冉鵬，羅楊，李章勇，王偉

（重慶郵電大學(xué)生物信息學(xué)院，重慶40065）

引言

但是一些超聲波治療儀在使用過程中任然存在一些缺點(diǎn)，例如會出現(xiàn)諧振頻率不穩(wěn)定，甚至因頻漂而停止工作的現(xiàn)象，由于這種種原因使得治療儀的使用壽命大大降低了。另外，由于不同人其體質(zhì)、病因及耐受力皆有所不同，因此所用的超聲波劑量，即聲強(qiáng)和使用時間不同，但大部分治療儀其功率是不可調(diào)的，限定了治療儀使用范圍[2]。且由于在心跳動時，人體細(xì)胞比較活躍，細(xì)胞間相對有很強(qiáng)烈的能量交換，而此時正是超聲治療的最佳時刻[3～5]。本文就是基于此設(shè)計的一種由患者自身生理來自動控制和調(diào)節(jié)超聲功率的理療系統(tǒng)，它可以實(shí)現(xiàn)諧振頻率穩(wěn)定和功率可控。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)輸出的超聲脈沖與人體心跳同步，且超聲剌激與人體的生理節(jié)律相一致的目的，并實(shí)現(xiàn)能夠?qū)Τ暲懑煹妮敵隽?、治療方式及時間進(jìn)行精確可靠的控制，設(shè)計的系統(tǒng)如圖1所示，共有以下幾個模塊。

圖1系統(tǒng)原理框圖Fig.1The system principle diagram

信號采集部分包括血壓和脈搏信號采集兩個模塊。血壓信號采集一般有兩種測量方式，無創(chuàng)血壓測量以及有創(chuàng)血壓測量[6]。在這里，我們采用可以連續(xù)24小時監(jiān)測血壓的手表式血壓計。在采集到電壓信號后，通過藍(lán)牙把高、低血壓值輸送給單片機(jī)，單片機(jī)計算出其均值，并將其均值作為控制超聲功率輸出的參數(shù)。脈搏通常是用脈搏傳感器來采集的，在本系統(tǒng)中，我們選擇利用紅外脈搏傳感器來采集，其工作原理是利用特定波長紅外線對血管末端血液微循環(huán)產(chǎn)生的血液容積的變化的敏感特性，檢測由于心臟的跳動所引起的指尖的血液變化，再經(jīng)過對信號進(jìn)行放大、調(diào)整等方面的電路處理，輸出同步于脈搏跳動的脈沖信號，從而計算出脈率，以及輸出反映指尖血容積變化的完整的脈搏波電壓信號。最后，通過藍(lán)牙將采集到的脈搏信號傳送到單片機(jī)進(jìn)行處理。本系統(tǒng)利用人體的血壓信號作為控制超聲輸出功率的參數(shù)，并能夠根據(jù)人體自身的身理狀況來調(diào)整超聲波的輸出功率，基于這些優(yōu)點(diǎn)，超聲治療地應(yīng)用范圍變得更加廣闊，其治療效果也越為顯著。

在本系統(tǒng)中的設(shè)計中，反饋是通過功率進(jìn)行的。單片機(jī)通過藍(lán)牙接收端獲得患者高低血壓的平均值BP（單位為mmHg），并根據(jù)超聲換能器的功率轉(zhuǎn)換率α計算超聲輸出功率Pi（單位為W）：

式（1）中：Q代表每次心跳的血流量，N代表一分鐘內(nèi)的脈搏跳動次數(shù)；K為調(diào)整的功率系數(shù)，由于不同人的體質(zhì)不一樣，同一人的不同患病部位承受的聲強(qiáng)也不一樣，不僅通過人的自身血壓控制聲強(qiáng)，也可以通過系數(shù)K人為實(shí)現(xiàn)對不同患病部位所需聲強(qiáng)大小的控制。Q和K都通過鍵盤直接輸入。

可以利用高頻功率發(fā)生器模塊來設(shè)定治療的時間和功率，并通過單片機(jī)對其實(shí)施控制。通過驅(qū)動電路推動功率放大管工作，提高它的輸出功率與效率，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中的超聲換能器的寬帶阻抗匹配的實(shí)現(xiàn)則是通過采用傳輸線變壓器完成的。反饋回路即頻率監(jiān)控模塊，用于對頻率實(shí)時監(jiān)控，通過電壓、電流采樣和相位檢測電路，將采樣得到發(fā)射器輸出端電壓和電流信號并送到相位檢測電路，如果電壓和電流是同相的，則說明脈寬信號的占空比占50%，若不同相，脈寬信號的占空比小于50%，根據(jù)A信號的占空比大小，把檢測結(jié)果傳到單片機(jī)，單片機(jī)通過模糊運(yùn)算產(chǎn)生發(fā)射頻率增減量,最后通過SPI（Serial Peripheral Interface）接口將數(shù)字頻率信號寫入 DDS（Direct Digital Synthesizer）數(shù)控頻率源模塊的頻率寄存器，對頻率進(jìn)行實(shí)時的高精度控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 模塊組成

