一种带状疱疹超声治疗仪的设计

郭志舒， 刘新妹,2

(1. 中北大学 信息与通信工程学院， 山西 太原 030051； 2. 中北大学 电子测试技术国家重点实验室， 山西 太原 030051)

0 引 言

带状疱疹是由水痘-带状疱疹病毒(Varicella-Zoster Virus, VZV)引起的一种皮肤性疾病[1]. 目前， 治疗该疾病的主要方法为内服药物和外用药物， 这些方法的治疗时间漫长， 容易对患处肌肤造成损害.

超声波治疗因其治疗有深度、 起效快、 无任何副作用的优势， 得到广泛的应用. 如： 美国DJO公司的Chattanooga7166型超声治疗仪用于治疗杜普赖氏疾病[2]， 法国赛特力公司的P5系列超声治疗仪用于牙周根管的治疗[3]， 普罗医学UT-1000型超声治疗仪用于肢体运动障碍的治疗[4]， 多浦乐T-5000型超声治疗仪用于慢性软组织损伤的治疗等[5]. 但上述的超声治疗仪输出频率单一， 没有空载保护功能.

针对带状疱疹这种疾病， 本文以超声波的生物学效应作为治疗机理， 设计出一种多种频率选择、 多档强度调节和具有空载保护等功能的超声治疗仪. 本治疗仪利用超声波进入患处组织产生的温热效应加快局部的血液循环速度， 进一步加强新陈代谢， 使细胞的缺血缺氧获得改善， 降低神经的兴奋程度， 起到镇痛的作用[6]； 通过机械效应加强患处组织内血液和淋巴的循环， 改善组织营养以及细胞内蛋白合成速率， 从而提高细胞的再生能力[7]； 通过理化效应使患处细胞液内环境的弱酸性发生改变， 症状得到缓解[8].

1 总体设计

1.1 技术指标

本文设计的主要技术指标要求： 根据临床治疗带状疱疹的成功案例， 将 0.8 MHz, 0.9 MHz, 1 MHz 作为本设计的输出频率， 参照YY/T 1090—2018《中华人民共和国医药行业标准》中超声理疗设备的规定， 本设计输出频率的技术指标为(0.8±10%)MHz, (0.9±10%)MHz, (1±10%)MHz； 参照GB9706.205—2020《医用电气设备》中超声治疗设备专用安全要求的规定， 本设计的治疗仪输出声强不能大于2 W/cm2， 综合考虑， 本设计输出4种超声强度： 0.25 W/cm2, 0.5 W/cm2, 0.75 W/cm2, 1 W/cm2； 超声治疗时间为5 min～20 min， 步进值为5 min.

1.2 结构组成

本治疗仪由主控模块、 高频信号生成模块、 功放模块、 超声波换能器模块、 附属功能模块和电源模块组成. 附属模块包括空载保护、 人机交互和远程控制模块. 组成框图如图 1 所示.

主控模块负责接收各模块的信息和对各模块进行控制； 高频信号发生模块用来产生高精度正弦激励信号； 功放模块的作用是对高频激励信号进行功率放大， 输出满足设计要求的超声波； 空载保护模块主要是确保治疗仪使用过程中的安全性； 人机交互模块可以用来显示和调整当前治疗的参数； 远程控制模块则是扩展了治疗仪的使用场景， 使本设备更加智能化； 电源模块为系统各部的正常工作提供合适的电压.

图 1 带状疱疹治疗仪组成框图Fig.1 Block diagram of herpes zoster therapeutic instrument

2 硬件设计

2.1 主控模块

采用ST公司的STM32F103ZET6[9-10]作为主控芯片. 该芯片采用ARM V7架构的 Cortex-M3 内核， 处理性能强劲； 外设资源丰富且每个外设都有独立的时钟开关， 可以实现功耗的极低控制； 支持STWD和JTAG调试口， 降低开发成本； 通用I/O口有112个， 完全满足本设计多外设的需要. STM32F103ZET6的最小系统包括单片机、 晶振电路、 复位电路等， 具体连接如图 2 所示.

2.2 高频信号发生模块

正弦高频激励信号由DDS方式来产生， 芯片采用Analog Device公司生产的AD9833.

AD9833是一款能耗较低的芯片， 在外接电压为3 V时， 其功耗仅为20 mW. 该芯片在25 MHz参考时钟下， 生成信号的频率精度为0.1 Hz； 在 1 MHz 参考时钟下， 能够达到 0.004 Hz 的精度[11]. 通过对AD9833的3个串行外设接口编程就可以输出频率和相位可调节的不同种类的波形信号(正弦、 方波和三角波).

