專利名稱：一種生物大體射頻加熱方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬射頻加熱技術(shù)，具體涉及一種將射頻應(yīng)用于生物大體的熱療和均勻加熱處理的技術(shù)。
背景技術(shù)：
微波是頻率在300MHz-300GHz范圍內(nèi)的電磁波。微波加熱的物理基礎(chǔ)是電介質(zhì)在電磁場中存在介質(zhì)損耗，所消耗的能量以熱的形式沉積在介質(zhì)中，微波加熱是一種直接與介質(zhì)進行能量傳遞的加熱原理。因此，微波加熱廣泛應(yīng)用于工業(yè)加熱處理、食品加工、藥材處理和醫(yī)療等方面。目前微波加熱主要采用的頻率是915MHz和2450MHz，加熱的方式是通過散射多角度輻照對加熱區(qū)的物料進行整體加熱。與其它加熱方式相比，微波加熱的主要優(yōu)點是相關(guān)組織內(nèi)部加熱時間快和熱流分布均勻，加熱過程無污染、零排放，直接加熱高效率和加熱功率精確可控等顯著優(yōu)勢。但是，由于微波加熱涉及微波的傳輸耦合以及功率耗散等問題，因此，微波頻率不同，對不同材料的加熱效果有所不同。一般來講微波頻率越高，能有效穿透生物有機材料的深度下降，能量的損耗效率(吸收率)增加。特別是2450MHz的微波對水分子存在共振吸收效應(yīng)，對含水物質(zhì)的加熱效率高，速度快。但是隨著微波頻率的升高，對大尺寸物體的加熱均勻性下降，中心部位的耗散功率存在低谷，如圖I所示，不適合大尺寸物體的加熱應(yīng)用。而當(dāng)微波頻率太低，一方面對加熱工作區(qū)域尺寸要求很大，否貝U，微波無法傳播；另一方面，材料對微波的吸收率下降，加熱效率和速度下降，不適合小尺寸材料的加熱。綜合起來，微波加熱領(lǐng)域主要采用的頻段集中在900MHz 3GHz之間。近年來，生物醫(yī)學(xué)對熱處理，尤其是熱療產(chǎn)生了濃厚的興趣。而基于生物活體的加熱處理及熱療對加熱過程的可控性和安全性有極高的要求，生物大體加熱及熱療不同于通常的工業(yè)加熱和食品加熱，生物大體的熱療是對生物活體整體進行加熱，對加熱過程有其特有的要求。首先是安全性及副作用控制，對生物活體的加熱首要的問題是確保加熱過程的安全，同時盡量減少副作用的產(chǎn)生。這就對加熱方式提出了很高的要求，主要包括加熱過程的功率精確可控，對關(guān)鍵部位可有效隔離防護等。其次是對生物大體加熱部位和加熱功率分布均勻性要嚴(yán)格控制。這就要求加熱的功率可有效深入生物大體內(nèi)部，也可以根據(jù)需要在特定的區(qū)域形成強加熱區(qū)域或不加熱區(qū)，還可以對生物大體整體從里到外均勻加熱等。最后是加熱設(shè)備不能有能量泄露，確保周邊工作人員的安全。傳統(tǒng)微波的加熱方法難以直接采用。存在的問題包括1、生物大體的尺寸一般在分米 米量級，常用的微波加熱仍然難以深入生物體內(nèi)部，難以滿足加熱均勻性要求；2、傳統(tǒng)微波加熱采用散射腔的方式加熱，不能按要求穩(wěn)定可靠控制加熱功率的分布；3、微波加熱腔無法開孔保護生物體部分重點部位,不能滿足高安全性的要求。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種生物大體射頻加熱方法，改善生物大體加熱的均勻性、可控性和安全性。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是采用頻率為150MHz-200MHz的射頻對生物大體進行加熱。所述的加熱采用諧振腔式加熱。