2020年08月18日 | 基于ARM嵌入式系统的微波热疗仪控制系统设计

引言

随着科学技术的发展，各种医疗设备相继问世并得到广泛应用。微波治疗疾病的原理比较复杂，由国内外目前研究结果可见微波治疗疾病主要是通过热效应和生物效应来实现的。由于极性分子间存在磁阻对振荡产生阻尼作用，从而消耗微波能量而生热，利用这些热量达到治病之目的，这就是微波治疗的热效应。 通过研究和实验表明，用微波照射病变部位，其治疗效果远远超过其它热敷方法。人体的组成成分大部分是碳水化合物，碳水化合物的分子都是极性分子，极性分子在微波场作用下，随微波频率改变其极性称作极性振荡，极性振荡的频率与微波频率相同，其振幅与微波强度成正比。　大家知道，中医通过热敷、针灸可以治疗寒症和局部炎症；通过人体自身发热，可以达到自身免疫功能。微波是指频率为300MHz-300GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长在1米（不含1米）到1毫米之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波的统称。微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波”。微波作为一种电磁波也具有波粒二象性。微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。而对金属类东西，则会反射微波。

微波治疗仪是一种利用微波的生物学特性对各种疾病进行治疗的医疗设备，它综合了微波、传感器、自动控制、计算机软件和硬件等高科技技术。市场上的微波治疗仪的控制系统多数采用单片机实现，普遍存在操作繁琐、无图形化操作界面、显示不直观的缺点生物电磁学作为一门新兴的边缘学科，已愈益受到中国外有关专家和学者的重视。，对高频电磁波的研究已经拓展到毫米波段，并被视为研究的重点内容。毫米波生物医学工程的研究，始于六十年代，1968年，加拿大学者Webb发表了第一篇关于毫米波可抑制细菌生长的生物效应文章，随后他又报道过微生物对毫米波存在类似谐振的能量吸收谐振点，指出了正常细胞和癌细胞对毫米波具有不同的吸收谐振点。此后，俄、美、德、法和中国等许多科学家都做了大量的基础实验研究和临床验证工作。结果表明低能量密度的毫米波照射能引起明显的生物效应，同时在毫米波临床应用上也积累了大量有价值的资料。 微波作为毫米波的一种，除了具有毫米波的共有特性外，还有一些区别于其他毫米波的独特性质。微波的主要特点是它的似光性、穿透性和非电离性。

ARM（Advanced RISC Machines）是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。技术具有性能高、成本低和能耗省的特点。适用于多种领域，比如嵌入控制、消费/教育类多媒体、DSP和移动式应用等。由于ARM嵌入式技术能使控制系统小型化，并且开发出来的产品功能强大，成本低廉，具有较高的性价比。因此，我们根据微波热疗仪的市场需要，开发了一种新型的基于ARM嵌入式系统、配置WINCE.NET操作系统的微波热疗仪。

1 硬件系统

1.1 硬件功能简介

微波刀是一种将微波能量用来进行外科手术的微波手术刀。它由频率为2000～10000 MHz，功率70～150 W连续可调的微波功率源，通过传输线与手术刀具相连组成。微波源产生的能量经传输线，沿手术刀具进入患者手术部位，实现手术目的。它具有止血效果好，刀口不碳化，灭菌，防止手术感染等特点，并且体积小，操作灵活。消融技术是使微波治疗源经过人体自然腔道，准确定点的介入到人体的局部病变部位，自动精确的控制其治疗功率、时间和治疗范围的技术。

本系统的微波发射器可外接微波刀和消融针，工作情况如下：

（1）微波刀：手术中微波刀在使用时，用户通过人机交互界面控制微波刀的输出功率，同时系统自动累计微波刀的运行时间，便于病历记录。

（2）消融针：消融针应用于热疗时，用户可预先设置消融针运行功率、时间和警戒温度，系统采用倒计时方式计算消融针运行时间，时间归零后，系统自动切断功率输出。治疗过程中，为了防止患者治疗部位的温度过高而造成组织损坏，系统还可以监视患处的温度变化情况，当检测到的温度高于警戒温度时，系统自动调低消融针的输出功率；当检测到的温度恢复正常后，系统恢复消融针的输出功率为预先设置值。

1.2 硬件组成

整个硬件系统分为三大部分，即嵌入式系统模块、温度采集及控制模块以及微波源。图1是系统的硬件结构图。

图1 硬件系统结构图

图2 嵌入式系统模块结构图

1.2.1 嵌入式系统模块

嵌入式系统模块的结构如图2所示，模块采用三星公司的ARM9系列微处理器 S3C2410，其中包括64M的RAM和64M的Flash。嵌入式系统模块外接一块Sharp公司的10.4寸液晶显示器，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置”（devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。目前国内一个普遍被认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。其分辨率为640×480，作为系统的人机交互平台供用户操作使用。

嵌入式系统模块是整个系统的核心控制部分，它提供友好的人机交互界面供用户设定功率、时间和警戒温度等参数，然后通过串口与单片机通信以控制微波源的输出功率，并在液晶显示器上显示实时的温度曲线。嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适用于应用系统，对功能、对可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。

