（本页是纯文字版，点此阅读完整版全文）

手持式微波消融系统为未来提供动力

Eamon McErlean, Emblation^®, Stirling, Scotland

微波消融已成为医疗领域的一项变革性技术，特别是在微创治疗癌症肿瘤方面。工作频率为2.45GHz的传统系统往往体积庞大、价格昂贵，而且在临床环境中难以操作。Emblation^®正通过SwiftPro^®设备应对这些挑战，该设备是首款获得FDA批准的商用紧凑型手持微波消融系统。该解决方案的核心是高度集成的8GHz微波源模块，这对于实现手持设备所需的紧凑尺寸、效率和性能至关重要。

传统的微波消融系统依赖磁控管技术，该技术以高效著称，但也存在相当大的缺陷。这种设备体积大，工作电压高，需要笨重的冷却装置，因此操作繁琐且成本高昂。这些局限性限制了此类系统在外科手术中的使用，阻碍了微波消融技术的广泛应用，尤其是在门诊或资源有限的环境中。

开发手持式微波消融系统面临着一系列独特的挑战。其中一个主要障碍是尺寸和重量的限制。与传统系统不同，手持设备必须既小巧又轻便，同时还要保持有效消融所需的性能。另一个关键因素是功率效率。微波消融需要精确输送高频电磁能量。在手持设备中，这一需求要求对功耗和热管理进行仔细优化，以确保在不产生过多热量的情况下可靠运行。微波元件的集成也带来了巨大的挑战。要在不影响关键元件性能或可靠性的前提下实现微型化，需要重新思考设计方法和工程方法。最后，用户安全和人体工程学也是至关重要的因素。手持式消融设备不仅要保证病人和用户的安全，还要让医务人员在长时间操作过程中感到舒适和易用，这就强调了人体工程学设计和用户友好控制的重要性。

为了克服包括性能、重量、功率效率和热管理在内的关键设计难题，Emblation开发了图1所示的高度集成微波源模块。图片有意模糊处理的微波源模块安装在铜载体上。印刷电路组件是一块六层双面板，结合了微波层压板/FR4和嵌入式铜板（copper coin）。

图1 SwiftPro微波源模块。

该模块的核心是Qorvo的QPA1010 MMIC放大器，如图2所示。该器件是一款X波段碳化硅基氮化镓放大器，工作频率为7.9至11GHz。QPA1010的饱和输出功率为15W，功率增加效率为38%，信号增益高达18dB。该器件由24V电源供电，IDQ=600mA，并在24引线4.5×5.0×1.72mm气腔层压封装中集成了功率检测器。为了达到理想的线性度，需要使用R6、R17、C5和C14作为额外的旁路元件。

图2 Qorvo QPA1010应用电路和封装。

QPA1010在单个MMIC芯片中集成了多级放大器、偏置电路和控制逻辑。这种集成大大减小了MMIC的尺寸、寄生损耗和放大器的整体尺寸，而这些都是设计微波便携式设备的关键因素。QPA1010外形小巧，可在保持最佳性能的同时，轻松与消融设备的其他组件（如电源管理和控制系统）集成。

要确保手持式消融设备能够为天线提供10W的功率，并满足在8GHz频率下工作的性能要求，需要进行大量的仿真和建模。电路级建模用于优化关键指标，包括增益、输出功率、稳定性和效率。这些仿真为QPA1010与前置放大器增益级的集成提供了指导，以确保整个放大器符合有效消融所需的性能指标。鉴于微波源模块必须满足60毫米×25毫米的占地面积，这一点尤其具有挑战性，如图3所示，该图也被有意模糊。在有限的空间内，使用了非常短的元件间传输线，因此无法使用锥度或弯曲来调整元件连接垫的尺寸变化。此外，紧凑的结构和级联的高增益级容易产生反馈和振荡，通过对器件电源输入进行仔细滤波，克服了这一问题。

图3 紧凑型微波源模块电路组件。

手持式微波消融系统的高功率密度要求采用先进的冷却技术。这些技术包括针对特定热量集中区域的选择性散热策略，以及将放大器保持在安全工作温度范围内的专门热接口。热管理策略的一个关键组成部分是使用铜板技术，这是大功率电子设备中增强散热能力的一种常见做法。铜板是直接嵌入元件下方印刷电路板的高效热桥，为热量传递到散热器提供了有效路径。集成铜板具有高导热性，可与元件底部直接接触，而元件底部是产生热量最多的地方，从而最大限度地减少了热阻，实现了快速热传导。它与一个紧凑型散热器连接，该散热器将热量从一些特定的电路位置散发出去，在确保高效冷却的同时，保持轻巧紧凑的设计。

铜板技术通过快速散热、保持最佳工作温度以及与热补偿技术相结合帮助保持性能，从而大大提高了热性能。这种高效的热传导还允许使用更小的散热器，有助于将整个设备的尺寸和重量保持在最低水平。此外，有效的热管理还能确保整个设备保持凉爽的触感，提高用户在长时间操作过程中的舒适度。随后，在长时间使用测试期间，使用FLIR测量仪对其进行了验证，结果如图4所示。

图4 SwiftPro设备在模拟长时间使用过程中的热像仪图像。

微波设计完成后，要将其集成到整个消融设备中。这需要微波设计团队与负责电源管理、控制电子设备、固件、用户界面(UI)、产品设计和机械设计的其他团队进行协调。放大器的电源必须得到管理，以确保高效运行，同时尽量减少电池消耗。我们设计了一个定制的配电装置(PDU)，即使在不同的负载条件下也能为放大器提供稳定的电源。该PDU还必须通过低压3.7V锂电池或可选的主直流电源输入，为较高电压的微波电路和所有其他电子设备供电。集成高效的电源管理系统对该设备至关重要，既要满足高性能需求，又要实现最大限度减少电池消耗的目标。