本系統(tǒng)所設(shè)計的裝置主要包括一以下六大模塊：系統(tǒng)控制模塊、DDS數(shù)控頻率源模塊、脈搏血壓采集和處理模塊、閥門模塊、高頻功率發(fā)生器模塊、超聲換能器和頻率監(jiān)控模塊，如圖2所示。

③工程類別各異。入海水道工程類別多，特點(diǎn)各異，主要包括:河道工程、樞紐控制工程、穿堤建筑物、橋梁工程、渠北排灌處理工程、調(diào)度河、堆土區(qū)以及水文、通信、照明、觀測等工程設(shè)施。

圖2系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖Fig.2The structure of the system diagram

系統(tǒng)控制模塊的作用是控制和調(diào)節(jié)其他各個模塊，并存儲實(shí)時信息；DDS 數(shù)控頻率源模塊用于產(chǎn)生超聲頻方波信號；脈搏血壓采集和處理模塊，測量人體的高低血壓并將其均值作為控制超聲輸出功率的參數(shù)；再采集脈搏信號，并對該脈搏信號進(jìn)行處理后產(chǎn)生與脈搏同步的TTL（Bipolar Junction Transistor）電平的控制信號；閥門模塊，用于實(shí)現(xiàn)控制信號觸發(fā)超聲頻方波信號并輸入到高頻功率發(fā)生器模塊中；高頻功率發(fā)生器模塊，是將超聲頻方波信號轉(zhuǎn)換成可以與超聲換能器相匹配的高頻交流電信號；超聲換能器，將高頻功率發(fā)生器模塊輸出的電能轉(zhuǎn)換成聲能，并作用于患者病發(fā)處[7]；頻率監(jiān)控模塊用于檢測高頻交流電信號的頻率是否諧振在超聲換能器的工作頻率上，并將檢測信息反饋到系統(tǒng)控制模塊；保護(hù)電路模塊包括兩種電路，溫度檢測電路和報警電路，其中溫度檢測電路用于檢測超聲換能器的溫度。

2.2 功率監(jiān)控模塊

利用高頻功率發(fā)生器模塊，可設(shè)定治療的時間和功率，并通過單片機(jī)對其實(shí)施控制。通過驅(qū)動電路推動功率放大管工作，提高它的輸出功率與效率，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中的超聲換能器的寬帶阻抗匹配的實(shí)現(xiàn)則是通過采用傳輸線變壓器完成的。反饋回路即頻率監(jiān)控模塊，用于對頻率實(shí)時監(jiān)控。如圖3所示。

圖3頻率反饋控制框圖Fig.3Frequency feedback control block diagram

頻率監(jiān)控模塊包括電壓采樣電路、電流采樣電路和相位檢測電路，將采樣得到高頻功率發(fā)生器模塊輸出端電壓和電流信號并送到相位檢測電路，然后把檢測結(jié)果傳送到單片機(jī)，單片機(jī)通過模糊運(yùn)算產(chǎn)生發(fā)射器頻率增量，最后通過SPI 接口將數(shù)字頻率信號寫入 DDS數(shù)控頻率源模塊的頻率寄存器，對頻率進(jìn)行實(shí)時的高精度控制[7]。

2.3 DDS 數(shù)控頻率源模塊

DDS數(shù)控頻率源模塊是由相位累加器、正弦查找表、DA（Digital to Analog）轉(zhuǎn)換器、以及低通濾波器等組成的[8]。對于每來一個時鐘脈沖來說，N位加法器將頻率控制字K與N位累加寄存器所輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，并把相加后的結(jié)果傳送到累加寄存器的輸入端。累加寄存器一方面將在上一時鐘周期作用下所產(chǎn)生的新的相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端，是的加法器在下一時鐘周期繼續(xù)與頻率控制字K相加；另一方面將這個值送入幅度/相位轉(zhuǎn)換電路，它可以作為取樣地址使用，幅度/相位轉(zhuǎn)換電路則可以根據(jù)這個地址輸出相對應(yīng)的波形數(shù)據(jù)。最后經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器和低通濾波器將波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成所需要的模擬波形。

在K為1的情況下，相位需要滿足如下式所示的關(guān)系

公式5滿足Nyquist采樣定理，fr>2f0。

在時鐘頻率給定后，頻率控制字決定了輸出信號的頻率的大小，累加器位數(shù)決定了頻率分辨率的大小，ROM的地址線位數(shù)決定了相位分辨率的大小，而ROM的數(shù)據(jù)位字長和D/A轉(zhuǎn)換器位數(shù)則決定了幅度量化噪聲。

