李永紅，嚴洪立，李率真，關(guān)俊文,2

(1.成都信息工程大學(xué) 電子工程學(xué)院 物理場生物效應(yīng)及儀器四川省高校重點實驗室，四川 成都 610225；2.四川大學(xué) 華西醫(yī)院，四川 成都 610041)

超聲溫控膏藥理療儀設(shè)計*

李永紅1，嚴洪立1，李率真1，關(guān)俊文1,2

(1.成都信息工程大學(xué) 電子工程學(xué)院 物理場生物效應(yīng)及儀器四川省高校重點實驗室，四川 成都 610225；2.四川大學(xué) 華西醫(yī)院，四川 成都 610041)

為了減少患者的疼痛，提高膏藥的治療效果，利用超聲效應(yīng)可增強組織滲透、提高細胞代謝、促進血液循環(huán)，降低神經(jīng)、肌肉興奮性，產(chǎn)生良好的鎮(zhèn)痛和解痙作用，設(shè)計了一種基于超聲溫控的膏藥理療儀。該理療儀主要由STC89C52主控芯片、超聲發(fā)生器、加熱模塊、MLX90615紅外測溫、LCD1602液晶顯示等組成。其中STC89C52作為中央處理器控制整個系統(tǒng)運轉(zhuǎn)；超聲發(fā)生器和加熱模塊作用于膏藥，用于促進膏藥的滲透吸收并達到鎮(zhèn)痛效果；通過MLX90615傳感器采集膏藥部位溫度，用于反饋調(diào)節(jié)加熱模塊。理療儀各功能已經(jīng)調(diào)試成功，對于超聲用于膏藥輔助治療研究具有一定意義。

STC89C52；超聲；紅外測溫；膏藥

0 引言

超聲波指的是振動頻率大于20 000 Hz的聲波，其在傳播過程中會與媒介相互作用，發(fā)生一系列物理和化學(xué)變化，產(chǎn)生一系列力學(xué)的、熱學(xué)的、電磁學(xué)的和化學(xué)的超聲效應(yīng)，在人體中形成熱、機械、空化、生化等效應(yīng)，用于治療疾病。目前超聲技術(shù)已廣泛應(yīng)用于美容領(lǐng)域，超聲波美容是一種超聲治療技術(shù)，正是利用超聲波對人體的生物效應(yīng)來進行美容。超聲生物效應(yīng)可增強組織滲透、提高細胞代謝、促進血液循環(huán)、軟化堅硬組織，降低神經(jīng)、肌肉興奮性，產(chǎn)生良好的鎮(zhèn)痛、解痙作用，從而加速細胞新陳代謝，促進組織pH值改變，增加細胞膜通透性, 促進物質(zhì)的經(jīng)皮透入[1]。

膏藥是中醫(yī)外用的一種傳統(tǒng)的理療方式，利用其中的發(fā)熱劑來促使藥物滲透到人體內(nèi)，以此來達到治療的效果。而超聲技術(shù)應(yīng)用于中醫(yī)膏藥理療領(lǐng)域卻相對較少。因此本文利用超聲發(fā)生器、加熱模塊和MLX90615紅外測溫傳感器，基于STC89C52設(shè)計一種超聲溫控膏藥理療儀。理療儀的核心是通過超聲發(fā)生器和加熱模塊產(chǎn)生超聲波和熱量作用膏藥，利用其生物效應(yīng)促進膏藥的滲透吸收并達到鎮(zhèn)痛及提高治療效果的目的。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

理療儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要包含控制模塊、超聲模塊、加熱模塊、測溫模塊等?？刂颇K采用STC89C52作為中央處理器，負責邏輯處理與算法實現(xiàn)；超聲模塊和加熱模塊產(chǎn)生超聲波和熱量作用膏藥，利用其生物效應(yīng)促進膏藥的滲透吸收并達到鎮(zhèn)痛效果；測溫模塊用于采集膏藥處的溫度反饋到控制模塊，實現(xiàn)調(diào)節(jié)超聲模塊和加熱模塊對膏藥的作用強度；顯示模塊用于顯示溫度和療程時間等；錄入模塊用于設(shè)置時間、溫度閾值等；電源模塊則為整個系統(tǒng)供電。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 主要硬件設(shè)計

2.1 控制模塊

控制模塊的核心為STC89C52單片機，包含時鐘電路和復(fù)位電路。STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8 KB系統(tǒng)可編程Flash存儲器，使用MCS-51內(nèi)核，時鐘頻率可達80 MHz，3個16位定時器/計數(shù)器，具有看門狗定時器，4個外部中斷等[2]，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計需求。

2.2 超聲模塊

超聲波指的是振動頻率在20 kHz以上的聲波[3]。由于超生波頻率甚高，而人耳所能聽見的頻率范圍為20 Hz～20 kHz，所以人耳不可能聽見位于20 kHz及以上頻率的聲波。超聲波也是一種聲波，它與其他聲波性質(zhì)都是相似的。它們都是由于物體振動而引起的，其有兩種不同的傳播方式分別為橫波和縱波。但是一般在人們生活中都是以縱波的方式傳播的。有公式：

c=λf

(1)

