殷 杰
(四川理工學院自動化與電子信息學院,四川 自貢 643000)
超聲波是振動頻率高于20kHz的機械波,當超聲波進入人體組織時,會產(chǎn)生機械效應、溫熱效應和理化效應等生物效應。超聲波的這些作用可軟化組織、提高代謝、刺激神經(jīng)系統(tǒng)和細胞功能,因此超聲波具有獨特的治療意義,尤其在類風濕性關節(jié)炎病變和關節(jié)、肌腱、韌帶的退行性病變的治療方面具有較好療效[1]。傳統(tǒng)的超聲波治療儀主要依靠治療師的經(jīng)驗來手動設置超聲波強度和治療時間,在臨床大量使用時存在一定的局限性,也不適于在家庭使用。
本文介紹的超聲治療儀器控制核心電路采用AT89C51單片機來實現(xiàn)控制要求,用以保障超聲波的治療效果,避免人為因素造成的超聲波能量過大、機體受傷等問題。原始的超聲激勵信號由單片機的晶振產(chǎn)生,經(jīng)分頻后產(chǎn)生1MHz方波,此方波經(jīng)單片機控制信號調(diào)制后,變成頻率為100Hz的脈沖方波。方波信號首先經(jīng)過一個正弦波發(fā)生電路,并用波形控制電路控制它的工作,得到連續(xù)正弦波和調(diào)整正弦波,然后將此信號送入放大器進行電壓調(diào)整,最后由功放來激勵超聲換能器,使探頭能夠發(fā)射出足夠聲強的超聲波。超聲波治療儀的控制核心電路方框圖如圖1所示。
圖1 超聲治療儀控制核心電路方框圖
波形控制電路要在波形控制信號的作用下,控制正弦波發(fā)生電路工作在連續(xù)或脈沖狀態(tài),使其能夠分別輸出連續(xù)正弦波和脈沖重復頻率F=100Hz、占空比D=10%、基頻f=1MHz的調(diào)制正弦波,并且實現(xiàn)兩種波形的切換。
如圖2所示,首先用NE555組成一個頻率F=100Hz、占空比D=90%的脈沖發(fā)射電路,再經(jīng)過74HC04反相器,可以得到D=10%的脈沖波,最后將它輸入到正弦波發(fā)生電路中NE555的RESET腳。RESET腳與控制系統(tǒng)中單片機的一個 I/O 口相連,接收波形控制信號。當輸入為“0”時,3 腳輸出為“0”,則74HC04輸出為“1”,正弦波發(fā)生電路持續(xù)工作,輸出f=1MHz的連續(xù)正弦波;當輸入為“1”時,3腳輸出D=90%的脈沖波,則74HC04輸出D=10%的脈沖波,正弦波發(fā)生電路工作在脈沖狀態(tài),輸出F=100Hz、D=10%、f=1MHz的調(diào)制正弦波。
運算放大器和多路選擇器在步進調(diào)整信號的控制下,對正弦波發(fā)生電路的輸出信號進行電壓放大和調(diào)整,使其滿足前級驅(qū)動電路對信號的要求,并實現(xiàn)輸出電壓的步進調(diào)整。將正弦波發(fā)生電路輸出信號放大 2~4 倍,輸出電壓峰峰值最大要達到20V。此處選用單位增益帶寬達到26MHz的高速運放AD825組成同相放大電路,如圖3所示。
圖2 波形控制電路
電壓的調(diào)整是由單片機來控制的,然而單片機采用+5V電源供電,輸出高電平為+5V,無法達到+15V供電的CD4051的控制輸入端電平要求,因此必須將單片機的輸出電平抬高?!?5V供電的雙運放芯片TL072可以將+5V的電壓放大到至少+12V,以滿足CD4051對控制輸入信號電平的要求。這樣,當單片機I/O口P3.7和P3.6輸出的步進調(diào)整信號為“00”、“01”、“10”、“11”時,可以調(diào)整放大器輸出電壓分別達到10V、14V、17V、20V,實現(xiàn)發(fā)射聲強的調(diào)整。