本發(fā)明還提供一種實現(xiàn)上述方法的裝置，包括射頻源和諧振腔，諧振腔為一個封閉腔體，諧振腔電磁場分布可調(diào)節(jié)，射頻源安裝在諧振腔一端，射頻源頻率為150MHz-200MHz，生物大體置于射頻諧振腔內(nèi)。所述的射頻源輸出功率為50W-2000W。所述的射頻源頻率連續(xù)可調(diào)；功率連續(xù)可調(diào)。所述的諧振腔開有一個直徑在15cm以內(nèi)的通孔，通孔與射頻源關(guān)于諧振腔體積中心對稱分布。 所述的諧振腔為一面對稱腔體，開有兩個直徑在15cm以內(nèi)的通孔，兩個通孔關(guān)于對稱平面對稱分布，且射頻源位于諧振腔的對稱平面內(nèi)。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明提出采用頻率為150MHz-200MHz的射頻加熱人體或其他動物大體，進行生物大體的射頻熱療或整體均勻加熱處理。150MHz-200MHz的射頻對生物大體加熱采用了電磁場對生物大體介質(zhì)極化反轉(zhuǎn)振蕩吸能機理，與微波加熱的不同之處在于，射頻加熱中水分子共振吸收效應(yīng)很弱，生物介質(zhì)對該頻段的適度低吸收率帶來了更好的穿透力和更均勻的能量耗散分布等優(yōu)勢。該頻段對牛、羊和人等生物大體的有效透射深度可達IOcm以上，可更好地實現(xiàn)里外同時加熱，加熱功率分布更均勻，綜合加熱效果比915MHz,2450MHz等微波加熱更優(yōu)、更安全。本發(fā)明采用150MHZ-200MHZ射頻進行加熱，加熱方式改為諧振腔式加熱。該波段的波長為I. 5nT2m，該波長與人體或其它動物如豬、牛、羊等生物大體的外形尺寸相當(dāng)，采用封閉諧振腔后，可以形成電磁場穩(wěn)定的均勻分布，由于動物大體對該頻段的電磁波吸收率適度，使電磁波能量具有較好的穿透力和更均勻的能量吸收耗散分布，使動物大體得到從里到外更均勻的加熱處理，有利于改善熱療效果和提高生物大體加熱的安全性。同時該波段的諧振腔尺度適當(dāng)，工程實現(xiàn)更經(jīng)濟可行，也便于開適當(dāng)大小的孔對生物體關(guān)鍵部位(如頭部)進行監(jiān)測和保護，而不會導(dǎo)致射頻能量的泄露。


圖I是微波與射頻透射功率分布與物料厚度關(guān)系圖；圖2是帶等效人體模型的諧振腔內(nèi)180MHz射頻瞬態(tài)場分布圖；圖中，I一身寸頻諧振腔，2—人體,3—身寸頻電場；圖3 (a)是射頻加熱諧振腔結(jié)構(gòu)圖，圖3 (b)是射頻加熱諧振腔結(jié)構(gòu)圖，圖中，4一射頻傳輸線L40波導(dǎo)，5—射頻天線，6—活動支架，7—屏蔽門，8—圓柱射頻腔觀察孔，9 一射頻電磁波，10—屏蔽門間隙，11 一諧振腔支撐體，12—諧振腔滾動輪，13—屏蔽門扶手，14 一電磁屏蔽門，15—圓柱諧振腔開孔，16—生物大體頭部支撐，17—諧振腔支撐，18—圓柱諧振腔直徑，19 一圓柱諧振腔開孔直徑。
具體實施例方式本發(fā)明包括以下內(nèi)容
(I)加熱射頻源頻段為150MHz-200MHz，射頻源頻率可調(diào)。在不同加熱負(fù)載情況下，可調(diào)節(jié)射頻源頻率，滿足諧振加熱要求；(2)采用諧振腔式加熱方式，可調(diào)節(jié)控制場分布。人體或其它動物大體置于射頻諧振腔內(nèi)，可以調(diào)節(jié)射頻場的分布來改善動物大體對射頻的吸收。也可以開直徑在15cm以內(nèi)的孔用作其它目的而不會導(dǎo)致射頻能量泄露。(3)加熱射頻源功率為50W-2000W，連續(xù)波，功率可調(diào)。