柯常青

鄖西縣人民醫(yī)院，湖北 十堰 442600

小型低頻超聲治療儀的設(shè)計(jì)

柯常青

鄖西縣人民醫(yī)院，湖北 十堰 442600

目的 本課題設(shè)計(jì)的低頻超聲治療儀主要是用于對(duì)軟骨損傷的治療。利用超聲波的機(jī)械效應(yīng)、熱效應(yīng)、理化效應(yīng)等生物物理特性促進(jìn)骨蛋白多糖和Ⅱ型膠原的合成從而加速軟骨損傷的愈合。方法主要技術(shù)路線(xiàn)為：先用一個(gè)12 V變壓器將220V的交流電變成12 V的交流電，再用全波橋式整流電路、濾波電路及穩(wěn)壓電路把12 V交流電變成穩(wěn)定的12 V的直流電，然后由振蕩電路產(chǎn)生0.8 MHz、1 MHz、1.2 MHz這三種頻率，最后經(jīng)過(guò)一個(gè)0.8 MHz到1.2 MHz的帶通濾波電路輸出給換能器。結(jié)果根據(jù)以上原理，本課題設(shè)計(jì)出一個(gè)有0.8 MHz、1 MHz、1.2 MHz三種頻率可以選擇，并有0～60min的定時(shí)范圍的小型低頻超聲治療儀。

低頻超聲波；超聲治療儀；骨折；關(guān)節(jié)軟骨

1 研究?jī)?nèi)容和意義

由于超聲波特殊的物理特性，可以通過(guò)與人體的各種組織相互作用產(chǎn)生一定的生理效應(yīng)。但是高強(qiáng)度的超聲會(huì)破碎細(xì)胞，使酶失活，而低強(qiáng)度的超聲在組織中穿透力強(qiáng)，相同聲壓下進(jìn)入組織更深，可以促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)，增加酶活性[1]。低頻超聲治療骨關(guān)節(jié)炎可明顯減輕關(guān)節(jié)局部的癥狀，緩解關(guān)節(jié)腫脹，增加關(guān)節(jié)的活動(dòng)度，減輕關(guān)節(jié)炎癥，療效優(yōu)于單用口服藥物和單純低頻超聲治療，二者可能有協(xié)同作用[2]。

超聲波治療具有方向性強(qiáng)，能量集中，穿透力強(qiáng)的三大特點(diǎn)，所運(yùn)用的聲波能量是純粹的機(jī)械波，絕無(wú)任何輻射。本文按照超聲波產(chǎn)生的原理，利用較簡(jiǎn)單的元件，以較低的成本設(shè)計(jì)出一個(gè)有0.8 MHz、1 MHz、1.2 MHz三種頻率可以選擇，并有0～60min的定時(shí)范圍的小型低頻脈沖超聲治療儀。

本設(shè)計(jì)利用超聲波的機(jī)械效應(yīng)、熱效應(yīng)、理化效應(yīng)等生物物理特性，可促進(jìn)受傷關(guān)節(jié)軟骨的愈合，為臨床上治療關(guān)節(jié)軟骨損傷提供有效的治療方法[3-5]。

2 系統(tǒng)功能電路設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)總思路

本次設(shè)計(jì)的思路為：先用一個(gè)12 V變壓器將220V的交流電變成12 V的交流電，再用全橋式整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路進(jìn)行整流、濾波、穩(wěn)壓，把12 V交流電變成穩(wěn)定的12 V的直流電。然后用振蕩電路產(chǎn)生0.8 MHz、1 MHz、1.2 MHz這三種頻率，然后經(jīng)過(guò)一個(gè)800K～1200K的帶通濾波電路輸出給換能器。此外，還有電源開(kāi)關(guān)、保險(xiǎn)絲、定時(shí)器、塑料外殼等組成整體[6]。根據(jù)以上原理來(lái)設(shè)計(jì)出一個(gè)有0.8 MHz、1 MHz、1.2 MHz三種頻率可以選擇并有0～60min的定時(shí)范圍的小型低頻超聲治療儀。

2.2 各個(gè)功能模塊

2.2.1 電源模塊

直流電源由電源變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓電路四部分組成，如圖1。

圖1 直流電源的組成部分

2.2.1.1 單相橋式整流電路

單相橋式整流電路的組成，如圖2所示。負(fù)載上和整流二極管上的電壓和電流分析。負(fù)載電壓，負(fù)載電流，極管的平均電流，二極管承受反向峰值電壓V，優(yōu)點(diǎn)：輸出電壓高，紋波小，VRM較低，應(yīng)用廣泛。

圖2 單相橋式整流電路的組成

2.2.1.2 LC濾波電路

LC濾波又稱(chēng)為倒L型濾波，它由一只電容和一只電感組成。它比單個(gè)的L，C濾波效果更好，但在LC濾波電路中，如果電感L值太小，或負(fù)載電阻RL太大，都將呈現(xiàn)妯電容濾波的特性，反之則將呈現(xiàn)電感濾波的特性。

2.2.1.3 三端集成穩(wěn)壓器穩(wěn)壓電路

三端集成穩(wěn)壓器穩(wěn)壓電路如圖3所示。因?yàn)槿思煞€(wěn)壓器電路內(nèi)部實(shí)際上包括了串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路的各個(gè)部分，另外還加上了保護(hù)電路和啟動(dòng)電路，所以選用了較常用的W7800系列穩(wěn)壓器?？紤]到在濾波電路中要用到±5 V、在振蕩電路中要用到+12 V，所以本設(shè)計(jì)分別用了W7805、W7905和W7812來(lái)產(chǎn)生±5 V和12 V的直流電。

