一種帶狀皰疹超聲治療儀的設(shè)計(jì)

郭志舒， 劉新妹,2

(1. 中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院， 山西 太原 030051； 2. 中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030051)

0 引 言

帶狀皰疹是由水痘-帶狀皰疹病毒(Varicella-Zoster Virus, VZV)引起的一種皮膚性疾病[1]. 目前， 治療該疾病的主要方法為內(nèi)服藥物和外用藥物， 這些方法的治療時(shí)間漫長(zhǎng)， 容易對(duì)患處肌膚造成損害.

超聲波治療因其治療有深度、 起效快、 無(wú)任何副作用的優(yōu)勢(shì)， 得到廣泛的應(yīng)用. 如： 美國(guó)DJO公司的Chattanooga7166型超聲治療儀用于治療杜普賴氏疾病[2]， 法國(guó)賽特力公司的P5系列超聲治療儀用于牙周根管的治療[3]， 普羅醫(yī)學(xué)UT-1000型超聲治療儀用于肢體運(yùn)動(dòng)障礙的治療[4]， 多浦樂(lè)T-5000型超聲治療儀用于慢性軟組織損傷的治療等[5]. 但上述的超聲治療儀輸出頻率單一， 沒(méi)有空載保護(hù)功能.

針對(duì)帶狀皰疹這種疾病， 本文以超聲波的生物學(xué)效應(yīng)作為治療機(jī)理， 設(shè)計(jì)出一種多種頻率選擇、 多檔強(qiáng)度調(diào)節(jié)和具有空載保護(hù)等功能的超聲治療儀. 本治療儀利用超聲波進(jìn)入患處組織產(chǎn)生的溫?zé)嵝?yīng)加快局部的血液循環(huán)速度， 進(jìn)一步加強(qiáng)新陳代謝， 使細(xì)胞的缺血缺氧獲得改善， 降低神經(jīng)的興奮程度， 起到鎮(zhèn)痛的作用[6]； 通過(guò)機(jī)械效應(yīng)加強(qiáng)患處組織內(nèi)血液和淋巴的循環(huán)， 改善組織營(yíng)養(yǎng)以及細(xì)胞內(nèi)蛋白合成速率， 從而提高細(xì)胞的再生能力[7]； 通過(guò)理化效應(yīng)使患處細(xì)胞液內(nèi)環(huán)境的弱酸性發(fā)生改變， 癥狀得到緩解[8].

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 技術(shù)指標(biāo)

本文設(shè)計(jì)的主要技術(shù)指標(biāo)要求： 根據(jù)臨床治療帶狀皰疹的成功案例， 將 0.8 MHz, 0.9 MHz, 1 MHz 作為本設(shè)計(jì)的輸出頻率， 參照YY/T 1090—2018《中華人民共和國(guó)醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》中超聲理療設(shè)備的規(guī)定， 本設(shè)計(jì)輸出頻率的技術(shù)指標(biāo)為(0.8±10%)MHz, (0.9±10%)MHz, (1±10%)MHz； 參照GB9706.205—2020《醫(yī)用電氣設(shè)備》中超聲治療設(shè)備專用安全要求的規(guī)定， 本設(shè)計(jì)的治療儀輸出聲強(qiáng)不能大于2 W/cm2， 綜合考慮， 本設(shè)計(jì)輸出4種超聲強(qiáng)度： 0.25 W/cm2, 0.5 W/cm2, 0.75 W/cm2, 1 W/cm2； 超聲治療時(shí)間為5 min～20 min， 步進(jìn)值為5 min.

1.2 結(jié)構(gòu)組成

本治療儀由主控模塊、 高頻信號(hào)生成模塊、 功放模塊、 超聲波換能器模塊、 附屬功能模塊和電源模塊組成. 附屬模塊包括空載保護(hù)、 人機(jī)交互和遠(yuǎn)程控制模塊. 組成框圖如圖 1 所示.

主控模塊負(fù)責(zé)接收各模塊的信息和對(duì)各模塊進(jìn)行控制； 高頻信號(hào)發(fā)生模塊用來(lái)產(chǎn)生高精度正弦激勵(lì)信號(hào)； 功放模塊的作用是對(duì)高頻激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行功率放大， 輸出滿足設(shè)計(jì)要求的超聲波； 空載保護(hù)模塊主要是確保治療儀使用過(guò)程中的安全性； 人機(jī)交互模塊可以用來(lái)顯示和調(diào)整當(dāng)前治療的參數(shù)； 遠(yuǎn)程控制模塊則是擴(kuò)展了治療儀的使用場(chǎng)景， 使本設(shè)備更加智能化； 電源模塊為系統(tǒng)各部的正常工作提供合適的電壓.

