的表达式。得出了采用电容式射频热疗时,电导率越大的人体组织升温速率越小的一般规律。将已知人体肌肉、脂肪、皮质骨的电参数和物理参数代入表达式进行计算,结果表明,当采用27.12 MHz射频加热时,脂肪和皮质骨的升温速率比肌肉的升温速率分别高出18.9倍和20.2倍,而采用40.68MHz射频时,则是高出19.8倍和19.1倍。各组织的升温速率极不均匀。目前大功率电容式射频热疗机在使用过程中经常需要根据患者的体质结构、环境温度变化等,通过调节电抗元件的参数去实现输出回路阻抗的匹配,从而获得最佳的加热效率。但这种调节既不灵便,又容易导致设备的可靠性下降。为此,本文设计了一种新的基于单片机和直接数字频率合成(DDS)技术的射频功率电源。本设计中,射频信号来自DDS芯片,输出回路工作在谐振放大状态,单片机控制系统不断监测输出射频电压的幅度,当回路阻抗变化导致谐振电路失谐(或输出阻抗失配)时,射频输出电压幅度会大幅下降。此时,单片机可控制DDS通过扫频的方式改变放大电路输入信号的频率,使电路在新的频率点上重新建立谐振,从而控制输出射频电压幅度的稳定。文中通过理论计算和电路仿真相结合的方式对设计进行了验证。以初始谐振参数为参考值,当外电路电容参数变化在±5p F内时,引起的输出电压幅度变化约为20%,而单独调节DDS输出信号的频率变化在-1.33MHz~1.17 MHz内,输出电压幅度变化也可以达到18%。这样,通过实时调节DDS输出信号的频率能够修正由于外电路参数变化引起的输出电压波动,使热疗过程中输出电压的幅度变化不超过设定值的2%。结果表明,在负载和电路参数变化时,可以通过自动调节输入信号频率维持输出射频电压幅度的稳定。
【关键词】：射频热疗 加热速率 射频功率电源 DDS技术
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R454;TN86
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-14
• 第1章 绪论14-24
• 1.1 射频热疗14-18
• 1.1.1 电热疗简史14-15
• 1.1.2 射频热疗原理15-17
• 1.1.3 射频热疗的应用前景17-18
• 1.2 射频功率电源介绍18-21
• 1.2.1 射频功率电源的发展历程18-20
• 1.2.2 现今射频功率电源的特点及应用前景20-21
• 1.3 论文研究的意义及内容安排21-24
• 1.3.1 论文研究的意义21-22
• 1.3.2 本文研究的主要内容及安排22-24
• 第2章 电容式射频热疗的加热机制24-33
• 2.1 射频加热人体组织的作用机制24-26
• 2.1.1 射频电磁波透入加热与射频电场加热24
• 2.1.2 射频电流与极化电流24-25
• 2.1.3 位移电流与极化电流25-26
• 2.2 射频加热单一组织电介质26
• 2.3 射频加热多层不同的组织电介质26-32
• 2.3.1 人体不同组织单位体积耗散的功率28-29
• 2.3.2 不同组织比吸收率SAR29
• 2.3.3 不同组织的升温速率29-32
• 2.4 本章小结32-33
• 第3章 自稳幅射频功率电源硬件设计33-54
• 3.1 自稳幅射频功率电源33-34
• 3.1.1 硬件结构组成33
• 3.1.2 扫频方式实现功率的自稳幅33-34
• 3.2 单片机ADuC832控制系统34-38
• 3.2.1 ADuC832介绍34-35
• 3.2.2 ADuC832外围电路设计35-38
• 3.3 DDS技术38-41
• 3.3.1 DDS的基本结构39
• 3.3.2 DDS技术的工作原理39-40
• 3.3.3 AD9851芯片介绍40-41
• 3.4 射频信号源及低通滤波电路41-46
• 3.4.1 基于单片机和DDS技术的射频信号源系统结构42-43
• 3.4.2 低通滤波电路43-46
• 3.5 射频功率放大模块与阻抗匹配及谐振放大46-52
• 3.5.1 射频功率放大电路46-47
• 3.5.2 阻抗匹配网络与谐振放大47-52
• 3.6 闭环控制反馈电路52-53
• 3.7 PCB板的制作53-54
• 第4章 系统软件设计54-60
• 4.1 软件开发环境54-55
• 4.2 键盘扫描与液晶显示程序设计55-57
• 4.2.1 键盘扫描程序设计55-57
• 4.2.2 液晶显示程序设计57
• 4.3 射频功率信号输出及自稳幅程序模块设计57-60
• 4.3.1 射频功率信号输出程序57-58
• 4.3.2 自稳幅程序设计58-60
• 第5章 射频功率电源输出特性的仿真60-63
• 5.1 仿真方法60
• 5.2 仿真结果60-62
• 5.2.1 选频和负载两级网络的幅频特性60-61
• 5.2.2 输出电压与射频电容参数的变化关系61
• 5.2.3 调频使电路谐振仿真结果61-62
• 5.3 本章小结62-63
• 结论与展望63-65
• 参考文献65-69
• 致谢69-70
• 附录A 攻读学位期间发表论文70

【参考文献】

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本文编号：599239