基于ARM處理器微波熱療儀系統(tǒng)設(shè)計

1、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12以其優(yōu)越的止血效果、微小的組織損傷等優(yōu)點，在醫(yī)療行業(yè)推廣應(yīng)用了多年，其已得到醫(yī)務(wù)界的肯定。微波作用于機體組織時，它會引起組織細(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，它會產(chǎn)生低熱效應(yīng)，增強患者患處的血液循環(huán)，加快新陳代謝，增強免疫能力，因此能促進(jìn)水腫吸收，消炎止痛;當(dāng)使用大劑量微波時，它會產(chǎn)生高熱效應(yīng)，使蛋白質(zhì)變性、凝固、壞死，此時，微波具有燒灼、0c59f8ea 工業(yè)微波設(shè)備 http:/ PC 機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

2、制系統(tǒng)小型化，并0c59f8ea 工業(yè)微波設(shè)備 http:/ ARM 嵌入式系統(tǒng)34、配置 WINCE.NET 操作系統(tǒng)5的微波熱療儀。本應(yīng)用采用 EmbeddedVisualC+工具6進(jìn)行開發(fā)，該產(chǎn)品能實時監(jiān)測人體溫度，具有微波刀，消融針的功能。該系統(tǒng)具有控制集成度高，運行穩(wěn)定，操作方便以及直觀的圖形化界面顯示等特點。1 硬件系統(tǒng)1.1 硬件功能簡介0c59f8ea 工業(yè)微波設(shè)備 http:/ 200010000MHz，功率 70150W 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，實現(xiàn)手術(shù)目的。它具有止血效果好,刀口不碳化,滅菌

3、,防止手術(shù)感染等特點，并且體積小,操作靈活。消融技術(shù)是使微波源經(jīng)過人體自然腔道，準(zhǔn)確定點的介入到人體的局部病變部位，自動精確的控制其功率、時間和范圍的技術(shù)。采用消融針能夠在不開腹的情況下對病癥進(jìn)行有效，痛苦小。0c59f8ea 工業(yè)微波設(shè)備 http:/ 工業(yè)微波設(shè)備 http:/ 硬件組成整個硬件系統(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) 2 所示，模塊采用三星的 ARM9 系列微處理器 S3C2410，其中包括 64M 的0c59f8ea 工業(yè)微波設(shè)備 http:/ 和

4、64M 的 Flash。嵌入式系統(tǒng)模塊外接一塊Sharp 的 10.4 寸 液晶 顯 示器 ， 其分 辨 率 為640×480，作為系統(tǒng)的人機交互平臺供用戶操作使用。圖 2 嵌入式系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖嵌入式系統(tǒng)模塊是整個系統(tǒng)的核心控制部分，它提供友好的人機交互界面供用戶設(shè)定功率、時間和警戒溫度等參數(shù)，然后通過串口與單片機通信以控制微波源的輸出功率，并在液晶顯示器上顯示實時的溫度曲線。1.2.2 溫度采集及控制模塊0c59f8ea 工業(yè)微波設(shè)備 http:/ Silabs 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

5、溫度信號并經(jīng)串口發(fā)送到嵌入式系統(tǒng)模塊中，同時將嵌入式系統(tǒng)模塊傳來的功率值通過 D/A 轉(zhuǎn)換成電壓以驅(qū)動微波源。此外，考慮到實際應(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0c59f8ea 工業(yè)微波設(shè)備 http:/ 8 路熱敏電阻和信號放大電路組成，熱敏電阻先與固定電阻分壓，經(jīng)信號放大電路放大后接到單片機的 A/D 轉(zhuǎn)換器。單片機再通過串口將溫度信號傳遞給嵌入式系統(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)磁控管的點設(shè)置合理、內(nèi)部振蕩穩(wěn)定時，微波可由諧振耦合器和同軸電纜耦合到專門設(shè)計的圓

