基于变频原理的超声波治疗仪设计_洪文学

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 第 25 卷 　第 2 期 2006 年 　4 月 北京生物医学工程 Beijing Biomedical Engineering Vol125 　No12 Apr. 　2006 基于变频原理的超声波治疗仪设计 洪文学 　张旭 　　摘 　要 　介绍一种新颖变频超声波治疗仪的设计方法。针对常用超声治疗仪存在的问 , 提出了变频超声 的学术思想 , 用不同频率的超声信号产生不同刺激深度的信号。采用 MSP430 系列超低功耗单片机作为控制芯 片 , 压控振荡器作为产生可变频率的核心模块 , 配有显示模块、键控模块等。整机结构新颖 , 体积小 , 智能化 程度高 , 操作方便 , 使用安全可靠。 关键词 　超声治疗 　变频 　物理治疗 　单片机 中图分类号 　R31816 文献标识码 A 文章编号 100223208 (2006) 0220137204 Ultrasonic Therapeutic Apparatus Design Based on Frequency Conversion Theory 　HONG Wenxue , ZHANG Xu. 　 Biomedical Engineering Institute of Yanshan University , Qinhuangdao , Hebei province 　066004 【Abstract】　This paper presents the design of ultrasonic therapeutic apparatus based on frequency conversion. The design puts forward scientific idea on frequency conversion , which aims at ultrasonic therapeutic apparatus problems in common use. It uses ultrasonic signals of different frequency to bring signals of different stimulative depth. A msp430 series ultra low power MCU is adopted as controlling chip , and a voltage2to2 frequency converter is used as core module on producing various frequency , with display module and key controlling module. This apparatus is novelty in framework , small in volume , with high intelligence , convenience in operation , safety and reliability. 【Key words】　ultrasonic therapeutic 　　frequency conversion 　　physical therapy 　　MCU 作者单位 : 燕山大学生物医学工程研究所 (河北 秦皇岛　066004) 作者简介 : 洪文学 (1953 —) , 男 , 教授。 　　近年来 , 超声治疗技术步入新的发展时期 , 并 在若干方面取得了突破性进展 , 与其他的物理疗法 相比较 , 超声疗法治疗时间短 , 无创伤 , 并且治疗 的深度可以控制。超声疗法的出现与发展 , 使超声 治疗在当代医疗技术中占有越来越重要的地位。超 声治疗仪目前多采用固定频率的技术 , 即采用 单片机晶振提供频率 , 结合特定触发器进行分频 , 从而得到所需频率的超声信号进行治疗 , 这种频率 是固定的 , 不可变的。而关于变频超声的研究只有 很少的文献报道 , 且多集中于在高频范围内变化的 超声电机、调速器、超声马达等领域。 由超声治疗的机理可知 : 不同的超声频率将会 导致超声信号进入人体深度有所不同。基于上述事 实 , 研究变频超声治疗仪有着重要的应用价值。 1 　变频超声治疗的主要机理 在超声治疗中 , 超声波主要现为在机体传播 中发生机械效应、温热效应、空化效应等几种生物 效应。 (1) 机械效应 　当声强较低时 , 生物组织在超 声作用下产生弹性振动 , 其振幅与声强的平方根成 正比 ; 声强较高时 , 组织间的结合力被破坏 , 产生 碎裂 , 这种效应为机械效应。 (2) 热效应 　由于生物组织对超声波的吸收特 性 , 使部分超声能量转化为热能 , 引起组织温度的 升高 , 高强度聚焦的温升可达 100 ℃。 (3) 空化效应 　在含水量较大的生物组织中或 液体里 , 大量的微气泡 ———即空化核 , 在周期性交 替变化的声压的作用下 , 体积在急剧地膨胀、压 缩 , 直至破裂 , 产生局部的高温、高压 , 改变了生 物组织结合的状态 , 或者引起生物化学反应的 进行。 在超声治疗的过程中 , 往往利用超声波对生物 组织的某个或几个特有效应。