电源管理工作是该设计的另一个重要挑战。传统的微波功率放大器设计通常保持恒定的静态偏置，导致即使在设备闲置时也会持续耗电。这种低效率会严重影响便携式设备的电池寿命，从而限制了其在临床中的应用，因为在临床环境中，移动性和长时间操作是必不可少的。为了应对这一挑战，SwiftPro实施了以动态偏置控制为中心的电源管理策略。这种方法通过固件控制动态调整放大器的偏置，以降低空闲期间和每次能量处理暂停之间的功耗。只有在进行主动能量输送时，才会启用全偏压。

消融设备的动态偏置控制机制允许放大器在能量传输期间快速提升偏置，并在设备不使用时解除偏置。这需要放大器的控制电路、PDU和整个系统逻辑之间的协调，以确保平稳过渡，同时不影响消融过程的质量或精度。通过最大限度减少闲置期间的耗电量，该设备可以长时间工作，一次充电可进行数百次治疗。

定制设计的PDU在支持动态偏置控制策略方面发挥着至关重要的作用。PDU专为在不同负载条件下提供稳定高效的功率而设计，可在工作和空闲状态下向放大器提供精确的电压和电流。PDU采用固件管理的自适应电力输送技术，可根据放大器的电流偏置要求持续调整输出，从而最大限度地减少功率浪费，最大限度地提高整体能效。这些自适应电力输送技术可确保放大器在任何特定时刻都能获得所需的精确功率，从而在优化性能的同时节省电池寿命。

除了管理电力输送外，PDU还具有电池保护功能，如低功耗"睡眠"模式和快速唤醒功能。这些功能使SwiftPro设备能够在待机和工作状态之间快速转换，从而在长时间停机期间降低功耗，同时又不影响设备的就绪状态。这种智能电源管理系统由软件和固件算法控制，可监控设备的运行状态、电池电量和使用模式，并进行实时调整以优化功耗。这些算法与用户界面的整合为医疗专业人员提供了有关电池状态和电源使用情况的实时反馈，使他们能够在手术过程中对设备的运行做出明智的决策。

用户界面的设计考虑到了医疗专业人员的需求，将易用性和直观操作放在首位。界面提供了用于调节功率水平和时间的消融参数控制，使用户能够快速调整设备的设置，以满足特定的临床要求。定制软件和固件的开发旨在确保用户界面与放大器控制逻辑之间的无缝通信。该用户界面还经过专门设计，以保持Emblation现有Swift产品的易用性和可用性，以及医护人员已经熟悉的协议。这种以用户为中心的方法使消融设备能够轻松集成到临床工作流程中，即使是对微波消融技术一无所知的从业人员也不例外。

在最初的设计和仿真阶段之后，我们开发了原型，并在各种使用条件下进行了测试，以验证性能并确定需要改进的地方。这些原型符合60601医疗设备标准的严格性能要求，包括专门针对微波医疗设备的IEC 60601-2-6标准。由于高功率微波放大器结构紧凑、发热量大，因此如何管理放大器在运行过程中产生的热量是一项主要挑战。

监管与技术开发一样严格。作为直接用于临床的医疗设备，消融设备必须满足多个市场的严格监管标准。SwiftPro设备在美国获得了FDA 510(k)认证（K222388、K240518），在欧洲的CE认证目前正在申请中。

生产SwiftPro需要在保持严格的质量控制标准的同时扩大生产规模。内部生产流程旨在确保一致性和可靠性，每台设备在发货前都要经过全面测试。关键部件，特别是氮化镓放大器，均从业内享有盛誉的领先半导体解决方案供应商处采购。对供应商的精心挑选有助于确保可靠的供应链，降低可能影响设备性能的元件短缺或不一致的风险。最终的SwiftPro设备及其底座如图5所示。

图5 SwiftPro微波消融设备和底座。

一项由关键意见领袖和顶尖临床医生参与的试点计划为市场推广提供了支持。这些早期采用者就设备的性能、人体工程学和临床实用性提供了宝贵的反馈意见，帮助完善了最终产品。从这些试点项目中获得的见解有助于优化设计和功能，确保在实际环境中满足医疗保健专业人员的需求。我们还制定了全面的培训计划，包括详细的教程、现场演示和专门的客户支持，以支持临床医生采用新技术。

结论

SwiftPro设备的成功上市是微波消融技术发展史上的一个重要里程碑。其性能和紧凑便携的设计为传统手术室以外的微波消融手术开辟了新的可能性。该设备和技术可用于门诊诊所、偏远地区，未来甚至可能用于家庭护理环境。通过在更广泛的环境中提供更多的治疗选择，这种可及性的扩大有可能大大加强对病人的护理。

除了目前在组织消融方面的应用，该技术未来还有可能扩展到其他医疗应用领域，如皮肤科和足科。这些应用可能包括治疗良性和恶性皮肤病以及其他各种皮肤病。Emblation的未来发展可能包括软件改进、扩大临床应用和新的治疗方案，以进一步提高设备的多功能性和临床价值。

致谢

Emblation获得了1906尤里卡新加坡英国皇家研究院第105977号拨款的资助。