6、形輻射器輸出。該微波源主要由微波驅(qū)動電路和微波輻射器組0c59f8ea 工業(yè)微波設(shè)備 http:/ 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)動電壓之間為非線性關(guān)系，在本設(shè)計中我們預(yù)先測出功率與驅(qū)動電壓的對應(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。單片機再通過其自帶的 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)0c59f8ea 工業(yè)微波設(shè)備 http:/ 嵌入式操作系統(tǒng) WINCE.NETMicrosoftWindowsCE.NET（又稱 WINCE.NET）是一個緊湊、高效和可裁減的操作系統(tǒng)，適用于各種嵌入式

7、系統(tǒng)開發(fā)中。它擁有多線程、多任務(wù)、完全搶先式優(yōu)先級的特點，是一種面向嵌入式環(huán)境的實時操作系統(tǒng)。EmbeddedVisualC+（簡稱 EVC）是 Microsoft推出的一套基于 WINCE.NET 平臺的可視化開發(fā)工具，它支持 MFC 類庫的子集，能夠給開發(fā)者提供強大的支持，與普通 Win32 程序開發(fā)方法相似，基于0c59f8ea 工業(yè)微波設(shè)備 http:/ EVC4.0 版本開發(fā)。2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計根據(jù)硬件平臺的特點以及實際的功能需求，軟件系統(tǒng)分為兩部分：手術(shù)刀控制和消融針自動控制功能，其中消融針自動控制功能提供三種功能：人體溫度監(jiān)視功能，微波功率自動調(diào)節(jié)功能以及消融針運行狀態(tài)控制功能

8、。其中人體溫度監(jiān)視功能提供溫度-時間（秒），溫度-時間（分）和功率-時間（分）三波形圖，4 所示。具體的系統(tǒng)流程圖 5 所示。圖5 程序流程圖0c59f8ea 工業(yè)微波設(shè)備 http:/ 手術(shù)刀控制功能塊該模塊界面 6（a）所示,它提供以下功能：控制微波刀啟/停狀態(tài)、計算微波刀運行時間、調(diào)整微波刀輸出功率和初始化功率、時間參數(shù)。（a）手術(shù)刀狀態(tài)顯示（b）消融針控制圖圖 6 軟件部分功能圖圖 4 軟件結(jié)構(gòu)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：0c59f8ea 工業(yè)微波設(shè)備 http:

9、/ 21 字節(jié)，傳輸格式（見表 1）如下：前導(dǎo)碼為 0 x55（1 字節(jié)）;開始/停止（1 字節(jié)）：0 x00 表示停止;0 xFF 表示開始功率值（2字節(jié)）：功率值為一個范圍（04095） ;溫度值（16字節(jié)）：每個溫度值取值范圍為 0-4095（2 字節(jié)），所以共需 16 字節(jié);結(jié)束碼為 0 xAA。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0c59f8ea 工業(yè)微波設(shè)備 http:/ 消融針控制功能塊6（b）所示，此模塊提供功能：消融針運行控制功能：所選用微波源的型號、警戒溫度、預(yù)運行時間

10、和預(yù)輸出功率;控制消融針啟/停狀態(tài)微波功率自動調(diào)節(jié)功能：當(dāng)被的患處溫度超過警戒溫度時候，系統(tǒng)自動調(diào)低微波輸出功率，直到溫度恢復(fù)正常。溫度監(jiān)視功能顯示三種波形圖：溫度-時間（秒），溫度-時間（分）和功率-時間（分）波形圖。0c59f8ea 工業(yè)微波設(shè)備 http:/ 實驗與結(jié)論系統(tǒng)整合后，于室溫 17的條件下我們對整個儀器進(jìn)行過了測試。手術(shù)刀輸出功率為 35W。啟動手術(shù)刀功能后，測得系統(tǒng)的表示輸出功率的模擬電壓值與時間的關(guān)系如表 3：表 3 手術(shù)刀輸出模擬電壓-時間表另外，設(shè)置消融針輸出功率 35W,設(shè)置警戒溫度 30。啟動消融針熱療功能，開始時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 11.50c59f8ea 工業(yè)微波設(shè)備 http:/ 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-時間表實驗表明，控制系統(tǒng)能夠精確控制微波的輸出功率。同時