经研究表明 , 超声波 在生物组织中传播时 , 能量衰减系数α的值等于 单位距离上声压振幅比的自然对数 , 即 α = 1Πs ·ln p1Πp2 (1) 　　式中 , α是衰减系数 ; p1 、p2 分别是超声传 播路径上 2 点处的声压振幅 ; s 是这两点间的距 离。由公式 (1) , 衰减系数在声压振幅比一定的情 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 况下 , 与传播距离 , 即进入深度成反比。 实验数据的处理结果显示 , 生物软组织中声衰 减系数与非生物的均匀媒质不同 , 它是频率的函 数 , 即 α = c1 f (2) 　　式中 , α是衰减系数 ; c1 称为衰减斜率 , 为 常数 , 对于一般软组织在 1～2 之间 , 肝、脾、脑、 肌肉等大多数软组织接近于 1 ; f 是超声频率。根 据公式 (2) , 超声波在生物组织中的衰减值随频率 近乎线性增加 , 即频率越大 , 衰减系数越大 , 衰减 越快。 综上所述 , 超声频率的变化规律与超声进入人 体的深度是相一致的 , 从而在理论上说明运用变频 方法研究超声波在组织中传播及治疗的可行性。 2 　超声治疗仪设计的安全性问题 经多次试验表明 , 超声波在用于治疗时 , 应特 别注意其剂量、方法、位置等重要环节 , 尤其在以 人体作为治疗对象时 , 针对不同的治疗部位应考虑 采用不同剂量的超声信号 , 以免对人体造成不必要 的损害 , 比如 , 一些大剂量 (2～3WΠcm2 ) 超声波 对脑组织有伤害 , 而且有诱发血管内皮肿胀、血管 破裂的危险。 众所周知 , 超声波作为一种物理因子 , 在强度 不变的条件下 , 其一般规律是随着声传播的距离的 增加 , 声强逐渐减弱。声强与距离成反比 , 生物学 效应与时间成正比。国内研究结果大体上可以认为 超声辐照时间较长 ( > 20min) 就会对人体造成潜 在危害。故安全问题实质是一个控制辐照剂量问 题。在临床应用超声进行治疗时 , 要坚持小剂量、 短时间、少次数的原则 , 尽可能使超声安全可靠地 进行治疗。 3 　系统硬件设计方案 本仪器是基于变频超声信号能进行医学治疗的 原理设计的 , 由于力图进行低频治疗 , 设计产生超 声信号频率在 1MHz 以下 , 最大功率在 112WΠcm2 ; 采用固定调制与脉冲调制相结合的方法 , 能够实现 时间预定功能、针法选择功能、强度选择功能和功 率指示功能 , 系统硬件结构框图如图 1 所示。 311 　单片机系统 本设计之中单片机系统采用 MSP430 型单片 图 1 　变频超声治疗仪原理框图 Fig 1 　Theroy figure for ultrasonic therapeutic apparatus of frequency conversion 机 , 该单片机是一种高性能、低功耗的绿色单片 机 , 是一个具有明显技术特色的单片机品种 , 其代 码存储空间从 1k 至 60k 不等。MSP430 系列单片机 具有丰富的片内外设 , 有极其广阔的应用范围。 312 　压控振荡器部分 压控振荡器采用 BB 公司的电压频率控制芯 片 , 根据压控振荡器的芯片资料可得 VFC 的具体 工作波形如图 2 所示。 图 2 　积分器与 VFC输出时钟波形 Fig 2 　Integrator and VFC Output Timing Fout = 1Π( t1 + t2 ) (3) 在 t1 + t2 这段时间里 , 积分电容 C2 虽然进行了充 放电过程 , 但是纯粹电压变化是零 , 也就是说 , 电 荷变化数也为零 , 即 ΔQ = 0 = Iin ·t1 + ( Iin - Ia ) ·t2 其中 Ia 是内部工作电流 , ·831·　 北京生物医学工程 第 25 卷 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 因此 , Iin ·( t1 + t2 ) = Ia ·t2 但是由于 1Π( t1 + t2 ) = Fout 和 Iin = V inΠR1 可以得到 Fout = V inΠ( Ia ·R1 ·t2 ) (4) 在 t2 时间内 , 电流 Ib 对外接充电电容 C1 充电直 到它的电压达到 - 715V 并触发内部比较器 , 因而 t2 = ( c1 ·715)ΠIb (5) 由公式 (4) 、(5) 得出 Fout = V inΠ(715 ·R1 ·C1 ) ×IbΠIa 由于 Ia = Ib ,那么得到结果为 Fout = V in 715 ·R1 ·C1 (6) 　　式中 , Fout为压控振荡器的输出频率 ; V in是压 控振荡器的输入电压 ; R1 、C1 分别是压控振荡器 的输入电阻和外接充电电容。由公式 (4) , 输出频 率是可以由输入电压来控制的 , 这从原理上解决了 实现可控变化频率的问题。 采用上述电路与芯片原理 , 可得具体电路图如 图 3 所示。其中 , 利用 MSP430F135 作为核心控制 器 , 对该控制器加以 3V 的电源电压和 32768Hz 的 晶振 , 这些都是单片机可以正常工作的必要条件。 该单片机的 P6 口与 8 位模Π数转换器的 D0～D7 相 连接 , 通过 P6 口对数模转换器的数字输入部分进 行控制 , 经过数模转换器的内部工作 , 在 DΠA 的 输出端得到不同大小的输出模拟电压。