超聲波輻照于機體后,對機體產(chǎn)生生物效應,其中最明顯的就是超聲的機械效應和熱效應,熱效應可以使機體聲場區(qū)域產(chǎn)生升溫,適當控制溫升溫度和溫升區(qū)域,可實現(xiàn)局部加熱治療的目的;而過大的超聲波能量導致的高溫則有可能對機體造成傷害。通過檢測治療部位的溫升情況可以掌握超聲治療的效果。
設計中采用接觸式溫度傳感器DS18B20進行體表溫度測量,在-10℃~+85℃溫度范圍內(nèi),其精確度可以達到±0.5℃,適用于體表溫度測量[2]。在使用中,將它安置在超聲發(fā)射探頭附近,與接受超聲輻射部位附近的皮膚緊密接觸,測得該處的體表溫度。用戶可以分別設定各路溫度的上、下限,并寫入隨機存儲器RAM中,利用報警搜索命令和尋址功能,可迅速識別出發(fā)生了溫度越限報警的器件。DS18B20具有1-wire總線結(jié)構(gòu),僅需一根數(shù)據(jù)線與主控設備相連,通過此引腳進行數(shù)據(jù)的讀寫操作,另外兩只引腳分別接電源和地。單片機通過P3.4口與DS18B20相連,控制其正常工作,并讀取其測溫數(shù)據(jù)。
圖3 電壓調(diào)整電路
本系統(tǒng)采用AT89C51單片機作為主控單元。AT89C51是一款廉價的單片機,它具有4kB的片內(nèi)程序存儲空間(ROM)和128字節(jié)的用戶可支配數(shù)據(jù)存儲空間(RAM),32個I/O口,2個定時/計數(shù)器中斷,2個外部中斷,工作頻率最高可達24MHz[3]。
由于本設計中不需要很精確的時間控制,因此外接一個12MHz的無源晶振,使AT89C51的一個機器周期約為1μs;按鍵S0、電容C2、電阻R1和R2共同組成高電平復位電路,按鍵閉合則實現(xiàn)復位。單片機的I/O口P0.3~P0.0與7段顯示譯碼器的譯碼輸入端相連;P1.6~P1.4與2位共陰極數(shù)碼管相連;P1.3~P1.0與3位共陰極數(shù)碼管相連;P2.7~P2.0檢測按鍵輸入;P3.7、P3.6控制放大器電路增益;P3.5控制波形控制電路的工作;P3.4實現(xiàn)與溫度傳感器的通信;P3.2接收外部中斷輸入;P3.1、P3.0控制4只LED指示燈的亮滅。
AT89C51的P3.5口與波形控制電路中NE555的RESET腳相連,通過輸出“1”和“0”使波形控制電路處于工作和不工作狀態(tài),輸出超聲波為調(diào)制波和連續(xù)波。AT89C51的P3.7和P3.6口分別與雙運算放大器芯片的兩個同相輸入端相連,通過輸出“00”、“01”、“10”、“11”這4種組合,調(diào)整電壓放大電路的4級增益,最終實現(xiàn)輸出聲強的調(diào)節(jié)。
圖4 單片機各引腳與外圍電路連接圖
此外,自動模式下還可調(diào)用溫度比較子程序,將測得的溫度值與設定的溫度閾值進行比較,當測溫值高于溫度閾值高值時,輸出調(diào)制波;當測溫值低于溫度閾值低值時,輸出連續(xù)波;當測溫值處于溫度閾值范圍內(nèi)時,維持輸出波形不變。溫度閾值是預先設定并儲存在數(shù)據(jù)表RNGH和RNGL中的,每一組溫度閾值具有一個相同的查表偏移量。設定溫度閾值,測量人體溫度,進行溫度比較,自動轉(zhuǎn)換波形。
通過本文控制核心的設計,可以避免超聲波輻射過量對人體造成傷害,比傳統(tǒng)的手動控制超聲治療儀更具安全性,適合家庭用戶使用和大規(guī)模使用。
[1]崔建國,韋云隆,王洪. 超聲治療學在生物醫(yī)學工程中的應用[J]. 重慶工學院學報(自然科學版),2007,21(5):111~114.
[2]張軍. 智能溫度傳感器DS18B20及其應用[J]. 儀表技術(shù),2010,4:68~70.
[3]高偉. AT89單片機原理及應用[M].北京:國防工業(yè)出版社,2008.