大功率微波热疗机用热电偶测温装置

0　引　言

采用热疗的方法治疗肿瘤和癌症,已越来越广泛地受到专家和学者的重视。临床应用也已取得了很好的效果。肿瘤热疗要求肿瘤组织温度达到热损伤温度40~45℃或更高,而临近的正常组织低于热损伤温度。因而,热疗时人体组织的温度测量对于临床应用或热疗机理研究都是至关重要的。就大功率微波热疗机而言,采用光纤温度传感器可以在不关闭微波加热功率的情况下进行温度测量,微波加热的效率更高,是比较理想的测温方案。但目前的光纤温度传感器价格昂贵,体积偏大,多路切换比较困难,尚未见临床应用的报道。所以,UHR-915型微波热疗机中仍然采用8路传统的热电偶温度传感器,通过采取许多针对大功率微波辐射环境下热电偶温度测量的措施,其温度测量准确度达到±0.2℃,取得了较好的效果,满足了临床应用的要求。

1　工作原理

由2种不同的金属材料(如铜-康铜等)组成的闭合回路,如图1所示,称为“热电偶”。

 

 

当2接触点A和B的温度不同时,回路中就会产生电动势,称“温差电动势”ET。对于确定的材料,ET与2接触点的温度差ΔT有关。当温度差不大时,ET与ΔT成正比,即

 

 

式中　T为测量端A的温度;T0为参考端B的温度;α是一个常数,只与材料的性质有关。对于“铜-康铜”热电偶,α约为40μV/℃。

整个测温装置的方框图如图2所示。

 

 

8路“铜-康铜”热电偶探头经转接盒接入仪表放大器。该探头采用6芯漆包双绞铜-康铜丝,聚四氟乙烯封装,直径1 mm,长2 m。仪表放大器采用INA128,该放大器温度漂移低(0.5μV/℃),共模抑制高(CMR≥120 dB),是理想的弱信号放大器件。放大后的温度信号经多路模拟开关MAX306切换送入12位A/D转换芯片AD574进行模-数转换,转换后的数据经8032单片机处理后送系统机显示。

2　热电偶参考端温度T0的稳定

在精密测温时,热电偶参考端温度T0的稳定必不可少。普通的热电阻零点补偿法补偿准确度很难达到要求,而冰水混合法在使用时太不方便。采用双层精密恒温槽将参考端的温度T0控制在60℃左右,控温准确度可以达到0.01℃,较好地满足了实际需要。双层恒温槽的结构如图3所示。

 

 

其中,温度敏感元件采用33 kΩ珠状玻璃封装负温度系数热敏电阻器。内槽体材料是紫铜,外槽体材料是铝合金。内外槽保温材料分别采用一级工业毛毡和氨基甲酸乙酯泡沫。内槽采用电阻丝加热、比例式控温方式以便提高槽体温度均匀性和温度控制的准确度。外槽用功率晶体管直接加热,外槽温度控制在50℃左右。该双层恒温槽的缩减因子大于1000,可以将内槽温度波动控制在0.01℃以内。

3　磁控管控制特性的影响

微波输出功率的大小与磁控管阳极电流近似成正比。磁控管是通过改变磁场电流的大小来调节阳极电流的大小,从而控制微波输出功率。普通磁控管的阳极电流与磁场电流的关系如图4所示。

 

 

为了提高微波功率控制的分辨力及控制准确度,一般都将磁控管的初始工作状态(即设定的功率0状态)设计在靠近阈值C点附近的B点。为了防止微波对热电偶的干扰,在热疗时采用“停机测温”的方法,即首先执行微波输出功率置0指令,然后执行温度测量指令。微波功率置0即是将磁场电流置为

。随着磁场电流从A点到B点的下降,磁控管内电子束受到的磁约束减少,若阳极上有高压,则会有少数电子由阴极附近的电子云到达阳极,形成阳极电流。相应的阳极电流从 增加到 ,仍然会产生所谓“漏能”辐射,对热电偶形成干扰。“漏能”辐射的大小与磁控管控制特性、磁控管的安装工艺、阳极电压等因素有关。经实际测量,“漏能”辐射达20 ~50W。在热疗机的设计中,为了延长磁控管的使用寿命,“停机测温”时一般并不关断阳极高压,所以,必须采取有效措施来减少“漏能”辐射对热电偶的影响。在设计的温度测量过程中,当单片机接到温度测量指令后,首先将功率输出降到0(即磁场电流= ),然后单片机23脚由低电平变成高电平,控制继电器动作,断开控制磁场电流的功率达林顿管基极分流电阻R,进一步将磁场电流从 增加到 ,从而减少磁控管阳极电流,降低“漏能”辐射功率,减少其对热电偶的干扰。