圖3 三端集成穩(wěn)壓器穩(wěn)壓電路

2.2.2 選擇器

圖4為頻率選擇開(kāi)關(guān)。此選擇器有三個(gè)檔，分別對(duì)應(yīng)0.8 MHz、1 MHz、1.2 MHz三個(gè)頻率。

圖4 頻率選擇開(kāi)關(guān)

2.2.3 振蕩電路

振蕩電路是自動(dòng)地將直流能量轉(zhuǎn)換為具有一定波形參數(shù)的交流信號(hào)的裝置。它也是一種能量轉(zhuǎn)換器，但它與放大電路的區(qū)別是不需要外加信號(hào)的激勵(lì)，其輸出信號(hào)的頻率、幅度和波形僅僅由電路本身的參數(shù)決定[7-8]。

采用LC諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)的振蕩電路稱(chēng)為L(zhǎng)C振蕩電路，如圖5所示。它主要用來(lái)產(chǎn)生高頻正弦振蕩信號(hào)，一般在1 MHz以上。根據(jù)反饋形式的不同，LC振蕩電路可分為變壓器反饋式和三點(diǎn)式振蕩電路[9]。

圖5 LC振蕩電路

2.2.4 濾波電路

因?yàn)檫@里的設(shè)計(jì)對(duì)濾波的要求不高，所以本設(shè)計(jì)采用了較簡(jiǎn)單的一階高通濾波電路和一階低通濾波電路[10]?？紤]到理論值與實(shí)際值的誤差，所以本設(shè)計(jì)允許通過(guò)700K果～如1 .3表 M1的所頻示率：。根據(jù)截止頻率的計(jì)算公式，結(jié)

表1 濾波電路頻率計(jì)算

2.2.4.1 一階有源低通濾波器(LPF)

一階低通濾波器的電路如圖6（a）所示，其幅頻特性見(jiàn)圖6（b），圖中虛線(xiàn)為理想的情況，實(shí)線(xiàn)為實(shí)際的情況。特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，阻帶衰減太慢，選擇性較差[11-12]。

圖6（a） 一階有源LPF 的電路圖

圖6（b） 一階有源LPF電路的幅頻特性曲線(xiàn)

此次設(shè)計(jì)的一階低通濾波電路，如圖7所示。

圖7 1300kHz一階低通濾波電路

2.2.4.2 一階高通濾波器

所謂高通濾波器（HPS：high pass filter）是允許高頻信號(hào)通過(guò)，而不允許低頻信號(hào)通過(guò)的濾波器。此次設(shè)計(jì)的一階高通濾波電路，如圖8所示。

圖8 700kHz一階高通濾波電路

2.3 系統(tǒng)總電路

綜合以上電源模塊、振蕩電路模塊及濾波電路模塊的電路結(jié)構(gòu)，對(duì)所有模塊進(jìn)行整合并由prptues軟件設(shè)計(jì)仿真得到了系統(tǒng)總電路原理圖，如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)電路原理圖

3 總結(jié)與體會(huì)

此次設(shè)計(jì)的小型超聲治療儀只有0.8 MHz、1 MHz、1.2 MHz三種頻率可以選擇，且在硬件調(diào)試的過(guò)程因沒(méi)有理想的電容、電阻，帶來(lái)了一系列誤差從而導(dǎo)致成品沒(méi)有設(shè)計(jì)中的精確，并且沒(méi)有完成定時(shí)器定時(shí)以及芯片的智能化控制。未來(lái)可以通過(guò)添加控制模塊、屏幕顯示、集成芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的定時(shí)功能。

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勘誤聲明

本刊13年12期第115～116頁(yè)臨床工程欄目“可滑動(dòng)式分指板的研制”一文通訊作者為：沈紅衛(wèi)，神經(jīng)內(nèi)科主治醫(yī)師。

Design of Small Low-Frequency Ultrasound Therapeutic Device

KE Chang-qing
Yunxi County People’s Hospital, Shiyan Hubei 442600, China

Objective This paper introduces the design of small low-frequency ultrasound therapeutic device, which is used for the treatment of cartilage damage. Based on the mechanical effects, thermal effects, physical and chemical effects of ultrasonics, this device can promote the synthesis of bone proteoglycans and collagen Ⅱ to accelerate the healing of cartilage damage.MethodsFirstly, converted 220VAC to 12 VAC by using a 12 V transformer, then converted 12 VAC to 12VDC by using full-wave bridge rectif i er circuit, fi lter circuit and regulator circuit.0.8 MHz, 1 MHz, 1.2 MHz oscillation circuits were generated and transferred to a transducer by a0.8 MHz～1.2 MHz band-pass fi lter.ResultsA kind of small low-frequency ultrasound therapeutic device, which has0.8 MHz, 1 MHz, 1.2 MHz frequencies and regular range of0～ 60min, was designed.

low-frequency ultrasound; ultrasound therapeutic device; fracture; articular cartilage

R197.39；TH789

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.01.044

1674-1633(2014)01-0126-03

2013-10-12

作者郵箱：32659146@qq.com