程繼旺

(天津市中醫(yī)藥研究院 附屬醫(yī)院，天津 300120)

基于dsPIC30的超短波理療儀檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

程繼旺

(天津市中醫(yī)藥研究院 附屬醫(yī)院，天津 300120)

摘要針對超短波理療儀存在系統(tǒng)分辨率與精度較低的問題，文中分析了超短波理療儀的技術(shù)架構(gòu)與其檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，構(gòu)建基于dsPIC30F6010數(shù)字信號控制器和AD7176模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的超短波理療儀檢測系統(tǒng)。并分析其軟件算法流程，經(jīng)過系統(tǒng)對實(shí)際信號進(jìn)行的檢測處理，對比處理前后的信號結(jié)果，可降低其信噪比，且大幅提高了其精度和分辨率。

關(guān)鍵詞超短波理療儀；檢測系統(tǒng)；軟件流程；分辨率

在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)臨床治療中，如何在提高治療效果的同時減輕患者痛苦已成為醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域的熱門課題。作為一種較為傳統(tǒng)的治療儀器，超短波理療儀是建立在電子管振蕩產(chǎn)生超短波高頻電場的工作原理基礎(chǔ)之上治療儀器設(shè)備[1]。

超短波理療法是將患者放置于超短波理療儀各個電極之間，通過向電極施加高頻電場，利用電容電極輸出能量，促使患者病變部位內(nèi)部分子和離子受到高頻電場作用之后，在其平行位置發(fā)生諧振，相互摩擦從而產(chǎn)生熱效應(yīng)。利用這種熱效應(yīng)，能促使患者受傷部位的表層與深層組織均勻受熱，增強(qiáng)血管通透性，改善組織內(nèi)部血液系統(tǒng)微循環(huán)，調(diào)節(jié)患者內(nèi)分泌系統(tǒng)功能，增強(qiáng)組織機(jī)體的新陳代謝，降低感覺神經(jīng)的疼痛興奮性，進(jìn)而起到抑菌、消炎、止痛、解痙的作用，能夠大幅度促進(jìn)內(nèi)部血液的循環(huán)與受傷組織的修復(fù)，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)機(jī)體免疫力的治療目的。當(dāng)前，超短波理療儀在現(xiàn)代醫(yī)療領(lǐng)域中的作用較為重要[2]。

在超短波理療儀被廣泛應(yīng)用的同時，也存在著頻響性能、調(diào)諧電路穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提高的問題，解決此類問題的關(guān)鍵在于提高超短波理療儀檢測系統(tǒng)的系統(tǒng)分辨率、檢測精度和檢測穩(wěn)定性[3]。針對當(dāng)前醫(yī)療領(lǐng)域中使用的超短波理療儀存在的問題，設(shè)計(jì)了以dsPIC30為控制核心的超短波理療儀檢測系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)高分辨率、高精度和高穩(wěn)定性的檢測功能。

1超短波理療儀系統(tǒng)構(gòu)成

在現(xiàn)代物理學(xué)中，超短波電流通常指的是波長為1～10 m，工作頻率為30～300 MHz的射頻電流，而在西方國家的相關(guān)領(lǐng)域中，由于短波和超短波并未進(jìn)行確切的劃分，所以均通稱為短波或射頻。在進(jìn)行超短波理療時，人體內(nèi)部離子和帶電膠體顆粒在超短波的作用下，感應(yīng)出的位移電流和傳導(dǎo)電流在人體內(nèi)部產(chǎn)生不同程度的生物學(xué)效應(yīng)和熱效應(yīng)。生物學(xué)效應(yīng)發(fā)生在較低強(qiáng)度的超短波理療過程中，在這種理療情況下，人體內(nèi)部組織并未產(chǎn)生明顯的溫度提升，而是發(fā)生較強(qiáng)的生物學(xué)效應(yīng)。熱效應(yīng)則是指在進(jìn)行超短波理療時，發(fā)生人體內(nèi)部組織發(fā)熱，并進(jìn)而逐漸產(chǎn)生整體發(fā)熱的狀況。在進(jìn)行低強(qiáng)度超短波理療時，生物學(xué)效應(yīng)較熱效應(yīng)更明顯，而隨著超短波理療強(qiáng)度的增加，熱效應(yīng)效果明顯高于生物學(xué)效應(yīng)[4]。