1.2.2 温度采集及控制模块

温度采集及控制模块由单片机和温度采集电路组成：

（1） 单片机。单片机采用Silabs公司的C8051F005芯片，该芯片内嵌12位A/D和12位D/A转换器。它通过A/D采集8路温度信号并经串口发送到嵌入式系统模块中，同时将嵌入式系统模块传来的功率值通过D/A转换成电压以驱动微波源。

（2）温度采集电路。在热疗过程中，为了检测人体患处的温度变化情况，系统配置了温度采集电路。它由8路热敏电阻和信号放大电路组成，热敏电阻先与固定电阻分压，经信号放大电路放大后接到单片机的A/D转换器。

1.2.3 微波源

微波源采用磁控管作为微波振荡管，当磁控管的工作点设置合理、内部振荡稳定时，微波可由谐振耦合器和同轴电缆耦合到专门设计的圆形辐射器输出。该微波源主要由微波驱动电路和微波辐射器组成。

图3 微波源

由于微波源输出的功率与驱动电压之间为非线性关系，在本设计中我们预先测出功率与驱动电压的对应关系表，控制程序通过查表将用户设置的功率转换成电压值，并通过串口发送给单片机。

2 软件系统

2.1 嵌入式操作系统WINCE.NET

Microsoft Windows CE.NET （又称WINCE.NET）是一个紧凑、高效和可裁减的操作系统，适用于各种嵌入式系统开发中。它拥有多线程、多任务、完全抢先式优先级的特点。

Embedded Visual C++++（简称EVC）是Microsoft公司推出的一套基于WINCE.NET平台的可视化开发工具，它支持MFC类库的子集，能够给开发者提供强大的支持，与普通Win32程序开发方法相似。

2.2 软件系统设计

根据硬件平台的特点以及实际的功能需求，软件系统分为两部分：手术刀控制和消融针自动控制功能，其中消融针自动控制功能提供三种功能：人体温度监视功能，微波功率自动调节功能以及消融针运行状态控制功能。其中人体温度监视功能提供温度-时间（秒），温度-时间（分）和功率-时间（分）三波形图，如图4所示。具体的系统流程图如图5所示。

图4 软件结构图

图5 程序流程图

2.2.1 手术刀控制功能块

该模块界面如图6（a）所示，它提供以下功能：控制微波刀启/停状态、计算微波刀运行时间、调整微波刀输出功率和初始化功率、时间参数。

（a） 手术刀状态显示

b） 消融针控制图

图6 软件部分功能图

嵌入式系统模块与温度采集及控制模块之间主要通过串口通讯[7]（见图1）。应用程序需要对串口数据进行编码/解码以达到控制的目的。串口通讯数据格式统一如下：

（1）数模转换器向嵌入式系统模块发送的数据长度为每帧21字节，传输格式（见表1）如下：①前导码为0x55（1字节）；②开始/停止（1字节）：0x00表示停止；0xFF表示开始③功率值（2字节）：功率值为一个范围（0—4095）；④温度值（16字节）：每个温度值取值范围为0-4095（2字节），所以共需16字节；⑤结束码为0xAA。

表1 温度采集及控制模块-嵌入式模块数据格式

（2）嵌入式系统模块给数模转换器发送的数据格式如表2所示，共5字节，定义同上。

表2 嵌入式模块-温度采集及控制模块 数据格式

2.2.2 消融针控制功能块

如图6（b）所示，此模块提供功能：①消融针运行控制功能：所选用微波源的型号、警戒温度 、预运行时间和预输出功率；控制消融针启/停状态②微波功率自动调节功能：当被治疗的患处温度超过警戒温度时候，系统自动调低微波输出功率，直到温度恢复正常。③温度监视功能显示三种波形图：温度-时间（秒），温度-时间（分）和功率-时间（分）波形图。

3 实验与结论

系统整合后，于室温17℃的条件下我们对整个仪器进行过了测试。手术刀输出功率为35W。启动手术刀功能后，测得系统的表示输出功率的模拟电压值与时间的关系如表3：

表3 手术刀输出模拟电压-时间表

另外，设置消融针输出功率35W,设置警戒温度30℃。启动消融针热疗功能，开始时将温度热敏探头置入11.5℃水中；于第5分钟置入温度为31.7℃的水中，于第6分钟取出继续置入11.5℃水中；于第10分钟置入温度为29.1℃的水中，于第11分钟取出，继续置入11.5℃水中。在此过程中，我们测得的功率转换后的电压值如表4：

表4 消融针输出模拟电压-时间表

实验表明，控制系统能够精确控制微波的输出功率。同时，通过热敏探头，它能够准确监视患处温度变化，并根据预警温度值对输出功率大小进行调节，以防止患处温度过高引发灼伤事故。实验与理论的一致说明系统性能符合设计要求，今后还要不断努力，完善人机交互界面，提高可操作性；完善软件模块与不同微波发射器之间耦合的接口，提高系统的兼容性和可扩展性。