李亞年，王云光，2

（1.上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093；2.上海健康醫(yī)學(xué)院 醫(yī)療器械學(xué)院，上海 201318）

0 引言

超短波治療儀是一種傳統(tǒng)的治療儀器，它是采用電子管振蕩產(chǎn)生超短波高頻電場(chǎng)來(lái)進(jìn)行治療的儀器設(shè)備［1］。通常將波長(zhǎng)為1～10m、頻率為30～300MHz的射頻電流稱為超短波電流，用于臨床稱為超短波療法［2］。超短波治療的積極因素是電磁場(chǎng)的電成分，其治療作用主要是超短波對(duì)組織帶電粒子的熱效應(yīng)和振蕩效應(yīng)［3-4］。臨床實(shí)踐證明，超短波治療還可以應(yīng)用于頸椎病、脊髓損傷等神經(jīng)系統(tǒng)疾?。?-6］。

超短波理療儀作為一種傳統(tǒng)的醫(yī)療儀器，在康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域越來(lái)越重要。國(guó)內(nèi)的超短波理療產(chǎn)品主要有D2-C-Ⅱ型五官科超短波治療機(jī)、DL-C-B 型柜式超短波治療機(jī)、DL-C-M 型脈沖式超短波治療機(jī)等［7］，這些超短波理療儀調(diào)諧方式均為手動(dòng)調(diào)諧，輸出超短波頻率為27.12MHz，體積大，操作難度高。國(guó)外的儀器較為先進(jìn)，如美國(guó)DJO、日本丸高等［8］，其智能化程度高于國(guó)內(nèi)。我國(guó)對(duì)理療儀的研究較多，如王志成等［9］研制出基于頻率自動(dòng)跟蹤的便攜式超聲理療儀；楊依華［10］對(duì)超短波理療儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了綜述并提出4 種測(cè)控系統(tǒng)性能指標(biāo)。隨著醫(yī)療科技的不斷發(fā)展，對(duì)醫(yī)療器械數(shù)字化、智能化、精準(zhǔn)度以及便攜性要求越來(lái)越高。作為一種較為傳統(tǒng)的醫(yī)療設(shè)備，超短波理療儀在臨床中應(yīng)用越來(lái)越重要［11］。本文針對(duì)國(guó)產(chǎn)超短波理療儀的不足開發(fā)了一種新型數(shù)字化超短波理療系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)超短波理療系統(tǒng)的數(shù)字化控制，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 硬件流程設(shè)計(jì)

超短波理療系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖1 所示。超短波理療儀由單片機(jī)控制系統(tǒng)、電源電壓采樣模塊、調(diào)壓控制模塊、超短波發(fā)生模塊、外部輸出接口模塊、調(diào)諧電路采樣模塊、調(diào)諧電路控制模塊組成。

Fig.1 Overall architecture of ultrashort wave therapy instrument system圖1 超短波理療儀系統(tǒng)總體架構(gòu)

整體硬件流程為：開機(jī)后系統(tǒng)初始化，隨后進(jìn)入預(yù)熱階段，預(yù)熱完成后通過(guò)數(shù)顯板顯示治療強(qiáng)度和時(shí)間，設(shè)定治療強(qiáng)度等級(jí)和治療時(shí)間后，單片機(jī)通過(guò)控制高壓電路繼電器的開關(guān)調(diào)節(jié)治療強(qiáng)度，此時(shí)超短波發(fā)生模塊產(chǎn)生功率為40.68MHz 正弦波，自動(dòng)調(diào)諧模塊通過(guò)采集電路信號(hào)輸送給單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)調(diào)節(jié)可變電容矩陣完成輸出電路的自動(dòng)調(diào)諧［12］。

1.2 電源模塊

超短波理療儀供電部分分為低壓供電和高壓供電兩部分，其中低壓供電用于供電給單片機(jī)微控制器等芯片運(yùn)行，高壓供電用于超短波產(chǎn)生模塊運(yùn)行，產(chǎn)生超短波。

低壓供電電路如圖2 所示。通過(guò)變壓器將220V 市網(wǎng)交流電壓轉(zhuǎn)化為9V 副邊電壓，副邊電壓通過(guò)橋式整流濾波電路進(jìn)行整流濾波處理，處理后的電流由交流電轉(zhuǎn)化為5V直流電，再經(jīng)過(guò)三端穩(wěn)定器MC7805C 進(jìn)行穩(wěn)壓處理，得到5V 直流電［13-14］。高壓供電電路同樣采用橋式整流濾波電路對(duì)變壓器副邊電壓進(jìn)行處理，原理相同。