圖 1 帶狀皰疹治療儀組成框圖Fig.1 Block diagram of herpes zoster therapeutic instrument

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊

采用ST公司的STM32F103ZET6[9-10]作為主控芯片. 該芯片采用ARM V7架構(gòu)的 Cortex-M3 內(nèi)核， 處理性能強(qiáng)勁； 外設(shè)資源豐富且每個(gè)外設(shè)都有獨(dú)立的時(shí)鐘開(kāi)關(guān)， 可以實(shí)現(xiàn)功耗的極低控制； 支持STWD和JTAG調(diào)試口， 降低開(kāi)發(fā)成本； 通用I/O口有112個(gè)， 完全滿足本設(shè)計(jì)多外設(shè)的需要. STM32F103ZET6的最小系統(tǒng)包括單片機(jī)、 晶振電路、 復(fù)位電路等， 具體連接如圖 2 所示.

2.2 高頻信號(hào)發(fā)生模塊

正弦高頻激勵(lì)信號(hào)由DDS方式來(lái)產(chǎn)生， 芯片采用Analog Device公司生產(chǎn)的AD9833.

AD9833是一款能耗較低的芯片， 在外接電壓為3 V時(shí)， 其功耗僅為20 mW. 該芯片在25 MHz參考時(shí)鐘下， 生成信號(hào)的頻率精度為0.1 Hz； 在 1 MHz 參考時(shí)鐘下， 能夠達(dá)到 0.004 Hz 的精度[11]. 通過(guò)對(duì)AD9833的3個(gè)串行外設(shè)接口編程就可以輸出頻率和相位可調(diào)節(jié)的不同種類的波形信號(hào)(正弦、 方波和三角波).

基于AD9833芯片設(shè)計(jì)的高頻正弦波發(fā)生電路如圖 3 所示， 主要由AD9833芯片搭配外部晶振電路、 電阻電容電路以及利用對(duì)外提供的SPI通信接口， 通過(guò)軟件完成波形各項(xiàng)參數(shù)的調(diào)節(jié).

圖 3 AD9833高頻正弦波發(fā)生電路圖Fig.3 AD9833 high frequency sine wave generation circuit diagram

2.3 功放模塊

功放模塊由程控放大電路和功率放大電路兩部分組成. 先由程控放大電路將高頻激勵(lì)信號(hào)的幅度進(jìn)行精確放大， 再由功率放大電路在不改變輸出信號(hào)的電壓幅值的前提下， 進(jìn)一步提高信號(hào)的輸出功率， 以更好地驅(qū)動(dòng)超聲波換能器.

程控放大電路設(shè)計(jì)如圖 4 所示. 高頻正弦信號(hào)先經(jīng)過(guò)AD8051初級(jí)反相比例放大電路， 再經(jīng)過(guò)由ADG704和AD8051組成的程控反相比例放大電路.

圖 4 程控放大電路圖Fig.4 Program-controlled amplification circuit diagram

功率放大電路設(shè)計(jì)如圖 5 所示. 本設(shè)計(jì)使用OTL電路對(duì)高頻激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行功率放大， 在傳統(tǒng)的OTL電路上加入了對(duì)管設(shè)計(jì)， 確保對(duì)管輸出點(diǎn)位于電位中間位置從而達(dá)到功率的最佳放大.

圖 5 功率放大電路圖Fig.5 Power amplifier circuit diagram

2.4 遠(yuǎn)程控制模塊

目前， 設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)的方式主要有以太網(wǎng)、 WiFi、 4G、 手機(jī)熱點(diǎn)等. 結(jié)合成本以及實(shí)用性方面的考慮， 本文使用工作在2.4 GHz頻段的WiFi通信方式作為互聯(lián)網(wǎng)接入方式. 采用上海樂(lè)鑫公司生產(chǎn)的ESP32-WROOM-32D模組， 由該模組中的WiFi模塊與路由器完成連接， 通過(guò)串口與主控芯片STM32進(jìn)行通信， 完成設(shè)備的上云， 從而實(shí)現(xiàn)手機(jī)端APP遠(yuǎn)程控制設(shè)備的功能.

ESP32-WROOM-32D最小系統(tǒng)電路如圖 6 所示. 由于采用該模組的WiFi模塊， 所以不需要進(jìn)行復(fù)雜的射頻電路匹配等工作， 同時(shí)， 板載PCB天線使得硬件電路設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)便可靠.

