基于ARM處理器的微波熱療儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種醫(yī)療設(shè)備相繼問世并得到廣泛應(yīng)用。其中，微波治療[1][2]以其優(yōu)越的止血效果、微小的組織損傷等優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)療行業(yè)推廣應(yīng)用了多年，其療效已得到醫(yī)務(wù)界的肯定。微波作用于機(jī)體組織時(shí)，它會(huì)引起組織細(xì)胞中離子、水分子和偶極子的高頻振蕩。當(dāng)使用小劑量微波時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生低熱效應(yīng)，增強(qiáng)患者患處的血液循環(huán)，加快新陳代謝，增強(qiáng)免疫能力，因此能促進(jìn)水腫吸收，消炎止痛;當(dāng)使用大劑量微波時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生高熱效應(yīng)，使蛋白質(zhì)變性、凝固、壞死，此時(shí)，微波具有“燒灼”、“切割”的作用。

微波治療儀是一種利用微波的生物學(xué)特性對(duì)各種疾病進(jìn)行治療的醫(yī)療設(shè)備，它綜合了微波、傳感器、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)軟件和硬件等高科技技術(shù)。市場(chǎng)上的微波治療儀的控制系統(tǒng)多數(shù)采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，普遍存在操作繁瑣、無圖形化操作界面、顯示不直觀的缺點(diǎn)。而采用PC機(jī)作為控制端的熱療儀又增大了設(shè)備的成本。這些因素都制約著該應(yīng)用的迅速普及推廣。

由于ARM嵌入式技術(shù)能使控制系統(tǒng)小型化，并且開發(fā)出來的產(chǎn)品功能強(qiáng)大，成本低廉，具有較高的性價(jià)比。因此，我們根據(jù)微波熱療儀的市場(chǎng)需要，開發(fā)了一種新型的基于ARM嵌入式系統(tǒng)[3][4]、配置WINCE.NET操作系統(tǒng)[5]的微波熱療儀。本應(yīng)用采用Embedded Visual C++工具[6]進(jìn)行開發(fā)，該產(chǎn)品能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體溫度，具有微波刀，消融針的功能。該系統(tǒng)具有控制集成度高，運(yùn)行穩(wěn)定，操作方便以及直觀的圖形化界面顯示等特點(diǎn)。

1 硬件系統(tǒng)

1.1 硬件功能簡(jiǎn)介

微波刀是一種將微波能量用來進(jìn)行外科手術(shù)的微波手術(shù)刀。它由頻率為2000～10000 MHz，功率70～150 W連續(xù)可調(diào)的微波功率源，通過傳輸線與手術(shù)刀具相連組成。微波源產(chǎn)生的能量經(jīng)傳輸線，沿手術(shù)刀具進(jìn)入患者手術(shù)部位，實(shí)現(xiàn)手術(shù)目的。它具有止血效果好,刀口不碳化,滅菌,防止手術(shù)感染等特點(diǎn)，并且體積小,操作靈活。消融技術(shù)是使微波治療源經(jīng)過人體自然腔道，準(zhǔn)確定點(diǎn)的介入到人體的局部病變部位，自動(dòng)精確的控制其治療功率、時(shí)間和治療范圍的技術(shù)。采用消融針能夠在不開腹的情況下對(duì)病癥進(jìn)行有效治療，痛苦小。

本系統(tǒng)的微波發(fā)射器可外接微波刀和消融針，工作情況如下：

(1)微波刀：手術(shù)中微波刀在使用時(shí)，用戶通過人機(jī)交互界面控制微波刀的輸出功率，同時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)累計(jì)微波刀的運(yùn)行時(shí)間，便于病歷記錄。

(2)消融針：消融針應(yīng)用于熱療時(shí)，用戶可預(yù)先設(shè)置消融針運(yùn)行功率、時(shí)間和警戒溫度，系統(tǒng)采用倒計(jì)時(shí)方式計(jì)算消融針運(yùn)行時(shí)間，時(shí)間歸零后，系統(tǒng)自動(dòng)切斷功率輸出。治療過程中，為了防止患者治療部位的溫度過高而造成組織損壞，系統(tǒng)還可以監(jiān)視患處的溫度變化情況，當(dāng)檢測(cè)到的溫度高于警戒溫度時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)低消融針的輸出功率;當(dāng)檢測(cè)到的溫度恢復(fù)正常后，系統(tǒng)恢復(fù)消融針的輸出功率為預(yù)先設(shè)置值。

1.2 硬件組成

整個(gè)硬件系統(tǒng)分為三大部分，即嵌入式系統(tǒng)模塊、溫度采集及控制模塊以及微波源。圖1是系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖。

