專(zhuān)利名稱(chēng)：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(chǎng)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(jìn)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(guò)散射多角度輻照對(duì)加熱區(qū)的物料進(jìn)行整體加熱。與其它加熱方式相比，微波加熱的主要優(yōu)點(diǎn)是相關(guān)組織內(nèi)部加熱時(shí)間快和熱流分布均勻，加熱過(guò)程無(wú)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(shì)。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(wèn)題，因此，微波頻率不同，對(duì)不同材料的加熱效果有所不同。一般來(lái)講微波頻率越高，能有效穿透生物有機(jī)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(duì)水分子存在共振吸收效應(yīng)，對(duì)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(duì)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(duì)加熱工作區(qū)域尺寸要求很大，否貝U，微波無(wú)法傳播；另一方面，材料對(duì)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(lái)，微波加熱領(lǐng)域主要采用的頻段集中在900MHz 3GHz之間。近年來(lái)，生物醫(yī)學(xué)對(duì)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(duì)加熱過(guò)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(duì)生物活體整體進(jìn)行加熱，對(duì)加熱過(guò)程有其特有的要求。首先是安全性及副作用控制，對(duì)生物活體的加熱首要的問(wèn)題是確保加熱過(guò)程的安全，同時(shí)盡量減少副作用的產(chǎn)生。這就對(duì)加熱方式提出了很高的要求，主要包括加熱過(guò)程的功率精確可控，對(duì)關(guān)鍵部位可有效隔離防護(hù)等。其次是對(duì)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(qiáng)加熱區(qū)域或不加熱區(qū)，還可以對(duì)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(wèn)題包括1、生物大體的尺寸一般在分米 米量級(jí)，常用的微波加熱仍然難以深入生物體內(nèi)部，難以滿(mǎn)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(wú)法開(kāi)孔保護(hù)生物體部分重點(diǎn)部位,不能滿(mǎn)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(wèn)題所采用的技術(shù)方案是采用頻率為150MHz-200MHz的射頻對(duì)生物大體進(jìn)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(shí)現(xiàn)上述方法的裝置，包括射頻源和諧振腔，諧振腔為一個(gè)封閉腔體，諧振腔電磁場(chǎng)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(kāi)有一個(gè)直徑在15cm以?xún)?nèi)的通孔，通孔與射頻源關(guān)于諧振腔體積中心對(duì)稱(chēng)分布。 所述的諧振腔為一面對(duì)稱(chēng)腔體，開(kāi)有兩個(gè)直徑在15cm以?xún)?nèi)的通孔，兩個(gè)通孔關(guān)于對(duì)稱(chēng)平面對(duì)稱(chēng)分布，且射頻源位于諧振腔的對(duì)稱(chēng)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(dòng)物大體，進(jìn)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(duì)生物大體加熱采用了電磁場(chǎng)對(duì)生物大體介質(zhì)極化反轉(zhuǎn)振蕩吸能機(jī)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(duì)該頻段的適度低吸收率帶來(lái)了更好的穿透力和更均勻的能量耗散分布等優(yōu)勢(shì)。該頻段對(duì)牛、羊和人等生物大體的有效透射深度可達(dá)IOcm以上，可更好地實(shí)現(xiàn)里外同時(shí)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(jìn)行加熱，加熱方式改為諧振腔式加熱。該波段的波長(zhǎng)為I. 5nT2m，該波長(zhǎng)與人體或其它動(dòng)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(chǎng)穩(wěn)定的均勻分布，由于動(dòng)物大體對(duì)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(dòng)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(shí)該波段的諧振腔尺度適當(dāng)，工程實(shí)現(xiàn)更經(jīng)濟(jì)可行，也便于開(kāi)適當(dāng)大小的孔對(duì)生物體關(guān)鍵部位(如頭部)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和保護(hù)，而不會(huì)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(chǎng)分布圖；圖中，I一身寸頻諧振腔，2—人體,3—身寸頻電場(chǎng)；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(xiàn)L40波導(dǎo)，5—射頻天線(xiàn)，6—活動(dòng)支架，7—屏蔽門(mén)，8—圓柱射頻腔觀察孔，9 一射頻電磁波，10—屏蔽門(mén)間隙，11 一諧振腔支撐體，12—諧振腔滾動(dòng)輪，13—屏蔽門(mén)扶手，14 一電磁屏蔽門(mén)，15—圓柱諧振腔開(kāi)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(kāi)孔直徑。
