基于ARM嵌入式系統(tǒng)的微波熱療儀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(wèn)世并得到廣泛應(yīng)用。微波治療疾病的原理比較復(fù)雜，由國(guó)內(nèi)外目前研究結(jié)果可見(jiàn)微波治療疾病主要是通過(guò)熱效應(yīng)和生物效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于極性分子間存在磁阻對(duì)振蕩產(chǎn)生阻尼作用，從而消耗微波能量而生熱，利用這些熱量達(dá)到治病之目的，這就是微波治療的熱效應(yīng)。 通過(guò)研究和實(shí)驗(yàn)表明，用微波照射病變部位，其治療效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其它熱敷方法。人體的組成成分大部分是碳水化合物，碳水化合物的分子都是極性分子，極性分子在微波場(chǎng)作用下，隨微波頻率改變其極性稱(chēng)作極性振蕩，極性振蕩的頻率與微波頻率相同，其振幅與微波強(qiáng)度成正比。大家知道，中醫(yī)通過(guò)熱敷、針灸可以治療寒癥和局部炎癥；通過(guò)人體自身發(fā)熱，可以達(dá)到自身免疫功能。微波是指頻率為300MHz-300GHz的電磁波，是無(wú)線電波中一個(gè)有限頻帶的簡(jiǎn)稱(chēng)，即波長(zhǎng)在1米（不含1米）到1毫米之間的電磁波，是分米波、厘米波、毫米波和亞毫米波的統(tǒng)稱(chēng)。微波頻率比一般的無(wú)線電波頻率高，通常也稱(chēng)為“超高頻電磁波”。微波作為一種電磁波也具有波粒二象性。微波的基本性質(zhì)通常呈現(xiàn)為穿透、反射、吸收三個(gè)特性。對(duì)于玻璃、塑料和瓷器，微波幾乎是穿越而不被吸收。對(duì)于水和食物等就會(huì)吸收微波而使自身發(fā)熱。而對(duì)金屬類(lèi)東西，則會(huì)反射微波。

微波治療儀是一種利用微波的生物學(xué)特性對(duì)各種疾病進(jìn)行治療的醫(yī)療設(shè)備，它綜合了微波、傳感器、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)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(tǒng)多數(shù)采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，普遍存在操作繁瑣、無(wú)圖形化操作界面、顯示不直觀的缺點(diǎn)生物電磁學(xué)作為一門(mén)新興的邊緣學(xué)科，已愈益受到中國(guó)外有關(guān)專(zhuān)家和學(xué)者的重視。，對(duì)高頻電磁波的研究已經(jīng)拓展到毫米波段，并被視為研究的重點(diǎn)內(nèi)容。毫米波生物醫(yī)學(xué)工程的研究，始于六十年代，1968年，加拿大學(xué)者Webb發(fā)表了第一篇關(guān)于毫米波可抑制細(xì)菌生長(zhǎng)的生物效應(yīng)文章，隨后他又報(bào)道過(guò)微生物對(duì)毫米波存在類(lèi)似諧振的能量吸收諧振點(diǎn)，指出了正常細(xì)胞和癌細(xì)胞對(duì)毫米波具有不同的吸收諧振點(diǎn)。此后，俄、美、德、法和中國(guó)等許多科學(xué)家都做了大量的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究和臨床驗(yàn)證工作。結(jié)果表明低能量密度的毫米波照射能引起明顯的生物效應(yīng)，同時(shí)在毫米波臨床應(yīng)用上也積累了大量有價(jià)值的資料。 微波作為毫米波的一種，除了具有毫米波的共有特性外，還有一些區(qū)別于其他毫米波的獨(dú)特性質(zhì)。微波的主要特點(diǎn)是它的似光性、穿透性和非電離性。

ARM（Advanced RISC Machines）是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，設(shè)計(jì)了大量高性能、廉價(jià)、耗能低的RISC處理器、相關(guān)技術(shù)及軟件。技術(shù)具有性能高、成本低和能耗省的特點(diǎn)。適用于多種領(lǐng)域，比如嵌入控制、消費(fèi)/教育類(lèi)多媒體、DSP和移動(dòng)式應(yīng)用等。由于ARM嵌入式技術(shù)能使控制系統(tǒng)小型化，并且開(kāi)發(fā)出來(lái)的產(chǎn)品功能強(qiáng)大，成本低廉，具有較高的性?xún)r(jià)比。因此，我們根據(jù)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(tǒng)、配置WINCE.NET操作系統(tǒng)的微波熱療儀。

1 硬件系統(tǒng)

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(xù)可調(diào)的微波功率源，通過(guò)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(shí)現(xiàn)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(zhǔn)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)。

本系統(tǒng)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(jī)交互界面控制微波刀的輸出功率，同時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)累計(jì)微波刀的運(yùn)行時(shí)間，便于病歷記錄。

（2）消融針：消融針應(yīng)用于熱療時(shí)，用戶(hù)可預(yù)先設(shè)置消融針運(yùn)行功率、時(shí)間和警戒溫度，系統(tǒng)采用倒計(jì)時(shí)方式計(jì)算消融針運(yùn)行時(shí)間，時(shí)間歸零后，系統(tǒng)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(tǒng)還可以監(jiān)視患處的溫度變化情況，當(dāng)檢測(cè)到的溫度高于警戒溫度時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)低消融針的輸出功率；當(dāng)檢測(cè)到的溫度恢復(fù)正常后，系統(tǒng)恢復(fù)消融針的輸出功率為預(yù)先設(shè)置值。