 

4　第三金属的影响

由热电偶的工作原理可知,回路中的热电势ET仅与测量点的温度T和参考点的温度T0有关。但是,若热电偶中接入了第三金属,如图5所示,情况就不一样了。

 

 

下面,借助接触电势差的概念来说明这个问题。当2种不同金属接触时,它们之间发生的电势差称为接触电势差,接触电势差的大小不但与金属的种类有关,而且与接触层的温度有关。第三金属的接入,增加了两个接触面1和2,对应有2个接触电势差V1和V2。当两接触面1和2温度相同时, V1和V2的大小相等,方向相反,相互抵消,对热电偶的工作没有影响。但两个接触面1和2温度不相同时, V1≠V2,这时热电偶的电势就与第三金属的接入有关了,这是不希望看到的现象。避免出现这种情况的常用方法有:(1)尽可能不接入第三金属。(2)尽可能保持第三金属两个接触面的温度一致。

BSD400热疗机,RF-8热疗机等采用的是第1种方案。这两种机型所用热电偶接插件都是专用的铜-康铜插头插座套件。这样做不仅成本高,而且这种专用接插件与热电偶线材的材料也很难完全一致;这种专用接插件在满足热电偶电气性能的同时,能否满足接插件机械性能和化学性能方面的要求,亦令人怀疑。此外,热电偶回路的结构比较复杂,包括印制板走线,仪表放大器的引脚(IC制造工艺中为了提高IC引脚的硬度,在引脚中加入了镍合金,这样IC引脚亦成为类似康铜的金属)等,要全部用上铜-康铜接插件也有一定困难。基于这些考虑,UHR-915微波热疗机热电偶测温装置采用的是第2种方案:主要以匀热为主,尽可能保持第三金属两接触面的温度一致。这些措施包括在每个通用5芯航空插件上增加紫铜匀热槽;将包含仪表放大器的输入电路全部置于紫铜匀热盒内。实验表明,这些措施可以将第三金属接入对温度测量的影响控制在0.1℃以内,取得了良好的效果。

5　温度定标与校准

在较窄的温度区间,热电势可以看成是温度的一次线性函数。只要在测温范围内采样两个点,通过与标准水银温度计比较,就可以确定该一次线性函数的斜率与截距;这个过程称为温度定标。经验表明,由于恒温槽热敏电阻阻老化,接插件的物理化学性能改变,放大器、A/D转换器件、电阻、电容参数随时间漂移等因数的影响,热电势发生改变;并且这种改变以漂移的形式为主。所以,在不太长的时间内,只要对这种漂移做出修正,就可以满足实际测量的需要。完成热电势漂移的修正,只需采样1个温度点,通过与标准水银温度计比较,调整热电势一次线性函数的截距来实现;这个过程称为温度校准。显然,温度校准只要采样1个温度点,较温度定标过程方便了许多。在实际工作中,采用15 d做1次温度校准,90d做1次温度标定的办法,可以使该测温装置得到及时校正,满足临床应用的要求。用BALANDC++与FOXPRO混合编写的温度校准和温度标定的应用程序安装在系统机上,操作系统将定时启动该应用程序提醒用户按菜单完成温度标定或校准工作。

6　测试结果及结论

热电偶测温装置的测温范围为30~50℃。将8个测温探头与标准水银温度计绑在一起,置于装满温水的保温瓶内。通过改变保温瓶内水的温度,可以将测温装置的测试结果与标准水银温度计进行计较,表1提供了1组实测数据。

 

 

经计算,测温准确度达到±0.2℃,满足了设计要求。这说明该测温装置在高强度微波环境下采用的一系列特殊措施行之有效。当然,大量常规抗电磁干扰措施(如电源滤波,软件滤波,屏蔽,接地等)亦不可缺少。