3 系統(tǒng)性能評估

3.1 脈搏采集

在本系統(tǒng)中，脈搏采集模塊是數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)，它主要用于為智能控制提供參數(shù)以便用于判斷的。它包括血壓計、脈搏傳感器、放大器、濾波器、數(shù)字處理器和藍(lán)牙輸出端。血壓計測量出人體的高低血壓值，脈搏傳感器獲取人體的脈搏信息并經(jīng)放大、濾波和數(shù)字處理后成為與脈搏同步的控制信號。正常人的脈搏頻率約為每分鐘 60～100次， 而心律不齊的人其脈搏頻率則有明顯變化，主要有三種表現(xiàn)，心律過快、過緩或時快時慢。 由此，以1分鐘為總采集時間，以60～100為限定閥值，觀察其檢測結(jié)果便可了判定是否心律不齊，并且可保存數(shù)據(jù)為txt格式[9,10]。

脈搏波由升支和降支組成，圖形表現(xiàn)為三峰波。升支和降支組成主波，上面的切跡為降中峽，主波和降中峽之間出現(xiàn)的重搏前波為潮波，緊鄰降中峽出現(xiàn)的重搏波為降中波，脈搏波圖主要就是由這幾個波和峽構(gòu)成。

利用脈搏采集設(shè)備獲取脈搏信號，之后對其進(jìn)行濾波處理、放大處理和 A/D 轉(zhuǎn)換，完成后就成為便于客觀化分析的脈搏信號。但此時我們首先需要對其進(jìn)行預(yù)處理，因為人體是在不斷的呼吸和移動過程中的，在此過程中存在基線漂移，同時由于電磁干擾還存在偽峰和高頻噪聲。圖4是從受試者身上得到的脈搏波信號。

沒有處理過的脈搏波信號還有強(qiáng)烈的干擾，脈搏信號中的主要干擾包括以下幾點(diǎn)：信號采集過程中產(chǎn)生的高頻噪聲、偽峰、基線漂移等。所以需要處理還原信號，基于以上幾點(diǎn)，在這里，我們采用的是小波變換濾波法。因為小波變換的時頻分析特性較好，而且處理非平穩(wěn)隨機(jī)信號的能力也較強(qiáng)。信號還原之后，再對其進(jìn)行歸一化處理，圖5所示就是脈搏信號經(jīng)過處理之后的波形。

3.2 調(diào)制脈搏波

首先，我們用選擇一個載波信號，因為正弦波是頻率成分最為單一，而其他任何復(fù)雜的信號都可以分解成多個不同頻率、不同大小的正弦波，也就是說可以看成是有多個正弦波復(fù)合得到的，所以我們在這里選擇正弦波作為載波信號，并令它為f(t)。

再運(yùn)用算法把載波信號調(diào)制到處理后的脈搏波信號上，設(shè)調(diào)制后的波形為F(t)，脈搏波為m(t)，調(diào)制方法如式（6）：

經(jīng)過一系列的處理后。最終可以得到調(diào)制后的脈搏波信號，波形如圖6所示。

通過該調(diào)制，一方面控制輸出幅值在強(qiáng)度適中的范圍內(nèi)，另一方面通過頻率選取使超聲發(fā)射探頭處于諧振頻率點(diǎn)上，讓輸出信號更加穩(wěn)定。而采用該信號對超聲功率進(jìn)行實(shí)時調(diào)節(jié)，能充分契合人體心血管搏動節(jié)律，在血流量增大的時刻同步加大輸出功能，促進(jìn)新陳代謝。

4 總結(jié)

通過對結(jié)果的驗證，該系統(tǒng)能夠通過脈搏波的實(shí)時采集，并脈搏調(diào)制信號觸發(fā)超聲波發(fā)射，實(shí)現(xiàn)超聲聲學(xué)效應(yīng)與人體心血管系統(tǒng)共振，使超聲剌激與人體的生理節(jié)律相一致，增加超聲波的治療效益，也能使患者在康復(fù)過程中更加舒適。

該系統(tǒng)可精確控制超聲波治療儀的輸出量、治療方式及時間進(jìn)行，使之更加智能化、小型化，在臨床治療中也更加安全、有效，同時達(dá)到更佳的治療效果，基于這一思路的相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用還有較大的擴(kuò)展空間和應(yīng)用前景。

圖4原始脈搏波波形Fig.4The original pulse waveform

圖5濾波后的脈搏波波形Fig.5Pulse waveform after fi lterin

圖6調(diào)制后的脈搏波波形Fig.6Pulse wave after modulated

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