調(diào)節(jié)射頻源輸出功率，可控制加熱速度和加熱時間；采用150MHz-200MHz射頻加熱， 主要是由于該波段的波長為I. 5nT2m，該波長與人體或其它動物如豬、牛、羊等生物大體的外形尺寸相當(dāng)，由于共振效應(yīng)從而可以形成電磁場的均勻分布和有效穿透，由于動物大體對該頻段的電磁波吸收率適度，使電磁波能量具有較好的穿透力和更均勻的能量吸收耗散分布，使生物大體得到從里到外更均勻的加熱處理，有利于改善熱療效果和提高生物大體加熱的安全性。此外，生物大體的個體形狀和重量差異，加熱時工作頻率存在漂移現(xiàn)象。因此，采用150MHZ-200MHZ射頻源加熱，射頻源頻率可調(diào)，可滿足不同生物大體諧振加熱的要求。射頻源工作頻率的調(diào)節(jié)步長為0. 25MHz。采用諧振腔式加熱方式，主要是為了調(diào)節(jié)控制諧振腔內(nèi)電磁場分布，滿足不同的生物大體加熱要求。150MHz-200MHz的諧振腔尺寸與生物大體尺寸相當(dāng)，對生物大體加熱時腔內(nèi)能量分布較均勻，諧振腔內(nèi)部空間得到合理充分應(yīng)用。同時，諧振腔所占空間較小，有利于醫(yī)療設(shè)備的產(chǎn)品化。最后，150MHz-200MHz諧振腔便于開適當(dāng)大小的孔對生物體關(guān)鍵部位(如頭部)進行觀察和保護，而不會導(dǎo)致射頻能量的泄露，有利于屏蔽電磁污染和生物大體敏感部位的局部保護等。諧振腔結(jié)構(gòu)采用圓柱諧振腔，圓柱諧振腔長度1750mm，圓柱諧振腔直徑1100mm,圓柱諧振腔開孔尺寸300mm和150mm。采用射頻源功率為50W-2000W，連續(xù)波，功率可調(diào)，主要控制加熱速度和加熱時間，滿足不同生物大體的加熱要求。加熱生物大體時,功率過大,會導(dǎo)致生物大體的表面灼傷；功率過小,滿足不了生物大體的加熱需求。射頻源輸出功率的調(diào)節(jié)步長為20W。根據(jù)生物大體在加熱過程的反應(yīng)，實時調(diào)節(jié)射頻源輸出功率，滿足加熱安全性和有效性要求。下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。⑴射頻源頻率為150MHz-200MHz，且頻率連續(xù)可調(diào)。在生物大體形狀和重量不同情況下，可調(diào)節(jié)射頻源輸出頻率，滿足諧振要求。⑵采用諧振腔式加熱方式，可調(diào)節(jié)控制場分布。人體或其它動物大體置于射頻諧振腔內(nèi)，可以調(diào)節(jié)射頻場的分布來改善動物大體對射頻的吸收。也可以開直徑在15cm以內(nèi)的孔用作其它目的而不會導(dǎo)致射頻能量泄露。⑶射頻源輸出功率為50W-2000W，連續(xù)波，功率連續(xù)可調(diào)。調(diào)節(jié)射頻源輸出功率，可控制加熱速度和加熱時間。這里給出人體吸收180MHz射頻的仿真結(jié)果，如圖2所示,表示某一時刻射頻在帶有人體負(fù)載的諧振腔內(nèi)電場分布。仿真結(jié)果表明150MHz-200MHz射頻場強分布相對較均勻，易于整體均勻加熱。圖3 Ca)中，射頻天線采用單極子天線結(jié)構(gòu)，既能高效激勵電磁波，又不占用諧振腔空間。圖3 (a)中，圓柱諧振腔內(nèi)有絕緣介質(zhì)材料做成的自由活動架，便于固定生物大體。圖3 (a)中，圓柱諧振腔開兩個直徑為IOOmm觀察孔，便于觀察生物大體在加熱過程中的反應(yīng)，開孔采用透明的電磁屏蔽布覆蓋，保證射頻電磁波不泄露。圖3 (b)中，諧振腔開孔直徑為300mm，開孔的主要目的是保護生物大體頭部，使其不受射頻電磁波輻照加熱。圖3 (b)中，在開孔周圍采用電磁屏蔽布做成電磁屏蔽護套，其功能是防止電磁波泄露。本發(fā)明的創(chuàng)新點是