另外 , DAC 的模拟输出端 OUT 与压控振荡器的输入端 IN - 连 接 , DΠA 的模拟输出部分的电压加到压控振荡器的 反向输入端 IN - , 根据压控振荡器的原理 , 当输 入部分由反向接入时 , 正向输入端应采取短接的措 施 , 而且其他的几个引脚也必须通过一定的电阻与 电容器件进行必要的连接 , 通过输出端的集电极开 路电路 , 人们就可以从压控振荡器输出端 F OUT 就可以得到可控制的频率信号。 综合整个电路设计来看 , 实现了通过微型单片 机来控制系统频率的变化 , 实验中整个系统也比较 稳定 , 达到了设计的目的 , 充分体现了本设计所提 出的变频的学术思想。 313 　超声换能器部分 利用变频系统可以改善能量累积的横向一致 性 , 本文提出并实现了一种变频驱动系统用于超声 图 3 　变频超声治疗仪硬件电路 Fig 3 　Hardware circuit for ultrasonic therapeutic apparatus of frequency conversion 治疗。该系统能同时驱动工作于不同谐振频率的超 声换能器或工作于同一谐振频率的超声换能器。由 于本系统的设计引入了微处理器和电压控制频率技 术 , 分别控制工作频率的产生、控制与调节 , 使得 频率的调节极为方便和简单 , 该系统能够同时驱动 工作于不同谐振频率的超声换能器 , 驱动每一超声 换能器的频率 , 功率均可单独控制 , 因此可以有效 控制焦点 , 即治疗位置和治疗的剂量。选择不同的 超声换能器 , 可以实现不同频率治疗的目的。 本课题采用低频超声探头。此探头采用压电陶 瓷制作 , 适用于超声治疗 , 直径 20mm , 最大工作 频率 1MHz , 工作频率范围在 500kHz～1MHz 之间 , 最大功率为 112WΠcm2 , 照片如图 4 所示。 图 4 　超声换能器实物照片 Fig 4 　Practicality photo of ultrasonic transducer 4 　系统软件设计方案 在设计本超声治疗仪时 , 由于考虑到小型化的 ·931·第 2 期 基于变频原理的超声波治疗仪设计 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 要求 , 对单片机的资源进行了最大限度的利用。系 统中的所有控制信号都由单片机的 IΠO 口承担 , 超 声治疗的定时时间也由软件编程实现。这样就大大 节省了硬件 , 有利于仪器的小型化 , 并减小了因为 硬件故障而引起的系统不稳定。程序图如图 5 所示。 图 5 　程序流程图 Fig 5 　Flow chart of program 初始化程序包括清屏、开中断和设置初始的默 认参数。设置的参数有超声治疗方式、定时时间、 输出强度 3 项 , 以中文菜单选择项目及参数值 , 并 用动态图形显示工作状况。由于键盘以中断方式工 作 , 故在超声治疗过程中也可以随时改变参数而并 不中断仪器工作。定时功能由单片机定时器承担。 当参数设置好以后 , 就可以按启动按键启动超声治 疗仪工作 , 当按下暂停键或预定时间到了 , 仪器将 　　　 图 6 　工作方式选择 (方式一为频率增长方式 , 方式二为频率降低方式) Fig 6 　Working choice 停止工作。如果出现错误操作 , 系统进入保护状 态 , 电源自动切断 , 输出停止 , 并发出警告信号。 为了体现本设计中的主旨思想 , 即利用超声频 率的变化进行治疗 , 在程序流程图 (图 5) 中的参 数设置环节还需进行如图 6 的工作方式选择 , 利用 这样的软件设计环节 , 才可以更好的体现本治疗仪 所具有的变频特点 , 具体设计方案见图 6。 5 　结 　论 本文提出的基于传统针刺规律的超声治疗学术 思想 , 经过试验验证是可行和正确的 , 作为一种新 的原理 , 换能器驱动电路还需要作进一步的研究。 利用超声波的刺激和热作用等一系列生物效应 开展超声治疗的实践证明 : 超声波治疗可给人类的 生命健康提供保证 , 同时集成了变频超声的新颖设 计可以使治疗变得更加简单易行 , 效果更加理想。 医疗仪器的小型化、智能化是其发展的趋向 , 与单片机结合组成嵌入式系统已经成为一个常规的 做法。最大限度地利用单片机资源和一些功能模块 芯片能够有效减小系统体积、减少功耗 , 有利于节 省资源。此超声波治疗仪本着这样的原则 , 使得仪 器比传统型体积更小 , 操作更方便 , 性能也更 稳定。 参考文献 [ 1 ] 　俞世勋 , 高敬龙 , 等. 脑血管疾病超声治疗学. 西安 : 陕 西科学技术出版社 , 1999 [ 2 ] 　周永昌 , 郭万学. 超声医学. 第 3 版. 北京 : 科学技术文 献出版社 , 1998 [ 3 ] 　曾屹. 电脑多功能超声治疗仪的研制. 医疗卫生装备 , 1999 , 5 : 3 - 4 [ 4 ] 　张红梅 , 陈光杰. 超声治疗仪的电路仿真设计. 医疗卫生 装备 , 2001 , 5 : 11 - 12 [ 5 ] 　史文勇 , 周兆英 , 等. 超声治疗的主要机理及应用. 测试 技术学报 , 1998 , 12 (3) (2004209227 收稿) ·041·　 北京生物医学工程 第 25 卷