Fig.2 5V DC voltage regulator circuit圖2 5V 直流電壓穩(wěn)壓電路

1.3 超短波發(fā)生模塊

超短波發(fā)生模塊以兩個(gè)三極電子管為核心，采用推免式自激振蕩電路產(chǎn)生40.68MHz的超短波。超短波發(fā)生電路如圖3 所示。三極電子管燈絲由變壓器副邊輸出5.9V 電壓進(jìn)行供電，用于顯示電子管的工作狀態(tài)和開機(jī)前預(yù)熱。三極電子管與電阻R10、R11，電感L1、L2為自激振蕩電路的基本元件，利用電子管的柵極反饋產(chǎn)生正弦波等幅振蕩信號(hào)［15］。自激振蕩通過(guò)兩電感線圈L1、L2之間的互感作用，使三極電子管陽(yáng)極端和振蕩端產(chǎn)生360°的相位差，從而形成推免式自激振蕩，穩(wěn)定輸出頻率為40.68MHz 超短波。圖3 右側(cè)部分為超短波輸出電路，L6、L7兩電感通與超短波發(fā)生電路之間的互感作用將信號(hào)輸出，輸出端分別接有兩塊電極板作用于人體。

Fig.3 Ultra-short wave generating circuit圖3 超短波發(fā)生電路

1.4 輸入和顯示模塊

輸入和顯示模塊電路如圖4 所示。顯示模塊主要由HD7279 芯片構(gòu)成，擁有8 個(gè)數(shù)碼管顯示治療時(shí)間和治療強(qiáng)度，治療強(qiáng)度分為P0-P5共6 個(gè)級(jí)別。其中P0為空擋，即未啟用治療，治療時(shí)間最長(zhǎng)為30 分鐘，默認(rèn)時(shí)長(zhǎng)為10 分鐘，顯示單位精確到秒。與顯示模塊功能匹配，輸入模塊由7個(gè)按鍵連接單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，包含P+，P-，T+，T-，開關(guān)機(jī)，開始治療，復(fù)位。其中P+、P-用來(lái)調(diào)節(jié)治療強(qiáng)度，T+，T-用來(lái)調(diào)節(jié)治療時(shí)間，治療時(shí)間按鍵每次改變1 分鐘，強(qiáng)制中斷可以使用復(fù)位鍵重置治療強(qiáng)度和治療時(shí)間。

1.5 自動(dòng)調(diào)諧模塊

由于電路在諧振狀態(tài)下輸出功率能達(dá)到最大值［16］，因此當(dāng)開始治療時(shí)電路應(yīng)處于諧振狀態(tài)，但由于人體阻抗值不同，不能保證每次工作電路均處于諧振狀態(tài)，因此需要對(duì)電路進(jìn)行調(diào)諧處理。振蕩電路頻率公式如下：

Fig.4 Circuit of input and display modules圖4 輸入和顯示模塊電路

當(dāng)電感值L 與電容值C的乘積改變時(shí)，頻率f 也會(huì)改變，由圖3 可知，電感值L 為L(zhǎng)6+L7，為固定值，所以需要改變電容值C 來(lái)使電路達(dá)到調(diào)諧狀態(tài)［17］。

自動(dòng)調(diào)諧模塊由輸出信號(hào)采集電路和高壓輸出電路的繼電器控制兩部分組成，信號(hào)采集電路如圖5 所示。信號(hào)采集電路的采集端與輸出電路線圈平行且同軸，通過(guò)電磁感應(yīng)原理可知，兩線圈會(huì)有同樣的電壓信號(hào)產(chǎn)生，采集信號(hào)后通過(guò)低通濾波電路和包絡(luò)檢波電路將信號(hào)傳入ADC8032 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，將電路模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)并傳輸至單片機(jī)主控芯片。

Fig.5 Output signal acquisition circuit圖5 輸出信號(hào)采集電路

1.6 主控芯片及外圍電路

選用STC的51 單片機(jī)STC89C54RD+芯片作為主控芯片，該芯片具有16KB的Flash 內(nèi)存、1280B的RAM 和16K的EEPROM［18］，能夠滿足本設(shè)計(jì)主控芯片控制的6 個(gè)主要模塊需要，且性價(jià)比高。