圖1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2.1 嵌入式系統(tǒng)模塊

嵌入式系統(tǒng)模塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示，模塊采用三星公司的ARM9系列微處理器 S3C2410，其中包括64M的RAM和64M的Flash。嵌入式系統(tǒng)模塊外接一塊Sharp公司的10.4寸液晶顯示器，其分辨率為640×480，作為系統(tǒng)的人機(jī)交互平臺(tái)供用戶操作使用。

圖2 嵌入式系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖

嵌入式系統(tǒng)模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部分，它提供友好的人機(jī)交互界面供用戶設(shè)定功率、時(shí)間和警戒溫度等參數(shù)，然后通過串口與單片機(jī)通信以控制微波源的輸出功率，并在液晶顯示器上顯示實(shí)時(shí)的溫度曲線。

1.2.2 溫度采集及控制模塊

溫度采集及控制模塊由單片機(jī)和溫度采集電路組成：

(1) 單片機(jī)。單片機(jī)采用Silabs公司的C8051F005芯片，該芯片內(nèi)嵌12位A/D和12位D/A轉(zhuǎn)換器。它通過A/D采集8路溫度信號(hào)并經(jīng)串口發(fā)送到嵌入式系統(tǒng)模塊中，同時(shí)將嵌入式系統(tǒng)模塊傳來的功率值通過D/A轉(zhuǎn)換成電壓以驅(qū)動(dòng)微波源。此外，考慮到實(shí)際應(yīng)用的方便性，模塊外接一腳踏開關(guān)，這樣用戶可直接用腳踏開關(guān)控制微波輸出功率。

(2)溫度采集電路。在熱療過程中，為了檢測(cè)人體患處的溫度變化情況，系統(tǒng)配置了溫度采集電路。它由8路熱敏電阻和信號(hào)放大電路組成，熱敏電阻先與固定電阻分壓，經(jīng)信號(hào)放大電路放大后接到單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器。單片機(jī)再通過串口將溫度信號(hào)傳遞給嵌入式系統(tǒng)模塊，顯示于液晶顯示器上。

1.2.3 微波源

微波源采用磁控管作為微波振蕩管，當(dāng)磁控管的工作點(diǎn)設(shè)置合理、內(nèi)部振蕩穩(wěn)定時(shí)，微波可由諧振耦合器和同軸電纜耦合到專門設(shè)計(jì)的圓形輻射器輸出。該微波源主要由微波驅(qū)動(dòng)電路和微波輻射器組成。它可外接手術(shù)刀和消融針(見圖3)，為不同部件提供微波輸出。

圖3 微波源

由于微波源輸出的功率與驅(qū)動(dòng)電壓之間為非線性關(guān)系，在本設(shè)計(jì)中我們預(yù)先測(cè)出功率與驅(qū)動(dòng)電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系表，控制程序通過查表將用戶設(shè)置的功率轉(zhuǎn)換成電壓值，并通過串口發(fā)送給單片機(jī)。單片機(jī)再通過其自帶的D/A轉(zhuǎn)換器輸出模擬電壓以控制微波源的功率輸出。

2 軟件系統(tǒng)

2.1 嵌入式操作系統(tǒng)WINCE.NET

Microsoft Windows CE.NET (又稱WINCE.NET)是一個(gè)緊湊、高效和可裁減的操作系統(tǒng)，適用于各種嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中。它擁有多線程、多任務(wù)、完全搶先式優(yōu)先級(jí)的特點(diǎn)，是一種面向嵌入式環(huán)境的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

Embedded Visual C++(簡(jiǎn)稱EVC)是Microsoft公司推出的一套基于WINCE.NET平臺(tái)的可視化開發(fā)工具，它支持MFC類庫的子集，能夠給開發(fā)者提供強(qiáng)大的支持，與普通Win32程序開發(fā)方法相似，基于此特點(diǎn)本次設(shè)計(jì)采用EVC4.0版本開發(fā)。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)硬件平臺(tái)的特點(diǎn)以及實(shí)際的功能需求，軟件系統(tǒng)分為兩部分：手術(shù)刀控制和消融針自動(dòng)控制功能，其中消融針自動(dòng)控制功能提供三種功能：人體溫度監(jiān)視功能，微波功率自動(dòng)調(diào)節(jié)功能以及消融針運(yùn)行狀態(tài)控制功能。其中人體溫度監(jiān)視功能提供溫度-時(shí)間(秒)，溫度-時(shí)間(分)和功率-時(shí)間(分)三波形圖，如圖4所示。具體的系統(tǒng)流程圖如圖5所示。