1.2 硬件組成

整個(gè)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

圖2 嵌入式系統(tǒng)模塊結(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)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(tǒng)模塊外接一塊Sharp公司的10.4寸液晶顯示器，嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助裝置、機(jī)器和設(shè)備運(yùn)行的裝置”（devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。從中可以看出嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機(jī)械等附屬裝置。目前國(guó)內(nèi)一個(gè)普遍被認(rèn)同的定義是：以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。其分辨率為640×480，作為系統(tǒng)的人機(jī)交互平臺(tái)供用戶(hù)操作使用。

嵌入式系統(tǒng)模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部分，它提供友好的人機(jī)交互界面供用戶(hù)設(shè)定功率、時(shí)間和警戒溫度等參數(shù)，然后通過(guò)串口與單片機(jī)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。嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)，對(duì)功能、對(duì)可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

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(jī)和溫度采集電路組成：

（1） 單片機(jī)。單片機(jī)采用Silabs公司的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(guò)A/D采集8路溫度信號(hào)并經(jīng)串口發(fā)送到嵌入式系統(tǒng)模塊中，同時(shí)將嵌入式系統(tǒng)模塊傳來(lái)的功率值通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換成電壓以驅(qū)動(dòng)微波源。

（2）溫度采集電路。在熱療過(guò)程中，為了檢測(cè)人體患處的溫度變化情況，系統(tǒng)配置了溫度采集電路。它由8路熱敏電阻和信號(hào)放大電路組成，熱敏電阻先與固定電阻分壓，經(jīng)信號(hào)放大電路放大后接到單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器。

1.2.3 微波源

微波源采用磁控管作為微波振蕩管，當(dāng)磁控管的工作點(diǎn)設(shè)置合理、內(nèi)部振蕩穩(wěn)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(shè)計(jì)的圓形輻射器輸出。該微波源主要由微波驅(qū)動(dòng)電路和微波輻射器組成。

圖3 微波源

由于微波源輸出的功率與驅(qū)動(dòng)電壓之間為非線性關(guān)系，在本設(shè)計(jì)中我們預(yù)先測(cè)出功率與驅(qū)動(dòng)電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系表，控制程序通過(guò)查表將用戶(hù)設(shè)置的功率轉(zhuǎn)換成電壓值，并通過(guò)串口發(fā)送給單片機(jī)。

2 軟件系統(tǒng)

2.1 嵌入式操作系統(tǒng)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(tǒng)，適用于各種嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中。它擁有多線程、多任務(wù)、完全搶先式優(yōu)先級(jí)的特點(diǎn)。

Embedded Visual C++（簡(jiǎn)稱(chēng)EVC）是Microsoft公司推出的一套基于WINCE.NET平臺(tái)的可視化開(kāi)發(fā)工具，它支持MFC類(lèi)庫(kù)的子集，能夠給開(kāi)發(fā)者提供強(qiáng)大的支持，與普通Win32程序開(kāi)發(fā)方法相似。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)硬件平臺(tái)的特點(diǎn)以及實(shí)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(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(jiān)視功能，微波功率自動(dòng)調(diào)節(jié)功能以及消融針運(yùn)行狀態(tài)控制功能。其中人體溫度監(jiān)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(tǒng)流程圖如圖5所示。

圖4 軟件結(jié)構(gòu)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(jì)算微波刀運(yùn)行時(shí)間、調(diào)整微波刀輸出功率和初始化功率、時(shí)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

嵌入式系統(tǒng)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(yīng)用程序需要對(duì)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：

（1）數(shù)模轉(zhuǎn)換器向嵌入式系統(tǒng)模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為每幀21字節(jié)，傳輸格式（見(jiàn)表1）如下：①前導(dǎo)碼為0x55（1字節(jié)）；②開(kāi)始/停止（1字節(jié)）：0x00表示停止；0xFF表示開(kāi)始③功率值（2字節(jié)）：功率值為一個(gè)范圍（0—4095）；④溫度值（16字節(jié)）：每個(gè)溫度值取值范圍為0-4095（2字節(jié)），所以共需16字節(jié)；⑤結(jié)束碼為0xAA。

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 嵌入式模塊-溫度采集及控制模塊 數(shù)據(jù)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(yùn)行控制功能：所選用微波源的型號(hào)、警戒溫度 、預(yù)運(yùn)行時(shí)間和預(yù)輸出功率；控制消融針啟/停狀態(tài)②微波功率自動(dòng)調(diào)節(jié)功能：當(dāng)被治療的患處溫度超過(guò)警戒溫度時(shí)候，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)低微波輸出功率，直到溫度恢復(fù)正常。③溫度監(jiān)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(yàn)與結(jié)論

系統(tǒng)整合后，于室溫17℃的條件下我們對(duì)整個(gè)儀器進(jìn)行過(guò)了測(cè)試。手術(shù)刀輸出功率為35W。啟動(dòng)手術(shù)刀功能后，測(cè)得系統(tǒng)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(shè)置消融針輸出功率35W,設(shè)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(xù)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(xù)置入11.5℃水中。在此過(guò)程中，我們測(cè)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(shí)間表

實(shí)驗(yàn)表明，控制系統(tǒng)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(zhǔn)確監(jiān)視患處溫度變化，并根據(jù)預(yù)警溫度值對(duì)輸出功率大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，以防止患處溫度過(guò)高引發(fā)灼傷事故。實(shí)驗(yàn)與理論的一致說(shuō)明系統(tǒng)性能符合設(shè)計(jì)要求，今后還要不斷努力，完善人機(jī)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(tǒng)的兼容性和可擴(kuò)展性。