基于AD9833芯片设计的高频正弦波发生电路如图 3 所示， 主要由AD9833芯片搭配外部晶振电路、 电阻电容电路以及利用对外提供的SPI通信接口， 通过软件完成波形各项参数的调节.

图 3 AD9833高频正弦波发生电路图Fig.3 AD9833 high frequency sine wave generation circuit diagram

2.3 功放模块

功放模块由程控放大电路和功率放大电路两部分组成. 先由程控放大电路将高频激励信号的幅度进行精确放大， 再由功率放大电路在不改变输出信号的电压幅值的前提下， 进一步提高信号的输出功率， 以更好地驱动超声波换能器.

程控放大电路设计如图 4 所示. 高频正弦信号先经过AD8051初级反相比例放大电路， 再经过由ADG704和AD8051组成的程控反相比例放大电路.

图 4 程控放大电路图Fig.4 Program-controlled amplification circuit diagram

功率放大电路设计如图 5 所示. 本设计使用OTL电路对高频激励信号进行功率放大， 在传统的OTL电路上加入了对管设计， 确保对管输出点位于电位中间位置从而达到功率的最佳放大.

图 5 功率放大电路图Fig.5 Power amplifier circuit diagram

2.4 远程控制模块

目前， 设备接入互联网的方式主要有以太网、 WiFi、 4G、 手机热点等. 结合成本以及实用性方面的考虑， 本文使用工作在2.4 GHz频段的WiFi通信方式作为互联网接入方式. 采用上海乐鑫公司生产的ESP32-WROOM-32D模组， 由该模组中的WiFi模块与路由器完成连接， 通过串口与主控芯片STM32进行通信， 完成设备的上云， 从而实现手机端APP远程控制设备的功能.

ESP32-WROOM-32D最小系统电路如图 6 所示. 由于采用该模组的WiFi模块， 所以不需要进行复杂的射频电路匹配等工作， 同时， 板载PCB天线使得硬件电路设计更简便可靠.

图 6 ESP32-WROOM-32D最小系统电路图Fig.6 Circuit diagram of ESP32-WROOM-32D minimum system

2.5 电源模块

本设计采用开关型稳压电源与线性稳压电源混合方案. 由于220 V交流电转换为12 V和 5 V 直流电压时压差较大， 因此选用开关型稳压电源. 电路中主控芯片以及外围器件一般工作电压为3.3 V 左右， 结合这一特点采用线性稳压电源进行供电.

图 7 为基于AP0512N10电源模块设计的开关型稳压电路.

图 7 开关稳压电路图Fig.7 Switching regulator circuit diagram

线性稳压电源采用AMS1117-3.3芯片. 基于并联线性稳压芯片扩展输出电流思想设计的线性稳压电路如图 8 所示.

图 8 线性稳压电路图Fig.8 Linear regulator circuit diagram

2.6 空载保护模块

空载保护对于超声波治疗仪是不可缺少的， 当设备发生空载时， 主控芯片就自动切断输出， 同时通过声光报警来提示用户.

本设计将AD8051作为电压跟随器， 正弦信号通过AD8051后进行分压， 再输入到AD8436进行有效值转换. 输出的直流电压输入到主微控制器的A/D端口进行采样， 将采样值与设定值进行比较， 若超出设定值， 就判定发生空载. 空载保护电路如图 9 所示.

图 9 空载保护电路图Fig.9 No-load protection circuit diagram

3 软件设计

3.1 系统软件总体设计

本设计的软件系统总流程如图 10 所示.

图 10 软件总体流程图Fig.10 Overall software flow chart

开机后系统初始化运行， 此时可以选择是否将设备接入互联网通过手机移动端APP设定治疗参数进行治疗. 设备不进行联网会按照默认设定的参数值(治疗频率为1 MHz、 治疗强度为1 W/cm2、 治疗时间为10 min)来治疗， 也可以通过人机交互界面来修改当前的治疗参数(频率、 强度、 时长等)后进行治疗. 在设备启动的同时， 系统会同步计时. 当治疗时间达到设定值后， 设备会停止工作. 在治疗过程中， 设备实时进行采样对比， 当超过设定的阈值时， 系统判定发生空载， 设备报警并且停止工作.

