一种基于计算机控制的低频低功率超声治疗仪的设计与实现

2014-01-29孙义新

医疗卫生装备 2014年2期

张亮，孙义新，宋晨，田亮，付建

0 引言

超声治疗恶性实体肿瘤技术是近年来兴起的一种非侵入性治疗肿瘤的新技术[1]，利用超声进行肿瘤治疗的相关仪器已应用于临床研究[2-7]。但是在临床使用中，超声换能器的机械结构特点易造成温漂、频漂，影响超声功率的稳定输出。为了克服此项缺点，主要的解决办法为改善超声换能器的机械结构来减小温漂、频漂，但由于超声换能器机械加工的精度要求高，超声输出造成超声换能器的温漂、频漂很难克服，因此，为了保持稳定的超声输出，研发具有自调整功能的超声信号发生系统是关键[8]。超声治疗仪器在使用过程中缺少对治疗患者的信息记录、存储管理的功能，不方便医生进行患者信息的查阅和根据查阅信息制定治疗方案，因此，影响了临床的治疗效果。本研究设计的基于计算机控制的低频低功率超声治疗仪为肿瘤治疗提供了一种新型仪器，方便医生查阅患者治疗的历史信息，并且通过数字频率发生器与自适应负载技术，超声功率输出稳定，临床治疗操作简便。

1 系统简介

该低频低功率超声治疗仪由计算机、主机、超声换能器组成，系统结构如图1所示。其中，主机由单片机、数字信号发生电路、驱动电路、功放电路、信号取样电路组成。单片机控制数字频率发生电路产生稳定的超声频率信号，信号经前置驱动电路和功放后输出到换能器，反馈电路取得反馈值，改变发送频率。超声换能器在工作中由于温升频漂，易造成超声输出功率降低。自适应负载技术是通过取样电路将超声换能器的工作状态反馈到单片机（单片机内写入功率输出算法），单片机采样后自动调整信号输出参数，使超声功率输出稳定在2 W。计算机监测和显示超声换能器的工作状态，并可在治疗过程中根据患者对超声功率的耐受能力适当地改变超声功率值的输出大小，保证治疗达到最佳效果，计算机软件记录存储患者治疗前后的信息。

图1 系统结构图

2 主机电路设计

2.1 数字频率发生电路

数字频率发生器由AT89C51、AD9833构成，如图2所示。

图2 数字频率发生电路

信号源采用AT89S51单片机控制，内置8 KB可编程只读存储器，256 MB内部RAM，32位可编程I/O总线。AD9833的SCLK脚、SDATA脚、FSYNC脚与 AT89S51的 P1.0、P1.1、P1.2引脚相连。AD9833的核心是28位相位寄存器，输出频率fout为：

式中：fmcl为中心频率，由初始编程给定；k为频率控制字（1

2.2 负载反馈电路

负载反馈电路由取样电阻、有效值芯片AD536AJH、ADC0804构成，如图3所示。

ADC0804是单芯片集成化逐次比较式AD转换器，片内有三态数据输出锁存器，单通道输入方式，转换时间约为100 μs，电源电压为+5 V。CLK-N和CLK-R两端外接10 kΩ电阻与30 pF电容为ADC0804提供转换所需要的时钟。AD536为有效值转直流值单块集成电路，为双电源供电（+5，-5 V），其频带很宽，可以测量到频率为300 kHz、电压值在100 mV以上、带有3 dB误差的信号电平。通过取样电阻取样的电压信号经AD536转换成直流值输入VIN+，此时输出数据寄存器DB0～DB7各端上出现8位并行二进制数码，送至89C51的P02口。单片机实时采样取样信号，根据单片机内写入的功率输出算法调整超声的输出频率，使超声功率输出稳定在2W。

2.3 功放驱动电路

功放驱动电路由TL082、继电器、IRF350构成，如图4所示。

TL082为通用的J-FET双运算放大器，较低的偏置电压和偏移电流，输入级有较高的输入阻抗，内置频率补偿电路，较高的压摆率，最大的工作电压为18 V。IRF350为一N沟道的场效应管，大功率末级驱动管，工作参数为400 V/16 A。TL082供电电压为+12 V，作为电压比较器，控制信号的导通与截止。单片机的P3.2开机延时三极管Q3导通，从而延时继电器的吸合，起到开机延时导通的作用，防止开机导通大电流的冲击。TL082使频率信号电平转化为±12 V电平信号驱动功率管IRF350，且以作为电压比较器产生两路相位相反、信号幅度相同的信号，从功率管IRF350栅级输入，形成推挽导通，保持功率管相互处于完全导通的状态，减少功放电路中的功耗。

2.4 通信电路

通信电路由MAX232芯片构成，如图5所示。

MAX232芯片是MAXIM公司生产的包括两路接受器和驱动器的IC芯片，适用于各种EIA-232和V.28/V.24的通信接口。MAX232内部有一个电源电压变换器，可以把输入的+5 V电源电压变换成RS-232输出电平所需要的±10 V电压，所以，采用此芯片接口串行通信系统只需接单一+5 V电源。单片机的串行口P3.0、P3.1脚分别接MAX232的R1in和T1out，MAX232的R1in和T1out分别接上位机串行口。MAX232外接5 V电源和C1～C5 5个1 μF外围电容。

图3 反馈电路

图4 驱动电路

单片机选择定时器一的工作模式二，定时时间由下式确定：

式中：T0为初值的控制字，fosc为晶振频率。

SCON寄存器赋值为50 H，则串口工作于方式一，PCON赋值为80 H，SMOD值为1。通信串口波特率为 9 600 bps，晶振为 11.059 2 MHz，波特率误差为0%，保证数据正常收发。

3 软件系统

3.1 下位机控制系统

下位机控制系统软件采用C语言进行编程。开机程序初始化之后，主程序扫描有无键按下，当判断到有键按下开始系统扫频。由单片机控制数字频率发生器AD9833发送一个已知频率，频率值为19.8 kHz。经由驱动电路驱动超声换能器在该频率下工作，由反馈电路取得反馈值。反馈电流经有效值芯片AD536处理后送给A/D转换模块，再送给单片机。改变发送频率，原频率以2 Hz为步长依次递增。重复循环以上步骤，记录该频率下对应的反馈值，找出最大反馈值所对应的频率，发送该频率即谐振频率。下位机软件流程如图6所示。

图5 通信电路

图6 下位机软件流程图

3.2 上位机控制系统

上位机控制系统软件采用Visual Basic（VB）语言进行编程。由MSComm控制器通过串行端口发送接受数据，串行口波特率设置为9 600 bps。VB中的MSComm.ocx是用于串行通信的控件，使用该控件将其添加到工具箱（toolbox）内，系统选用COM1口，波特率为9 600 bps。上位机软件流程如图7所示。该系统可控制监测换能器的工作状态，记录治疗时间，病例管理可记录患者的治疗资料，如图8所示。

图7 上位机软件流程图

4 讨论

在这一新型装置系统的研制中，应用数字频率发生技术与基于混频技术的超声信号扫频技术[8]相比，信号稳定度高、自适应度强，在19.8～20.7 kHz信号频率范围内，通过自适应技术的应用自动识别各类超声手持治疗头（负载）的不同驱动频率。与传统低频治疗仪（NTY-300）[9]相比，基于计算机控制的低功率超声治疗仪具有以下明显优点：

（1）计算机控制，故障率降低，操作简便。（2）可视化输出界面，可定频或扫频输出。（3）输出超声功率更加稳定。（4）具有状态检测控制及数据存储调用的功能。