基于SCA61T角度傳感器的醫(yī)用活檢槍角度儀設(shè)計(jì)

引言

一般情況下，病灶經(jīng)過CT或超聲等檢測(cè)出來以后，還需要進(jìn)行取樣和病理分析才能夠得出結(jié)論。而活檢槍則是活檢病理學(xué)分析的重要工具，可廣泛應(yīng)用在腎穿刺、肝活檢、乳腺癌活檢、前列腺活檢以及肺活檢等方面。目前在檢測(cè)過程中使用的活檢槍有半自動(dòng)和全自動(dòng)兩種類型。但是，現(xiàn)有的活檢槍不管是半自動(dòng)還是全自動(dòng)，都沒有傾角測(cè)量和顯示裝置。對(duì)病灶的采樣大多都是依靠醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)和可視性檢查系統(tǒng)（如超聲、CT）來進(jìn)行判斷。因此，在活檢槍上增加角度測(cè)量和顯示,以便更好地檢測(cè)及化驗(yàn)微型病灶，增加診斷的可靠性和安全性，無疑是非常有意義的。本文給出了一種在活檢槍上增加角度儀的設(shè)計(jì)方法。

1活檢槍角度儀的結(jié)構(gòu)原理

本活檢槍角度儀的工作原理框圖如圖1所示。圖1中,角度傳感器SCA61T輸出的是角度的數(shù)字信號(hào)，該數(shù)字信號(hào)為串行數(shù)據(jù)，要經(jīng)過串/并轉(zhuǎn)換來將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)，然后通過單片機(jī)的并行口將數(shù)據(jù)輸入到單片機(jī)中進(jìn)行處理，之后再送到LED顯示模塊將角度數(shù)據(jù)顯示出來。系統(tǒng)中的SCA61T角度傳感器所需要的觸發(fā)脈沖信號(hào)一般可以由單片機(jī)來控制產(chǎn)生。

根據(jù)醫(yī)院活檢槍的測(cè)量要求，角度儀中的傳感器可用芬蘭VTI公司的角度傳感器SCA61T，串并轉(zhuǎn)換和邏輯序列發(fā)生器可用軟件方法實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)運(yùn)算、控制顯示采用單片機(jī)AT89S52來完成，LED顯示模塊可采用四個(gè)數(shù)碼管來實(shí)現(xiàn)。

圖1    活檢槍角度儀的工作原理框圖

2SCA61T角度傳感器

VTI公司的角度傳感器SCA61T是由高質(zhì)量硅電容傳感器元件和接口電子組成，被裝配在特定的應(yīng)用包裝中。硅電容傾角傳感器的元件由單晶硅和玻璃做成的。這種設(shè)計(jì)能確保相對(duì)于時(shí)間和溫度的可靠性，優(yōu)異的準(zhǔn)確性和優(yōu)秀的穩(wěn)定性。SCA61T角度傳感器能承受多余40000g的加速度。

SCA61T是一種基于3DMEMS的單軸傾角計(jì)，可提供水平測(cè)量?jī)x表級(jí)別的性能。SCA61T傳感器的傳感元件在測(cè)量時(shí)需要與測(cè)量平臺(tái)保持平行，并且傳感器雙軸需相互垂直。這種傳感器對(duì)于振動(dòng)不靈敏，因?yàn)樵趥鞲性?nèi)部增加了阻尼。圖2所示是基于3DMEMS傳感技術(shù)的SCA61T角度傳感器的外型結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2    基于3DMEMS傳感技術(shù)的SCA61T結(jié)構(gòu)示意圖

SCA61T角度傳感器的核心部分是微機(jī)械加速度傳感器元件的對(duì)稱電容塊，它由三片相互被薄玻璃膜隔離的硅片組成。中間硅片是懸臂多射線式結(jié)構(gòu)，在它上面有一個(gè)大的質(zhì)量塊,電容和彈性系數(shù)能獨(dú)立的得到最佳結(jié)果。這正是SCA61T能在低g值量程內(nèi)取得很好測(cè)量結(jié)果的原因。有時(shí)候作用在硅片上的重力和加速的力量會(huì)使單晶硅電射束振蕩彎曲，這種偏差能被以兩金屬膜為電極的電容之間的距離變化測(cè)量出來。微機(jī)械片能使相對(duì)大的電容和電容變化的檢測(cè)變得相對(duì)容易。

雙電容結(jié)構(gòu)和它的對(duì)稱性同時(shí)可改進(jìn)零點(diǎn)的穩(wěn)定性。發(fā)生在它們之中的一個(gè)電容中的任何變化都會(huì)使得對(duì)面電容中的相似變化得到補(bǔ)償。另外，對(duì)稱性能會(huì)導(dǎo)致交叉軸誤差較大。事實(shí)上，在VTI加速傳感器的裝配中，對(duì)稱性是由角度的準(zhǔn)確度而確定的。不同的量程一般由調(diào)節(jié)弦片的厚度來實(shí)現(xiàn)。傳感器元件的濕度由密封洞穴中的壓力所決定，此密封洞穴由中間硅片、弦片和外層硅片構(gòu)成?？梢酝ㄟ^調(diào)整傳感器元件來滿足不同用途的需要，密封性是通過陽極與硅片牢固粘合實(shí)現(xiàn)的。這樣也省去了額外包裝的需要，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。