3.2 配网及连接云服务器

本设计采用SmartConfig技术， 通过乐鑫公司开发的ESP-Touch通信协议完成设备的配网. 具体过程为： 通过ESP-Touch通信协议， 接入WiFi网络的手机向AP发送一系列的UDP包. 其中每一包的Length字段按照ESP-Touch通信协议进行编码， Length字段包含有SSID和密码， 随后设备便可获取并解析出所需信息， 并连接至路由器[12-13]. 基于ESP-Touch配网的具体设计流程如图 11 所示.

图 11 ESP-Touch配网流程图Fig.11 ESP-Touch network configuration flowchart

本设计使用消息队列遥测(Message Queuing Telemetry Transport， MQTT)通信协议完成设备和控制端APP与云服务器的数据接入. MQTT是由IBM发布的基于Publish/Subscribe(发布/订阅)模式的即时通信协议[14]， 其基本原理图如图 12 所示. 在本设计中治疗仪是消息的发布者也是订阅者， 云服务器作为信息的代理， 移动端APP通过云服务器完成与治疗仪的信息交互.

图 12 MQTT通信协议原理图Fig.12 Schematic diagram of MQTT communication protocol

3.3 移动端APP设计

移动端APP的主要作用是显示设备上报的数据以及向设备下发控制指令， 例如， 调节设备工作的时长、 超声波频率和强度(声功率)等， 若用户输入的参数超出本设计的范围内， 会进行相应的提示. 软件基于AndroidStudio集成开发工具在Java语言下进行开发. App界面的设计通过XML语言来完成， 包括用户登陆界面和监控界面. 图 13 为移动端APP登陆成功界面图.

图 13 移动端APP登陆成功界面图Fig.13 Login page of mobile terminal APP

4 测试结果与分析

4.1 输出频率测试

超声波治疗仪的实物图如图 14 所示. 输出频率的精度会影响设备的整体性能， 因此， 需要对该性能指标进行测试. 实验采用GFC-8010H型数字频率计， 3种输出频率下的测试结果如表 1 所示.

图 14 超声波治疗仪Fig.14 The ultrasonic therapeutic apparatus

由表 1 可知： 在0.8 MHz输出时， 最大偏差为0.750%； 0.9 MHz输出时， 最大偏差为0.778%； 1 MHz输出时， 最大偏差为0.900%. 在3种频率状态下， 0.8 MHz的输出频率精度最高， 1 MHz的输出频率精度比0.9 MHz的略低. 不同频率的输出频率精度与测试仪器的性能也有一定的关系. 本设计输出频率的技术指标为： (0.8±10%)MHz, (0.9±10%)MHz, (1±10%)MHz. 测试结果表明， 本治疗仪输出频率的精度较高， 达到了设计的要求.

表 1 输出频率精度测试Tab.1 Output frequency accuracy test

4.2 输出功率测试

超声波换能器输出功率的测试可以直接使用功率测试计测量， 也可以通过功放模块所提供的功率与换能器的输出功率之间存在的关系进行计算. 由于实验室条件和操作的复杂性， 不便对输出功率直接进行测试， 因此， 利用与换能器的转换效率间的线性关系， 定量分析本治疗仪的输出功率性能. 在输出频率为1 MHz状态下， 测试结果如表 2 所示.

表 2 输出功率测试Tab.2 Output power test

由表 2 可知： 功放模块的实际输出功率(电功率)随着超声强度(声功率)的增大而增大， 且与理论值的差值在误差允许的范围内. 验证了程控放大电路中ADG704实现了对不同输出强度的精确控制， 说明本设备具有良好的功率输出性能.

4.3 远程控制性能测试

延迟时间是指移动端APP发出控制指令到设备做出响应的时间间隔， 它是远程控制性能的重要技术指标， 其测试结果如表 3 所示.

由表 3 可知： 平均延迟时间为398.2 ms， 延迟水平在秒级以内， 能够实现用户在实际使用过程中对远程控制功能的良好体验.

表 3 延迟时间测试Tab.3 Delay time test

5 结 论

本文针对目前临床治疗带状疱疹存在的问题， 将超声波作为带状疱疹的治疗方式， 设计出一种带状疱疹超声波治疗仪. 由测试结果可知， 本治疗仪的输出频率及功率精度高， 达到设计的要求. 在满足基本治疗功能的前提下， 实现了移动端APP对设备的远程控制， 提升了治疗仪向智能化的程度.