式中c為聲速，λ為波長，f為頻率。所以可以得知當頻率越高，聲速一定，波長也就越小。超聲波就是頻率高、波長短的一種聲波，在傳播時具有良好的束射性和方向性。

本系統(tǒng)使用TL494芯片為控制芯片。TL494是一款經(jīng)典的芯片，主要作用是脈寬調(diào)制。其擁有兩個誤差放大器，12腳接電源，7腳接地；5腳和6腳分別接外部振蕩電容和電阻以此來調(diào)節(jié)輸出信號的頻率；9腳和10腳為兩個三極管的發(fā)射機，8腳和11腳為三極管的集電極，都可以用不同的方式輸出信號。TL494芯片擁有開關(guān)電源的所有功能，廣泛應(yīng)用于半橋、全橋電路中。

圖2、圖3為超聲驅(qū)動原理圖，其中圖2為信號產(chǎn)生原理圖，圖3為后級驅(qū)動原理圖。

圖2 信號產(chǎn)生

圖3 后級驅(qū)動

圖2中先由TL494產(chǎn)生兩路PWM 波，根據(jù)外接振蕩電容與電阻可以調(diào)節(jié)輸出波形的頻率。輸出后分別接到兩個由NPN和PNP對接的電路中，其目的是組成互補放大電路，用以增加輸出電流，提高驅(qū)動能力。圖3中將前級信號接到一個自己繞制的一路到四路的耦合器上，讓一路信號耦合為四路信號。這四路信號接到由MOS管組成的全橋電路中，起到逆變作用，讓直流信號轉(zhuǎn)化為交流信號。后面接一個變壓器和電容與后面的負載形成阻抗匹配。最后換能器與一個電感串聯(lián)起到諧振作用，使換能器處于正常工作狀態(tài)。由于電路中的電流較大，功率也大，所以前級的三極管分別使用D882和B772，后面MOS管使用的是IRF3205，為N溝道場管。

2.3 測溫模塊

2.3.1紅外測溫原理

在自然界中,當物體的溫度高于絕對零度時，物體本身內(nèi)部就會發(fā)生分子的熱運動，就會不斷地向外部輻射能量，其中就包含了波段位于0. 75～100 μm 的紅外線。向外輻射能量的強弱與它的表面溫度是密不可分的，溫度越高的物體輻射能力也就相對越強。所以通過對紅外能量的測量就可以間接地測出物體的溫度，這個原理也正是紅外測溫的基礎(chǔ)。

黑體輻射定律：假設(shè)有一種物體的存在，它可以吸收所有波長的輻射能量，也不會反射或者透過能量，將之稱之為黑體[4]。世界上是沒有絕對的東西存在的，黑體只是人們的一種理想體。這只是為了研究紅外輻射的分布，而需要選擇的滿意模型?？茖W(xué)家利用這個模型研究提出了黑體輻射定律，用波長來表示黑體光譜輻射度。

黑體光譜輻射功率Pb(λT)與絕對溫度T滿足普朗克定理：

(2)

其中，λ為波長；T為絕對溫度；c1、c2為輻射常數(shù)。

斯特藩-玻耳茲曼定理中黑體的輻出度與溫度的關(guān)系為：

Pb(T)=σT4

(3)

考慮到物體的單色黑度ε(λ)是不隨波長變化的常數(shù)，即ε(λ)=ε，稱此物體為灰體。不同物質(zhì)對應(yīng)不同的值，即使是同一種物質(zhì)因其結(jié)構(gòu)不同值也會不同，只有黑體ε=1，而一般灰體0<ε<1。所以：

P(T)=εPb(T)=εσT4

(4)

所以溫度就為：

(5)

這便是紅外測溫計算溫度的數(shù)學(xué)表達式。

2.3.2紅外測溫模塊

圖4 MLX90615管腳圖

測溫模塊采用MLX90615紅外溫度傳感器來采集溫度數(shù)據(jù)，然后再傳給單片機。MLX90615是Melexis推出的產(chǎn)品。這是一款整合在超小TO-39封裝中的高靈敏紅外溫度計。其內(nèi)部集成了17位ADC、低噪聲放大器和強大的DSP處理單元[5]，讓傳感器達到了高精度、高分辨率的測量效果。處理后的環(huán)境溫度和目標溫度均存于MLX90615的RAM中，分辨率達到0.01℃。如圖4所示，其中1腳SCL為兩線通信協(xié)議中的連續(xù)時鐘輸入；2腳為SDA/PWM數(shù)字輸入、輸出，此腳上可以讀出PWM制式的目標溫度。在SMBus兼容模式下，自動設(shè)置為開漏NMSOS；3腳為電源輸入端；4腳為接地，同時連接到金屬封裝。電路連接圖如圖5。