圖 6 ESP32-WROOM-32D最小系統(tǒng)電路圖Fig.6 Circuit diagram of ESP32-WROOM-32D minimum system

2.5 電源模塊

本設(shè)計(jì)采用開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源與線性穩(wěn)壓電源混合方案. 由于220 V交流電轉(zhuǎn)換為12 V和 5 V 直流電壓時(shí)壓差較大， 因此選用開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源. 電路中主控芯片以及外圍器件一般工作電壓為3.3 V 左右， 結(jié)合這一特點(diǎn)采用線性穩(wěn)壓電源進(jìn)行供電.

圖 7 為基于AP0512N10電源模塊設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電路.

圖 7 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路圖Fig.7 Switching regulator circuit diagram

線性穩(wěn)壓電源采用AMS1117-3.3芯片. 基于并聯(lián)線性穩(wěn)壓芯片擴(kuò)展輸出電流思想設(shè)計(jì)的線性穩(wěn)壓電路如圖 8 所示.

圖 8 線性穩(wěn)壓電路圖Fig.8 Linear regulator circuit diagram

2.6 空載保護(hù)模塊

空載保護(hù)對(duì)于超聲波治療儀是不可缺少的， 當(dāng)設(shè)備發(fā)生空載時(shí)， 主控芯片就自動(dòng)切斷輸出， 同時(shí)通過(guò)聲光報(bào)警來(lái)提示用戶.

本設(shè)計(jì)將AD8051作為電壓跟隨器， 正弦信號(hào)通過(guò)AD8051后進(jìn)行分壓， 再輸入到AD8436進(jìn)行有效值轉(zhuǎn)換. 輸出的直流電壓輸入到主微控制器的A/D端口進(jìn)行采樣， 將采樣值與設(shè)定值進(jìn)行比較， 若超出設(shè)定值， 就判定發(fā)生空載. 空載保護(hù)電路如圖 9 所示.

圖 9 空載保護(hù)電路圖Fig.9 No-load protection circuit diagram

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)總流程如圖 10 所示.

圖 10 軟件總體流程圖Fig.10 Overall software flow chart

開(kāi)機(jī)后系統(tǒng)初始化運(yùn)行， 此時(shí)可以選擇是否將設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)通過(guò)手機(jī)移動(dòng)端APP設(shè)定治療參數(shù)進(jìn)行治療. 設(shè)備不進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)會(huì)按照默認(rèn)設(shè)定的參數(shù)值(治療頻率為1 MHz、 治療強(qiáng)度為1 W/cm2、 治療時(shí)間為10 min)來(lái)治療， 也可以通過(guò)人機(jī)交互界面來(lái)修改當(dāng)前的治療參數(shù)(頻率、 強(qiáng)度、 時(shí)長(zhǎng)等)后進(jìn)行治療. 在設(shè)備啟動(dòng)的同時(shí)， 系統(tǒng)會(huì)同步計(jì)時(shí). 當(dāng)治療時(shí)間達(dá)到設(shè)定值后， 設(shè)備會(huì)停止工作. 在治療過(guò)程中， 設(shè)備實(shí)時(shí)進(jìn)行采樣對(duì)比， 當(dāng)超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)， 系統(tǒng)判定發(fā)生空載， 設(shè)備報(bào)警并且停止工作.

3.2 配網(wǎng)及連接云服務(wù)器

本設(shè)計(jì)采用SmartConfig技術(shù)， 通過(guò)樂(lè)鑫公司開(kāi)發(fā)的ESP-Touch通信協(xié)議完成設(shè)備的配網(wǎng). 具體過(guò)程為： 通過(guò)ESP-Touch通信協(xié)議， 接入WiFi網(wǎng)絡(luò)的手機(jī)向AP發(fā)送一系列的UDP包. 其中每一包的Length字段按照ESP-Touch通信協(xié)議進(jìn)行編碼， Length字段包含有SSID和密碼， 隨后設(shè)備便可獲取并解析出所需信息， 并連接至路由器[12-13]. 基于ESP-Touch配網(wǎng)的具體設(shè)計(jì)流程如圖 11 所示.

圖 11 ESP-Touch配網(wǎng)流程圖Fig.11 ESP-Touch network configuration flowchart

本設(shè)計(jì)使用消息隊(duì)列遙測(cè)(Message Queuing Telemetry Transport， MQTT)通信協(xié)議完成設(shè)備和控制端APP與云服務(wù)器的數(shù)據(jù)接入. MQTT是由IBM發(fā)布的基于Publish/Subscribe(發(fā)布/訂閱)模式的即時(shí)通信協(xié)議[14]， 其基本原理圖如圖 12 所示. 在本設(shè)計(jì)中治療儀是消息的發(fā)布者也是訂閱者， 云服務(wù)器作為信息的代理， 移動(dòng)端APP通過(guò)云服務(wù)器完成與治療儀的信息交互.

