STM32开发的微波理疗仪

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波长为lmm}lm(频率为300MHz}300GHz)的电磁波称为微波[fll。微波技术
从1930s年代至今发展十分迅猛。首先应用在通讯、雷达、导弹等军事领域，并取
得巨大成功;接着又应用在日常生活中许多领域，如微波气象、天文观测、石油
勘探、机场安检等;在工业上也有许多应用，比如采用微波加热技术进行木材、
烟草、药材的烘干，以及食品、餐具等的消毒。19世纪40年代至今，科学家比较
充分地研究了电磁场对生物**产生的影响，微波技术在生物医学中的应用也取
得了跨越性的进展，形成了一门生物电磁学分支，并经历了从动物**到细胞层
面、从微波热效应到非热效应、从生物效应到临床应用的发展阶段，现涉及到理
疗和手术等几个方面[2-3]
随着微波理疗技术的发展，越来越多的人逐渐认可微波的医用疗效。微波理
疗法己经是继手术、放射性治疗、化学药物治疗之后的一种无痛苦、无创伤、无
药物副作用、安全有效的新疗法[4-5]。为了防止与军用微波和通讯微波发生串扰，
医疗用电磁波的工作频率被规定为:433MHz, 915MHz和2450MHz三种[[6]。现在
理疗中比较常用的是91 SMHz、2450MHz两种频率的微波。

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当微波作用于人体组织时，会引起人体组织细胞中的离子、水分子及其它极
性分子产生偶极子振荡，从而将吸收的微波能转换成为热能，人体组织温度得以
升高。温升会促进局部血液循环，加快局部代谢，有利于水肿吸收、消炎止痛，
微波理疗设备是基于微波的这些属性研制的。
目前国内大多数医院采购的进口微波理疗设备，进口的设备一般存在价格昂
贵、操作不本土化、后期维修难等缺点[f}l，而国内研制的微波理疗设备还比较落后，
系统缺乏必要的保护机制，导致安全性、可靠性比较差。多数设备的控制系统还
是以8位单片机为主控制芯片，而现在的趋势是以32位的ARM系统代替8位的
单片机系统。32位的ARM芯片在处理速度、硬件资源方面与8位单片机相比较，
是远远高于单片机的;ARM芯片还整合一些外围元器件，如看门狗芯片、A/D芯
片等。基于8位单片机控制的微波理疗设备在可靠性、智能化程度上不理想，使
用操作也不人性化。特别是，现在国产设备在微波理疗头方面存在一些问题。现
有的微波理疗头实质上是一种微波辐射天线，在微波输出端通过微波电缆与微波
源连接，辐射天线将行波变换成定向辐射的微波，从而将微波能量辐射到被理疗
组织上。目前的大多数微波辐射天线是由金属质地制成的喇叭型、单极天线型辐
射天线，实物图如图1-1所示。此类辐射天线由于质地坚硬、不易产生形变，所以
在给患者理疗时，很难做到与患者患病部位完全贴合，在理疗时容易产生微波泄
露，而且当负载变化时有可能导致辐射天线反射增大，从而使负载吸收到的功率
小于标称功率，影响理疗效果;反射增大还可能通过负载牵引原理导致磁控管输
出不稳定，并可能导致漏波增大，对其他正常部位和在场的医护人员产生辐射危
害【sl。因此，本课题通过设计及测试，制作了一套基于STM32 ARM微控制器的微
波源控制系统，以及多种传输线式微波理疗头，以适应人体不同部位、变化多端
的负载，让微波疗法在临床上得到更多的应用。

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1936年，Denier首次使用微波(375MHz)进行热疗['} 0 20世纪40年代末，
美国部分从医人员开始认可微波的理疗效应。20世纪60年代前后，各国逐渐开始
研究微波用于临床理疗的方法。1974年，Denver and Cambridge Universities(USA)
研制了第一批微波理疗设备[yo-y，接着，各国也投入大量的人力和物力去研制微
波理疗设备。随着微波理疗设备的面世，也推动了各种微波辐射天线的研制，在
20世纪80年代前后涌现了各种类型的微波辐射天线。Kantor设计了工作于
2450MHz直接接触式带扼流的圆形微波辐射天线;1977年美国无线电公司(RCA)
设计、制作了一种2450MHz工作频率的介质加载式波导辐射天线【ia};接下来的一
年，Mendecki提出了工作于2450MHz的介质加载矩形辐射天线。这些微波辐射天
线主要用于理疗关节炎和肌肉水肿等疾病。

