基于A(yíng)RM處理器的微波熱療儀系統設計

引言

　　隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種醫療設備相繼問(wèn)世并得到廣泛應用。其中，微波治療[1][2]以其優(yōu)越的止血效果、微小的組織損傷等優(yōu)點(diǎn)，在醫療行業(yè)推廣應用了多年，其療效已得到醫務(wù)界的肯定。微波作用于機體組織時(shí)，它會(huì )引起組織細胞中離子、水分子和偶極子的高頻振蕩。當使用小劑量微波時(shí)，它會(huì )產(chǎn)生低熱效應，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;當使用大劑量微波時(shí)，它會(huì )產(chǎn)生高熱效應，使蛋白質(zhì)變性、凝固、壞死，此時(shí)，微波具有“燒灼”、“切割”的作用。

　　微波治療儀是一種利用微波的生物學(xué)特性對各種疾病進(jìn)行治療的醫療設備，它綜合了微波、傳感器、自動(dòng)控制、計算機軟件和硬件等高科技技術(shù)。市場(chǎng)上的微波治療儀的控制系統多數采用單片機實(shí)現，普遍存在操作繁瑣、無(wú)圖形化操作界面、顯示不直觀(guān)的缺點(diǎn)。而采用PC機作為控制端的熱療儀又增大了設備的成本。這些因素都制約著(zhù)該應用的迅速普及推廣。

　　由于ARM嵌入式技術(shù)能使控制系統小型化，并且開(kāi)發(fā)出來(lái)的產(chǎn)品功能強大，成本低廉，具有較高的性?xún)r(jià)比。因此，我們根據微波熱療儀的市場(chǎng)需要，開(kāi)發(fā)了一種新型的基于ARM嵌入式系統[3][4]、配置WINCE.NET操作系統[5]的微波熱療儀。本應用采用Embedded Visual C++工具[6]進(jìn)行開(kāi)發(fā)，該產(chǎn)品能實(shí)時(shí)監測人體溫度，具有微波刀，消融針的功能。該系統具有控制集成度高，運行穩定，操作方便以及直觀(guān)的圖形化界面顯示等特點(diǎn)。

1 硬件系統

　　1.1 硬件功能簡(jiǎn)介

　　微波刀是一種將微波能量用來(lái)進(jìn)行外科手術(shù)的微波手術(shù)刀。它由頻率為2000～10000 MHz，功率70～150 W連續可調的微波功率源，通過(guò)傳輸線(xiàn)與手術(shù)刀具相連組成。微波源產(chǎn)生的能量經(jīng)傳輸線(xiàn)，沿手術(shù)刀具進(jìn)入患者手術(shù)部位，實(shí)現手術(shù)目的。它具有止血效果好,刀口不碳化,滅菌,防止手術(shù)感染等特點(diǎn)，并且體積小,操作靈活。消融技術(shù)是使微波治療源經(jīng)過(guò)人體自然腔道，準確定點(diǎn)的介入到人體的局部病變部位，自動(dòng)精確的控制其治療功率、時(shí)間和治療范圍的技術(shù)。采用消融針能夠在不開(kāi)腹的情況下對病癥進(jìn)行有效治療，痛苦小。

　　本系統的微波發(fā)射器可外接微波刀和消融針，工作情況如下：

　?。?）微波刀：手術(shù)中微波刀在使用時(shí)，用戶(hù)通過(guò)人機交互界面控制微波刀的輸出功率，同時(shí)系統自動(dòng)累計微波刀的運行時(shí)間，便于病歷記錄。

　?。?）消融針：消融針應用于熱療時(shí)，用戶(hù)可預先設置消融針運行功率、時(shí)間和警戒溫度，系統采用倒計時(shí)方式計算消融針運行時(shí)間，時(shí)間歸零后，系統自動(dòng)切斷功率輸出。治療過(guò)程中，為了防止患者治療部位的溫度過(guò)高而造成組織損壞，系統還可以監視患處的溫度變化情況，當檢測到的溫度高于警戒溫度時(shí)，系統自動(dòng)調低消融針的輸出功率;當檢測到的溫度恢復正常后，系統恢復消融針的輸出功率為預先設置值。

　　1.2 硬件組成

　　整個(gè)硬件系統分為三大部分，即嵌入式系統模塊、溫度采集及控制模塊以及微波源。圖1是系統的硬件結構圖。

圖1 硬件系統結構圖

圖2 嵌入式系統模塊結構圖

　　1.2.1 嵌入式系統模塊

　　嵌入式系統模塊的結構如圖2所示，模塊采用三星公司的ARM9系列微處理器 S3C2410，其中包括64M的RAM和64M的Flash。嵌入式系統模塊外接一塊Sharp公司的10.4寸液晶顯示器，其分辨率為640×480，作為系統的人機交互平臺供用戶(hù)操作使用。

　　嵌入式系統模塊是整個(gè)系統的核心控制部分，它提供友好的人機交互界面供用戶(hù)設定功率、時(shí)間和警戒溫度等參數，然后通過(guò)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(shí)時(shí)的溫度曲線(xiàn)。

　　1.2.2 溫度采集及控制模塊

　　溫度采集及控制模塊由單片機和溫度采集電路組成：

　?。?） 單片機。單片機采用Silabs公司的C8051F005芯片，該芯片內嵌12位A/D和12位D/A轉換器。它通過(guò)A/D采集8路溫度信號并經(jīng)串口發(fā)送到嵌入式系統模塊中，同時(shí)將嵌入式系統模塊傳來(lái)的功率值通過(guò)D/A轉換成電壓以驅動(dòng)微波源。此外，考慮到實(shí)際應用的方便性，模塊外接一腳踏開(kāi)關(guān)，這樣用戶(hù)可直接用腳踏開(kāi)關(guān)控制微波輸出功率。