主控芯片的外圍電路主要有時(shí)鐘電路、自動(dòng)下載電路、單片機(jī)復(fù)位電路等，其電路圖如圖6、圖7、圖8 所示。時(shí)鐘電路采用頻率為12MHz的石英振晶，為單片機(jī)提供計(jì)時(shí)等功能。自動(dòng)下載電路采用CH340G 芯片，可將軟件程序燒寫入單片機(jī)，復(fù)位電路用于初始化單片機(jī)。

Fig.6 Clock circuit圖6 時(shí)鐘電路

Fig.7 Automatic download circuit圖7 自動(dòng)下載電路

Fig.8 Reset circuit圖8 復(fù)位電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件流程如圖9 所示。

Fig.9 Software system flow圖9 系統(tǒng)軟件流程

本文設(shè)計(jì)的治療工作流程如下：開機(jī)后初始化單片機(jī)，三極管燈絲預(yù)熱一分鐘，預(yù)熱結(jié)束后設(shè)置治療強(qiáng)度和治療時(shí)間，設(shè)置完成后按開始鍵開始進(jìn)行治療，變壓器向超短波發(fā)生模塊提供相應(yīng)檔位的電壓值，調(diào)諧檢測(cè)電路在接收到電壓信號(hào)后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)發(fā)送到微控制器，隨后可變電容改變電容值，檢測(cè)電路繼續(xù)發(fā)送信號(hào)給微控制器，微控制器判斷電壓已達(dá)最大值時(shí)計(jì)時(shí)器開始工作。顯示模塊進(jìn)行倒計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)結(jié)束或者按復(fù)位鍵強(qiáng)行停止即回到預(yù)熱后的初始狀態(tài)，一次治療結(jié)束。

3 自動(dòng)調(diào)諧原理

本方案采用步進(jìn)法作為調(diào)諧算法。步進(jìn)法即逐步逼近法，其與直接搜索法最大的不同是有針對(duì)地選擇起始點(diǎn)，有條件性地逐步擴(kuò)大或縮小范圍，直到找到最優(yōu)解。算法流程如圖10 所示。通過(guò)找到常用諧振點(diǎn)確定初始諧振點(diǎn)在60PF，通過(guò)增加1PF 電容來(lái)比較測(cè)得電流值大小。電流值變大則繼續(xù)增加，直至找到變小前的點(diǎn)，即為諧振點(diǎn)，調(diào)諧結(jié)束；電流值變小則減小2PF 電容，若變小60PF 則為諧振點(diǎn)，若變大則繼續(xù)減小1PF 電容，直至找到變小前的點(diǎn)，同理為諧振點(diǎn)，調(diào)諧結(jié)束。

Fig.10 Flow of automatic tuning by step method圖10 步進(jìn)法自動(dòng)調(diào)諧流程

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)論

通過(guò)示波器對(duì)超短波理療儀的不同治療強(qiáng)度輸出波形進(jìn)行采集，得到波形圖如圖11 所示。5 個(gè)治療等級(jí)的波形頻率均在40MHz 左右，且輸出波形穩(wěn)定，振幅隨等級(jí)增加而增加，因此滿足治療要求。

Fig.11 Waveforms of 5 different treatment intensity levels圖11 5 個(gè)不同治療強(qiáng)度等級(jí)波形

5 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字化超短波理療儀電路系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，配合電源電壓采樣模塊、無(wú)線通信模塊、調(diào)壓控制模塊、超短波發(fā)生模塊、外部輸出接口模塊、調(diào)諧電路采樣模塊、調(diào)諧電路控制模塊進(jìn)行超短波治療，相比傳統(tǒng)的模擬電路能夠更方便智能地操作和使用理療儀。本文詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的軟件控制流程。通電實(shí)驗(yàn)、仿真測(cè)試表明，本設(shè)計(jì)能順利完成超短波作業(yè)治療，儀器運(yùn)行正常，達(dá)到了預(yù)期的治療效果。醫(yī)療器械在未來(lái)會(huì)以智能化、自動(dòng)化為發(fā)展目標(biāo)，因此單片機(jī)和嵌入式仍是智能醫(yī)療設(shè)備的潮流，本設(shè)計(jì)在智能化、自動(dòng)化方面還有短板，需進(jìn)一步提高，引入物聯(lián)網(wǎng)是理療儀的發(fā)展方向。