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采用不同的加热手段对不同的部位进行理疗。20世纪90年代后，通过改善微波辐
射天线性能和SAR分布设计，发表了许多有关微波理疗的论文。20世纪90年代
左右Strohbenh J.W对环状微波天线阵在理疗中最优化SAR分布进行了研究【13].
20世纪90年代中期助an T.P发表了工作频率为433MHz的微带天线阵在浅表肿
瘤治疗中的SAR分析【14}; Kenneth Rossetto研究了双极子天线阵用于微波理疗的研
究。20世纪90年代末期，美国马里兰大学成功设计了一种针状式微波辐射天线【1 s-16}
从此进入了介入式微波理疗的新阶段。随着辐射天线技术的发展，微波辐射的形
式己经从体外辐射发展到介入组织中辐射，微波在医学中的应用越来越广，其理
疗效果越来越受到相关研究学者的重视。
在我国，20世纪70年代后期才逐渐将微波技术应用于医学，相对于国外起步
较晚，从借鉴、引进国外先进技术到自主创新，经历了较长的过渡期。20世纪90
年代初，中国自行研制了WR-II型、MH-I型微波理疗机【1}}，其工作频率为91 SMHz,
输出功率200W，为国内微波理疗的广泛开展提供了设备，但是设备在系统稳定性
和理疗效果上与国外相比还是具有比较大差距。进入21世纪，国内外的微波理疗
设备逐渐转向智能化，目前市场上的设备主要使用8位单片机来控制设备。由于
近几年32位ARM芯片的兴起，在选择控制系统的微控制器上，32位的ARM芯
片将逐渐代替8位的单片机，利用32位的ARM芯片控制微波理疗设备，使其处
理速度更快、系统更稳定可靠、操作更人性化。

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进入21世纪，微波理疗设备的临床应用发展迅速，在临床理疗上扮演着越来
越重要的角色。随着我国医疗事业的发展以及我国人民物质生活水平的日益增长，
微波理疗设备的安全性和可靠性显得越来越重要。鉴于现有的微波理疗设备在控
制系统和微波理疗头方面存在的缺陷，微波理疗设备的智能化以及安全保护设计
己经成为其发展进程上函需解决的问题。随着新型的微波源控制系统和微波理疗
头的出现，微波理疗设备一定会拥有更大的应用市场，特别是随着大量的研究学
者对微波理疗机理的理论研究以及对控制系统的安全性、可靠性进一步提高，微
波理疗设备在生物医学领域中的应用前景一片光明【‘“]。
综上，微波理疗设备发展至今，仍然存在一些缺陷，主要体现在安全性和可
靠性两方面。在安全性方面，现有的微波理疗头通过微波辐射天线的形式进行微
波理疗，存在微波泄漏的危险;在可靠性方面，现有的微波理疗设备采用8位单
片机作为微控制器，智能化、人性化程度不高，同时，在控制系统上缺乏必要的
保护机制，使得设备的安全性不好。

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1、采用处理速度更快、硬件资源更丰富的32位ARM芯片，并增加了自动控
制功能和TF T-LCD显示屏，提高微波理疗设备的智能化程度。
2、在微波源控制系统上设计多重保护机制，如:功率反馈、负载匹配监测和
负载温度监测模块等，提高微波理疗设备的可靠性。
3、基于表面波能量祸合技术设计多款传输线式微波理疗头，改变辐射天线式
理疗头的现状，解决微波泄漏的问题，提高微波理疗设备的安全性。

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本课题围绕提高微波理疗设备安全性及可靠性进行了研究，并设计、制作了
一套微波理疗设备，该设备主要由微波源控制系统和微波理疗头两部分组成。与
现有微波理疗设备相比，本设备增加了功率反馈及负载检测功能。反馈的微波能
量经微波整流电路转化成直流电压信号，微波源控制系统实时监测反馈回来的直
流电压信号，通过检测直流电压信号就可判断理疗头与负载的匹配情况，在一定
程度上还可以检测实际的输出功率。最终对微波理疗设备进行测试，达到以下技
术指标:
a、微波工作频率:2450MHz士3 OMHz ;
b、输入电源:220V, SOHz市电;
c、输出功率:0^}60W连续可调;
d、输出功率波动性不大于10% ;
e、微波理疗头:负载时Sn<-IOdB;
f、实现自动控制并带有故障保护功能。

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微波作用于生物组织会引起组织的温升，从而生物组织会产生一系列生理反
应，包括:增加组织细胞膜的通透性，使得代谢物穿透细胞膜的速度变快;提高
新陈代谢速度，新陈代谢速度的提高同时会提高霉素、细菌、代谢废物排除体外
的速度;扩张血管，加快血液循环。由于肌肉水肿或发炎的病变组织含水量比正
常组织的高，病变组织对微波的吸收也多，温升也就比正常组织的高。因此，通
过微波对病变组织的选择性加热和生物体自身的生理反应，来达到理疗病变部位
的目的。

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