⑴采用150MHz_200MHz射頻加熱新方法，射頻電磁波透射深度深，加熱體內(nèi)外同時加熱。⑵采用射頻諧振腔加熱新方式，電磁場場強分布可控，也更均勻，加熱腔大小合適，適合用于生物大體整體均勻加熱。⑶采用150MHz-200MHz射頻諧振腔加熱，局部電磁場較容易屏蔽，也可以開合適的窗口，用于保護頭、手等敏感部位，更有利于保證加熱過程中生物大體的安全性。⑷射頻諧振加熱腔結(jié)構(gòu)與生物大體尺寸相當(dāng)，結(jié)構(gòu)緊湊，易于加熱設(shè)備的工程化，易于推廣應(yīng)用到醫(yī)療設(shè)備和其它射頻加熱設(shè)備。
權(quán)利要求
1.一種生物大體射頻加熱方法，其特征在于采用頻率為150MHz-200MHz的射頻對生物大體進行加熱。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的生物大體射頻加熱方法，其特征在于所述的加熱采用諧振腔式加熱。
3.一種實現(xiàn)權(quán)利要求I所述方法的生物大體射頻加熱裝置，包括射頻源和諧振腔，其特征在于諧振腔為一個封閉腔體，諧振腔電磁場分布可調(diào)節(jié)，射頻源安裝在諧振腔一端，射頻源頻率為150MHz-200MHz，生物大體置于射頻諧 振腔內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的生物大體射頻加熱裝置，其特征在于所述的射頻源輸出功率為 50W-2000W。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的生物大體射頻加熱裝置，其特征在于所述的射頻源頻率連續(xù)可調(diào)；功率連續(xù)可調(diào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的生物大體射頻加熱裝置，其特征在于所述的諧振腔開有一個直徑在15cm以內(nèi)的通孔，通孔與射頻源關(guān)于諧振腔體積中心對稱分布。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的生物大體射頻加熱裝置，其特征在于所述的諧振腔為一面對稱腔體，開有兩個直徑在15cm以內(nèi)的通孔，兩個通孔關(guān)于對稱平面對稱分布，且射頻源位于諧振腔的對稱平面內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種生物大體射頻加熱方法及裝置，采用頻率為150MHz-200MHz的射頻對生物大體進行加熱，包括射頻源和諧振腔，諧振腔為一個封閉腔體，諧振腔電磁場分布可調(diào)節(jié)，射頻源安裝在諧振腔一端，射生物大體置于射頻諧振腔內(nèi)。本發(fā)明可更好地實現(xiàn)里外同時加熱，加熱功率分布更均勻，綜合加熱效果更優(yōu)。本發(fā)明有利于改善熱療效果和提高生物大體加熱的安全性。
文檔編號H05B6/00GK102740519SQ201210230559
公開日2012年10月17日 申請日期2012年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月5日
發(fā)明者孫鈞, 李佳偉, 梁鐵柱, 王康懿, 蘇建倉, 謝學(xué)軍, 郭國禎, 黃文華 申請人:西北核技術(shù)研究所