圖5 MLX90615電路連接圖

3 程序流程圖

系統(tǒng)程序流程圖如圖6所示，當啟動系統(tǒng)時首先進行初始化，初始化LCD1602液晶顯示、MLX90615紅外溫度傳感器等。初始化后將進入設(shè)置頁面，設(shè)置溫度的閾值和理療時間，溫度閾值用于與MLX90615紅外溫度傳感器采集到的溫度進行比較，當溫度小于閾值時，系統(tǒng)將會啟動超聲模塊和加熱模塊產(chǎn)生超聲波和熱量作用膏藥，利用其生物效應(yīng)促進膏藥的滲透吸收并達到鎮(zhèn)痛效果；當溫度大于閾值時，將會關(guān)閉超聲模塊和加熱模塊，避免因溫度過高等對人體造成傷害。而理療時間用于設(shè)置整個理療過程所需要的時間，當時間到后會自動關(guān)閉系統(tǒng)，時間的計時是通過STC89C52的定時器實現(xiàn)。

圖6 程序流程圖

4 系統(tǒng)測試與結(jié)論

目前，理療儀的樣機已經(jīng)制作完畢，通過測試其超聲模塊能夠正常產(chǎn)生超聲波；測溫模塊通過MLX90615紅外溫度傳感器采集到的溫度可在LCD1602液晶上實時顯示；同時能夠加熱，設(shè)置溫度閾值和理療時間，系統(tǒng)也能夠根據(jù)設(shè)定值正常工作。說明系統(tǒng)的整體聯(lián)調(diào)沒有問題。但是對于系統(tǒng)所產(chǎn)生的超聲波和加熱溫度所產(chǎn)生的生物效應(yīng)對促進膏藥的滲透吸收并達到鎮(zhèn)痛效果缺少大量樣本的對照實驗分析，仍需要驗證。但是系統(tǒng)的設(shè)計對于超聲效應(yīng)應(yīng)用于傳統(tǒng)中醫(yī)膏藥領(lǐng)域具有一定的積極意義。

[1] 秦洪密,茹長渠,劉化召.超聲波醫(yī)學(xué)美容的機理及儀器設(shè)計[J]. 西安：暨南大學(xué)學(xué)報,2000,21(1):114-115.

[2] 張哲,李智,管四海.基于STC89C52的智能全自動洗衣機控制系統(tǒng)設(shè)計[J].微型機與應(yīng)用，2017,36(7):102- 105.

[3] 梅曉云. 局放檢測超聲波傳感器電路設(shè)計與應(yīng)用[D].西安：西安電子科技大學(xué),2012.

[4] 唐標,王恩. 淺析電力系統(tǒng)紅外測溫儀的運用[J]. 云南電力技術(shù),2012,40(5):88-90.

[5] 孫旭東,張躍.基于AD8232和MLX90615的心電與體溫測量系統(tǒng)設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng),2014,33(9):81-84.

The physiotherapy instrument design of ultrasonic temperature control plaster

Li Yonghong1, Yan Hongli1, Li Shuaizhen1, Guan Junwen1,2

(1. Biomedical Effect of Physical Field and Instrument Key Laboratory of Sichuan Higher Education Institutes, Department of Electronic Engineering, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225, China;2. West China Hospital, Sichuan University, Chengdu 610041, China)

In order to smooth the patient’s pain and improve the therapeutic effect of the plaster, this paper designed a kind of physiotherapy instrument of plaster which based on ultrasonic temperature control by using the ultrasonic effect that can enhance tissue penetration, improve cell metabolism, promote blood circulation, reduce excitability of nerve or muscle, produce good analgesia spasm, reconciliation, It is mainly composed of STC89C52 main control chip, ultrasonic generator, heating module, MLX90615 infrared temperature, LCD1602 liquid crystal display, etc. And the STC89C52 as the central processor has controlled the operation of the whole system. The ultrasonic generator and heating module would promote the absorption of plaster and achieve the effect of analgesic. Through MLX90615 sensor, the temperature of the patch is collected and used for feedback regulating heating module. The function of the physiotherapy instrument has been debugged successfully, which is significance for the study on ultrasound assisted plaster therapy.

STC89C52; ultrasound; infrared temperature measurement; plaster

TP274

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.23.029

李永紅，嚴洪立，李率真，等.超聲溫控膏藥理療儀設(shè)計[J].微型機與應(yīng)用，2017,36(23)：101-103，111.

四川省科技支撐計劃(2015ZC0935，2014ZC0596)；成都市科技惠民技術(shù)研發(fā)項目(2015-HM01-00422-SF)

2017-06-12)

李永紅(1969-)，通信作者，男，博士，副教授，主要研究方向：中醫(yī)、醫(yī)學(xué)物聯(lián)網(wǎng)及儀器。

嚴洪立(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向：醫(yī)學(xué)物聯(lián)網(wǎng)及儀器。

李率真(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向：醫(yī)學(xué)物聯(lián)網(wǎng)及儀器。