圖4 軟件結(jié)構(gòu)圖

圖5 程序流程圖

2.2.1 手術(shù)刀控制功能塊

該模塊界面如圖6(a)所示,它提供以下功能：控制微波刀啟/停狀態(tài)、計(jì)算微波刀運(yùn)行時(shí)間、調(diào)整微波刀輸出功率和初始化功率、時(shí)間參數(shù)。

(a) 手術(shù)刀狀態(tài)顯示

(b) 消融針控制圖

圖6 軟件部分功能圖

嵌入式系統(tǒng)模塊與溫度采集及控制模塊之間主要通過串口通訊[7](見圖1)。應(yīng)用程序需要對(duì)串口數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼/解碼以達(dá)到控制的目的。串口通訊數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一如下：

(1)數(shù)模轉(zhuǎn)換器向嵌入式系統(tǒng)模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為每幀21字節(jié)，傳輸格式(見表1)如下：①前導(dǎo)碼為0x55(1字節(jié));②開始/停止(1字節(jié))：0x00表示停止;0xFF表示開始③功率值(2字節(jié))：功率值為一個(gè)范圍(0—4095);④溫度值(16字節(jié))：每個(gè)溫度值取值范圍為0-4095(2字節(jié))，所以共需16字節(jié);⑤結(jié)束碼為0xAA。

表1 溫度采集及控制模塊-嵌入式模塊數(shù)據(jù)格式

(2)嵌入式系統(tǒng)模塊給數(shù)模轉(zhuǎn)換器發(fā)送的數(shù)據(jù)格式如表2所示，共5字節(jié)，定義同上。

表2 嵌入式模塊-溫度采集及控制模塊數(shù)據(jù)格式

2.2.2 消融針控制功能塊

如圖6(b)所示，此模塊提供功能：①消融針運(yùn)行控制功能：所選用微波源的型號(hào)、警戒溫度 、預(yù)運(yùn)行時(shí)間和預(yù)輸出功率;控制消融針啟/停狀態(tài)②微波功率自動(dòng)調(diào)節(jié)功能：當(dāng)被治療的患處溫度超過警戒溫度時(shí)候，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)低微波輸出功率，直到溫度恢復(fù)正常。③溫度監(jiān)視功能顯示三種波形圖：溫度-時(shí)間(秒)，溫度-時(shí)間(分)和功率-時(shí)間(分)波形圖。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

系統(tǒng)整合后，于室溫17℃的條件下我們對(duì)整個(gè)儀器進(jìn)行過了測(cè)試。手術(shù)刀輸出功率為35W。啟動(dòng)手術(shù)刀功能后，測(cè)得系統(tǒng)的表示輸出功率的模擬電壓值與時(shí)間的關(guān)系如表3：

表3 手術(shù)刀輸出模擬電壓-時(shí)間表

另外，設(shè)置消融針輸出功率35W,設(shè)置警戒溫度30℃。啟動(dòng)消融針熱療功能，開始時(shí)將溫度熱敏探頭置入11.5℃水中;于第5分鐘置入溫度為31.7℃的水中，于第6分鐘取出繼續(xù)置入11.5℃水中;于第10分鐘置入溫度為29.1℃的水中，于第11分鐘取出，繼續(xù)置入11.5℃水中。在此過程中，我們測(cè)得的功率轉(zhuǎn)換后的電壓值如表4：

表4 消融針輸出模擬電壓-時(shí)間表

實(shí)驗(yàn)表明，控制系統(tǒng)能夠精確控制微波的輸出功率。同時(shí)，通過熱敏探頭，它能夠準(zhǔn)確監(jiān)視患處溫度變化，并根據(jù)預(yù)警溫度值對(duì)輸出功率大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，以防止患處溫度過高引發(fā)灼傷事故。實(shí)驗(yàn)與理論的一致說明系統(tǒng)性能符合設(shè)計(jì)要求，今后還要不斷努力，完善人機(jī)交互界面，提高可操作性;完善軟件模塊與不同微波發(fā)射器之間耦合的接口，提高系統(tǒng)的兼容性和可擴(kuò)展性。

本文的創(chuàng)新點(diǎn)：利用流行的嵌入式技術(shù)改進(jìn)提升微波熱療儀的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)使熱療儀控制系統(tǒng)在小型化、智能化、提高精確度以及降低成本方面邁出了一大步;其擁有的多接口能夠兼容市場(chǎng)上流行的微波發(fā)射器，具有較高的可擴(kuò)展性，實(shí)現(xiàn)了很好的市場(chǎng)價(jià)值。