具體實(shí)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(mǎn)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(chǎng)分布。人體或其它動(dòng)物大體置于射頻諧振腔內(nèi)，可以調(diào)節(jié)射頻場(chǎng)的分布來(lái)改善動(dòng)物大體對(duì)射頻的吸收。也可以開(kāi)直徑在15cm以?xún)?nèi)的孔用作其它目的而不會(huì)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(shí)間；采用150MHz-200MHz射頻加熱， 主要是由于該波段的波長(zhǎng)為I. 5nT2m，該波長(zhǎng)與人體或其它動(dòng)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(chǎng)的均勻分布和有效穿透，由于動(dòng)物大體對(duì)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(gè)體形狀和重量差異，加熱時(shí)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(mǎn)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(zhǎng)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(chǎng)分布，滿(mǎn)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(duì)生物大體加熱時(shí)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(shí)，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(kāi)適當(dāng)大小的孔對(duì)生物體關(guān)鍵部位(如頭部)進(jìn)行觀察和保護(hù)，而不會(huì)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(hù)等。諧振腔結(jié)構(gòu)采用圓柱諧振腔，圓柱諧振腔長(zhǎng)度1750mm，圓柱諧振腔直徑1100mm,圓柱諧振腔開(kāi)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(shí)間，滿(mǎn)足不同生物大體的加熱要求。加熱生物大體時(shí),功率過(guò)大,會(huì)導(dǎo)致生物大體的表面灼傷；功率過(guò)小,滿(mǎn)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(zhǎng)為20W。根據(jù)生物大體在加熱過(guò)程的反應(yīng)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)射頻源輸出功率，滿(mǎn)足加熱安全性和有效性要求。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)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(mǎn)足諧振要求。⑵采用諧振腔式加熱方式，可調(diào)節(jié)控制場(chǎng)分布。人體或其它動(dòng)物大體置于射頻諧振腔內(nèi)，可以調(diào)節(jié)射頻場(chǎng)的分布來(lái)改善動(dòng)物大體對(duì)射頻的吸收。也可以開(kāi)直徑在15cm以?xún)?nèi)的孔用作其它目的而不會(huì)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(shí)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(shí)刻射頻在帶有人體負(fù)載的諧振腔內(nèi)電場(chǎng)分布。仿真結(jié)果表明150MHz-200MHz射頻場(chǎng)強(qiáng)分布相對(duì)較均勻，易于整體均勻加熱。圖3 Ca)中，射頻天線(xiàn)采用單極子天線(xiàn)結(jié)構(gòu)，既能高效激勵(lì)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(dòng)架，便于固定生物大體。圖3 (a)中，圓柱諧振腔開(kāi)兩個(gè)直徑為IOOmm觀察孔，便于觀察生物大體在加熱過(guò)程中的反應(yīng)，開(kāi)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(kāi)孔直徑為300mm，開(kāi)孔的主要目的是保護(hù)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(kāi)孔周?chē)捎秒姶牌帘尾甲龀呻姶牌帘巫o(hù)套，其功能是防止電磁波泄露。本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)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(shí)加熱。⑵采用射頻諧振腔加熱新方式，電磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)較容易屏蔽，也可以開(kāi)合適的窗口，用于保護(hù)頭、手等敏感部位，更有利于保證加熱過(guò)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(duì)生物大體進(jìn)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(shí)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(gè)封閉腔體，諧振腔電磁場(chǎng)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(kāi)有一個(gè)直徑在15cm以?xún)?nèi)的通孔，通孔與射頻源關(guān)于諧振腔體積中心對(duì)稱(chēng)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(duì)稱(chēng)腔體，開(kāi)有兩個(gè)直徑在15cm以?xún)?nèi)的通孔，兩個(gè)通孔關(guān)于對(duì)稱(chēng)平面對(duì)稱(chēng)分布，且射頻源位于諧振腔的對(duì)稱(chēng)平面內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)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(duì)生物大體進(jìn)行加熱，包括射頻源和諧振腔，諧振腔為一個(gè)封閉腔體，諧振腔電磁場(chǎng)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(shí)現(xiàn)里外同時(shí)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(hào)H05B6/00GK102740519SQ201210230559
公開(kāi)日2012年10月17日 申請(qǐng)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(cāng), 謝學(xué)軍, 郭國(guó)禎, 黃文華 申請(qǐng)人:西北核技術(shù)研究所