圖 12 MQTT通信協(xié)議原理圖Fig.12 Schematic diagram of MQTT communication protocol

3.3 移動(dòng)端APP設(shè)計(jì)

移動(dòng)端APP的主要作用是顯示設(shè)備上報(bào)的數(shù)據(jù)以及向設(shè)備下發(fā)控制指令， 例如， 調(diào)節(jié)設(shè)備工作的時(shí)長(zhǎng)、 超聲波頻率和強(qiáng)度(聲功率)等， 若用戶輸入的參數(shù)超出本設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)， 會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的提示. 軟件基于AndroidStudio集成開(kāi)發(fā)工具在Java語(yǔ)言下進(jìn)行開(kāi)發(fā). App界面的設(shè)計(jì)通過(guò)XML語(yǔ)言來(lái)完成， 包括用戶登陸界面和監(jiān)控界面. 圖 13 為移動(dòng)端APP登陸成功界面圖.

圖 13 移動(dòng)端APP登陸成功界面圖Fig.13 Login page of mobile terminal APP

4 測(cè)試結(jié)果與分析

4.1 輸出頻率測(cè)試

超聲波治療儀的實(shí)物圖如圖 14 所示. 輸出頻率的精度會(huì)影響設(shè)備的整體性能， 因此， 需要對(duì)該性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試. 實(shí)驗(yàn)采用GFC-8010H型數(shù)字頻率計(jì)， 3種輸出頻率下的測(cè)試結(jié)果如表 1 所示.

圖 14 超聲波治療儀Fig.14 The ultrasonic therapeutic apparatus

由表 1 可知： 在0.8 MHz輸出時(shí)， 最大偏差為0.750%； 0.9 MHz輸出時(shí)， 最大偏差為0.778%； 1 MHz輸出時(shí)， 最大偏差為0.900%. 在3種頻率狀態(tài)下， 0.8 MHz的輸出頻率精度最高， 1 MHz的輸出頻率精度比0.9 MHz的略低. 不同頻率的輸出頻率精度與測(cè)試儀器的性能也有一定的關(guān)系. 本設(shè)計(jì)輸出頻率的技術(shù)指標(biāo)為： (0.8±10%)MHz, (0.9±10%)MHz, (1±10%)MHz. 測(cè)試結(jié)果表明， 本治療儀輸出頻率的精度較高， 達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求.

表 1 輸出頻率精度測(cè)試Tab.1 Output frequency accuracy test

4.2 輸出功率測(cè)試

超聲波換能器輸出功率的測(cè)試可以直接使用功率測(cè)試計(jì)測(cè)量， 也可以通過(guò)功放模塊所提供的功率與換能器的輸出功率之間存在的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算. 由于實(shí)驗(yàn)室條件和操作的復(fù)雜性， 不便對(duì)輸出功率直接進(jìn)行測(cè)試， 因此， 利用與換能器的轉(zhuǎn)換效率間的線性關(guān)系， 定量分析本治療儀的輸出功率性能. 在輸出頻率為1 MHz狀態(tài)下， 測(cè)試結(jié)果如表 2 所示.

表 2 輸出功率測(cè)試Tab.2 Output power test

由表 2 可知： 功放模塊的實(shí)際輸出功率(電功率)隨著超聲強(qiáng)度(聲功率)的增大而增大， 且與理論值的差值在誤差允許的范圍內(nèi). 驗(yàn)證了程控放大電路中ADG704實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同輸出強(qiáng)度的精確控制， 說(shuō)明本設(shè)備具有良好的功率輸出性能.

4.3 遠(yuǎn)程控制性能測(cè)試

延遲時(shí)間是指移動(dòng)端APP發(fā)出控制指令到設(shè)備做出響應(yīng)的時(shí)間間隔， 它是遠(yuǎn)程控制性能的重要技術(shù)指標(biāo)， 其測(cè)試結(jié)果如表 3 所示.

由表 3 可知： 平均延遲時(shí)間為398.2 ms， 延遲水平在秒級(jí)以內(nèi)， 能夠?qū)崿F(xiàn)用戶在實(shí)際使用過(guò)程中對(duì)遠(yuǎn)程控制功能的良好體驗(yàn).

表 3 延遲時(shí)間測(cè)試Tab.3 Delay time test

5 結(jié) 論

本文針對(duì)目前臨床治療帶狀皰疹存在的問(wèn)題， 將超聲波作為帶狀皰疹的治療方式， 設(shè)計(jì)出一種帶狀皰疹超聲波治療儀. 由測(cè)試結(jié)果可知， 本治療儀的輸出頻率及功率精度高， 達(dá)到設(shè)計(jì)的要求. 在滿足基本治療功能的前提下， 實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)端APP對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制， 提升了治療儀向智能化的程度.