基于A(yíng)RM處理器的微波熱療儀系統

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：

（1）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。

（2）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：

（1） 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。

（2）溫度采集電路。在熱療過(guò)程中，為了檢測人體患處的溫度變化情況，系統配置了溫度采集電路。它由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轉換器。單片機再通過(guò)串口將溫度信號傳遞給嵌入式系統模塊，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，當磁控管的工作點(diǎn)設置合理、內部振蕩穩定時(shí)，微波可由諧振耦合器和同軸電纜耦合到專(zhuān)門(mén)設計的圓形輻射器輸出。該微波源主要由微波驅動(dòng)電路和微波輻射器組成。它可外接手術(shù)刀和消融針（見(jiàn)圖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動(dòng)電壓之間為非線(xiàn)性關(guān)系，在本設計中我們預先測出功率與驅動(dòng)電壓的對應關(guān)系表，控制程序通過(guò)查表將用戶(hù)設置的功率轉換成電壓值，并通過(guò)串口發(fā)送給單片機。單片機再通過(guò)其自帶的D/A轉換器輸出模擬電壓以控制微波源的功率輸出。

2 軟件系統

2.1 嵌入式操作系統WINCE.NET

Microsoft Windows CE.NET （又稱(chēng)WINCE.NET）是一個(gè)緊湊、高效和可裁減的操作系統，適用于各種嵌入式系統開(kāi)發(fā)中。它擁有多線(xiàn)程、多任務(wù)、完全搶先式優(yōu)先級的特點(diǎn)，是一種面向嵌入式環(huán)境的實(shí)時(shí)操作系統。

Embedded Visual C++（簡(jiǎn)稱(chēng)EVC）是Microsoft公司推出的一套基于WINCE.NET平臺的可視化開(kāi)發(fā)工具，它支持MFC類(lèi)庫的子集，能夠給開(kāi)發(fā)者提供強大的支持，與普通Win32程序開(kāi)發(fā)方法相似，基于此特點(diǎn)本次設計采用EVC4.0版本開(kāi)發(fā)。

2.2 軟件系統設計

根據硬件平臺的特點(diǎn)以及實(shí)際的功能需求，軟件系統分為兩部分：手術(shù)刀控制和消融針自動(dòng)控制功能，其中消融針自動(dòng)控制功能提供三種功能：人體溫度監視功能，微波功率自動(dòng)調節功能以及消融針運行狀態(tài)控制功能。其中人體溫度監視功能提供溫度-時(shí)間（秒），溫度-時(shí)間（分）和功率-時(shí)間（分）三波形圖，如圖4所示。具體的系統流程圖如圖5所示。

圖4 軟件結構圖

圖5 程序流程圖

2.2.1 手術(shù)刀控制功能塊

該模塊界面如圖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(shí)間、調整微波刀輸出功率和初始化功率、時(shí)間參數。

（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

嵌入式系統模塊與溫度采集及控制模塊之間主要通過(guò)串口通訊[7]（見(jiàn)圖1）。應用程序需要對串口數據進(jìn)行編碼/解碼以達到控制的目的。串口通訊數據格式統一如下：

（1）數模轉換器向嵌入式系統模塊發(fā)送的數據長(cháng)度為每幀21字節，傳輸格式（見(jiàn)表1）如下：①前導碼為0x55（1字節）;②開(kāi)始/停止（1字節）：0x00表示停止;0xFF表示開(kāi)始③功率值（2字節）：功率值為一個(gè)范圍（0—4095）;④溫度值（16字節）：每個(gè)溫度值取值范圍為0-4095（2字節），所以共需16字節;⑤結束碼為0xAA。

表1 溫度采集及控制模塊-嵌入式模塊數據格式

（2）嵌入式系統模塊給數模轉換器發(fā)送的數據格式如表2所示，共5字節，定義同上。

表2 嵌入式模塊-溫度采集及控制模塊 數據格式

2.2.2 消融針控制功能塊

如圖6（b）所示，此模塊提供功能：①消融針運行控制功能：所選用微波源的型號、警戒溫度 、預運行時(shí)間和預輸出功率;控制消融針啟/停狀態(tài)②微波功率自動(dòng)調節功能：當被治療的患處溫度超過(guò)警戒溫度時(shí)候，系統自動(dòng)調低微波輸出功率，直到溫度恢復正常。③溫度監視功能顯示三種波形圖：溫度-時(shí)間（秒），溫度-時(shí)間（分）和功率-時(shí)間（分）波形圖。

3 實(shí)驗與結論

系統整合后，于室溫17℃的條件下我們對整個(gè)儀器進(jìn)行過(guò)了測試。手術(shù)刀輸出功率為35W。啟動(dòng)手術(shù)刀功能后，測得系統的表示輸出功率的模擬電壓值與時(shí)間的關(guān)系如表3：

表3 手術(shù)刀輸出模擬電壓-時(shí)間表

另外，設置消融針輸出功率35W,設置警戒溫度30℃。啟動(dòng)消融針熱療功能，開(kāi)始時(shí)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分鐘取出繼續置入11.5℃水中;于第10分鐘置入溫度為29.1℃的水中，于第11分鐘取出，繼續置入11.5℃水中。在此過(guò)程中，我們測得的功率轉換后的電壓值如表4：

表4 消融針輸出模擬電壓-時(shí)間表

實(shí)驗表明，控制系統能夠精確控制微波的輸出功率。同時(shí)，通過(guò)熱敏探頭，它能夠準確監視患處溫度變化，并根據預警溫度值對輸出功率大小進(jìn)行調節，以防止患處溫度過(guò)高引發(fā)灼傷事故。實(shí)驗與理論的一致說(shuō)明系統性能符合設計要求，今后還要不斷努力，完善人機交互界面，提高可操作性;完善軟件模塊與不同微波發(fā)射器之間耦合的接口，提高系統的兼容性和可擴展性。

本文的創(chuàng )新點(diǎn)：利用流行的嵌入式技術(shù)改進(jìn)提升微波熱療儀的控制系統，該系統使熱療儀控制系統在小型化、智能化、提高精確度以及降低成本方面邁出了一大步;其擁有的多接口能夠兼容市場(chǎng)上流行的微波發(fā)射器，具有較高的可擴展性，實(shí)現了很好的市場(chǎng)價(jià)值。