當(dāng)SCA61T傳感器靜止時(shí)，作用在它上面的只有重力加速度。重力和傾角傳感器靈敏軸之間的夾角就是其傾斜角。故其測(cè)量范圍為-90。?+90。。SCA61T的輸出信號(hào)有模擬和數(shù)字兩種，其中數(shù)字信號(hào)為11位,該數(shù)字信號(hào)的精度可以達(dá)到0.088度，完全能夠滿足醫(yī)用活檢槍所要求的0.1度。并且，該傳感器還內(nèi)置溫度補(bǔ)償系統(tǒng)，可以直接寫入和讀取溫度數(shù)據(jù)，還可以進(jìn)行自檢。表1所列為SCA61T的控制功能表。

要使活檢槍角度儀中得到角度的數(shù)字信號(hào)，根據(jù)表1可知，要在SPI口輸入的控制命令數(shù)據(jù)為00010000。SPI接口共有三根線：一是時(shí)鐘線(SCK)；二是主出從入線，即MOSI；三是主入從出線，即MISO。這三根線和片選信號(hào)線(CSB)必須嚴(yán)格按照?qǐng)D3所示的時(shí)序進(jìn)行操作，才能使傳感器芯片正常工作。如果時(shí)序錯(cuò)誤，SCA61T不但不會(huì)工作，有時(shí)候甚至有可能將傳感器芯片SCA61T燒壞。

圖3中，片選信號(hào)CSB為低電平有效。但是，要輸出穩(wěn)定可靠的信號(hào)，每次測(cè)量CSB都要保持高電平至少150國(guó)。然后在時(shí)鐘信號(hào)SCK的上升沿觸發(fā)數(shù)據(jù)寫入，下降沿對(duì)觸發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。在這種情況下，可以看出，要想獲得某一時(shí)刻的角度數(shù)據(jù)，至少需要19個(gè)時(shí)鐘脈沖。因此，為了節(jié)約功耗,在不需要讀數(shù)據(jù)的時(shí)候，可以通過拉高片選信號(hào)CSB來使傳感器芯片處于休眠狀態(tài)，這樣既可以降低功耗，又可以保護(hù)傳感器芯片SCA61T的安全。

3單片機(jī)與SCA61T的接口連接

本系統(tǒng)中的單片機(jī)可選用廉價(jià)的AT89S52,單片機(jī)的P1口作為數(shù)據(jù)輸出口連接到LED顯示器，用于對(duì)采集到的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。P3.0口接SCA61T的2腳，用于接收傳感器輸出的數(shù)字信號(hào)。P3.1口接SCA61T傳感器的1腳，用于產(chǎn)生傳感器芯片的時(shí)鐘脈沖。P2.7腳接SCA61T芯片的3腳，用于給SCA61T提供控制信號(hào)，以控制芯片的相關(guān)工作。剩下的P2.7、P3.0、P3.1腳與SCA61T的SPI接口相連，可用于完成對(duì)傳感器芯片的控制、驅(qū)動(dòng)和對(duì)角度數(shù)據(jù)的采集。SCA61T傳感器和單片機(jī)AT89S52的連接電路如4所示。

4系統(tǒng)軟件模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件程序中的數(shù)據(jù)計(jì)算和處理過程可采用部分查表的方法來完成。在數(shù)據(jù)的計(jì)算過程中，傳感器芯片的片選信號(hào)要始終保持高電平，以便為下次讀取數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備。在整個(gè)數(shù)據(jù)的讀取過程中，可用定時(shí)器來控制方波信號(hào)作為傳感器的時(shí)鐘信號(hào)，傳感器讀入數(shù)據(jù)采用上升沿觸發(fā)方式，傳感器輸出數(shù)據(jù)采用下降沿觸發(fā)方式。但在操作上必須保證方波的同步,這樣可以避免信號(hào)的丟失。

由于活檢槍傾角儀中要寫入傳感器的數(shù)據(jù)為8b的傳感器工作狀態(tài)選擇信號(hào)，而要讀取的數(shù)據(jù)為11b的串行傾角數(shù)據(jù),所以，程序中需要設(shè)計(jì)一個(gè)19位的不斷循環(huán)的脈沖時(shí)鐘信號(hào)。

單片機(jī)在對(duì)傳感器采集的角度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，即可送往LED進(jìn)行顯示。對(duì)于顯示的驅(qū)動(dòng)和控制方法可以采用順序查詢方法，也可以采用中斷方法。兩種顯示方法各有好處，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況來選擇采用，以便達(dá)到最好的效果。本設(shè)計(jì)采用中斷方法。其部分?jǐn)?shù)據(jù)處理程序如下：

num=gao[1]<<1;

temp1=num|gao[2];

num1[6]=di[6]<<1;

num1[5]=di[5]?2;

num1[4]=di[4]?3;

temp2=num1[4]|num1[5]|num1[6]|di[7];

switch(temp1)

{

case0x00:shi=0x00;break;

case0x01:shi=0xe1;break;

case0x02:shi=0x1c2;break;

case0x03:shi=0x2a3;break;

}

xiao=table3[temp2];

ge=table2[temp3];xianshi=shi+ge+xiao;shuzi(xianshi);

5  結(jié)語

活檢槍是活檢病理學(xué)分析的重要工具，可廣泛應(yīng)用在腎穿刺、肝活檢、乳腺癌活檢、前列腺活檢以及肺活檢等方面。為了彌補(bǔ)現(xiàn)有活檢槍不管是半自動(dòng)還是全自動(dòng)，都沒有傾角測(cè)量和顯示裝置的不足，本文給出了采用角度傳感器SCA61T來在醫(yī)用活檢槍上增加角度測(cè)量和顯示裝置的實(shí)現(xiàn)方法。該活檢槍角度儀的精度可以達(dá)到0.1度，完全可以達(dá)到醫(yī)用活檢槍的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。該裝置不僅能方便醫(yī)生的使用，而且可使病理取樣更加精確，同時(shí)也提高了病理診斷的準(zhǔn)確性和安全性。

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