圖1　超短波理療儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，超短波理療儀系統(tǒng)由超短波信號處理與控制器、超短波理療儀檢測系統(tǒng)、超短波強(qiáng)度控制模塊、供電系統(tǒng)采樣模塊、調(diào)壓控制模塊和外部接口輸入輸出模塊等6部分組成。其中，超短波信號處理與控制器是超短波理療儀系統(tǒng)的核心，主要對采集到的信號進(jìn)行分析、處理，根據(jù)處理結(jié)果設(shè)計(jì)超短波控制策略，并采取相應(yīng)控制措施。超短波理療儀檢測系統(tǒng)對超短波信號進(jìn)行隔離采樣、檢波處理、實(shí)時采樣、帶通濾波等。超短波強(qiáng)度控制模塊是根據(jù)超短波信號處理與控制器發(fā)出的控制命令對超短波強(qiáng)度進(jìn)行相應(yīng)的控制操作，保證超短波強(qiáng)度穩(wěn)定在要求的范圍之內(nèi)[5]。

由于超短波受供電電壓的幅值和頻率影響較大，故超短波理療儀對電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求較高，設(shè)計(jì)供電系統(tǒng)采樣模塊，對供電系統(tǒng)的電壓、電流進(jìn)行實(shí)時采樣，將采樣結(jié)果送到超短波信號處理與控制器，其對采集的供電系統(tǒng)的電壓、電流進(jìn)行分析處理，通過調(diào)壓控制模塊進(jìn)行反饋控制，使得供電系統(tǒng)能提供穩(wěn)定電源電壓和電流。外部接口輸入輸出模塊主要指的是顯示屏、鍵盤、鼠標(biāo)等，既可以顯示超短波理療儀的實(shí)時狀況，也可對超短波理療儀進(jìn)行外部接口控制和人為操作。

2超短波理療儀檢測系統(tǒng)

在超短波理療儀系統(tǒng)中，檢測系統(tǒng)是其中的關(guān)鍵，此部分對超短波運(yùn)行狀況進(jìn)行檢測，是超短波理療中患者身體狀況的信號來源。超短波理療儀檢測系統(tǒng)是由DSC信號處理、A/D采集、檢波電路、隔離采樣環(huán)節(jié)、模式選擇與頻段設(shè)置模塊、信號調(diào)頻模塊等部分組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2　超短波理療儀檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

DSC信號處理是超短波理療儀檢測系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，負(fù)責(zé)對A/D采集到的超短波信號進(jìn)行分析，運(yùn)用成熟算法對其進(jìn)行解算，并采取信號調(diào)頻處理，重新對超短波運(yùn)行模式進(jìn)行選擇和對其頻段進(jìn)行重新設(shè)定[6]。A/D采集模塊是將經(jīng)過檢波電路得到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，向DSC信號處理與控制器提供超短波數(shù)字信號的重要環(huán)節(jié)。A/D采集模塊使用高精度、高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7176作為模塊核心，通過高集成交叉點(diǎn)多路復(fù)用器，構(gòu)造高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，為下一步的信號處理與控制提供信號來源。檢波電路部分對產(chǎn)生的超短波模擬信號進(jìn)行檢波分析，從復(fù)雜傳感輸出系統(tǒng)中檢測到正確反映超短波特性的模擬信號，最終輸入A/D采集環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進(jìn)行處理。隔離采樣環(huán)節(jié)是對超短波信號進(jìn)行信號隔離，防止非超短波信號的采集。模式選擇與頻段設(shè)置是對理療過程中需要的超短波模式和頻段進(jìn)行細(xì)化設(shè)定，滿足患者治療所需的超短波頻段[7]。信號調(diào)頻環(huán)節(jié)是通過DSC信號處理分析之后，對未穩(wěn)定的超短波模式和頻段進(jìn)行反饋調(diào)頻處理，運(yùn)用成熟的PID控制算法，經(jīng)過信號調(diào)頻處理后，使超短波模式和頻段保持在所需的狀態(tài)之下。

3超短波理療儀檢測系統(tǒng)主要電路設(shè)計(jì)

A/D采集部分是信號處理的數(shù)據(jù)來源，在檢測系統(tǒng)中較為重要，現(xiàn)在生產(chǎn)高精度A/D數(shù)字芯片的廠家眾多。其中，ADI公司是業(yè)界認(rèn)可的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和信號處理技術(shù)全球領(lǐng)先的供應(yīng)商。作為領(lǐng)先業(yè)界40多年的高性能模擬集成電路(IC)制造商，ADI的產(chǎn)品用于模擬信號和數(shù)字信號處理領(lǐng)域。ADI公司研制的24位A/D芯片AD7176為具有高速、高分辨率、高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，適用于處理較低帶寬的采集信號。采用交叉N通道復(fù)用器，能將輸入信號的處理設(shè)置為兩個全差分輸入的形式，采用高集成度數(shù)字集成電路工藝，較好的降低了外圍電路的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

圖3　A/D采集模塊電路圖

檢測系統(tǒng)的A/D采集模塊電路結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示。其中，AVDD1是采集模塊的前部電路的供電源，也為交叉N通道復(fù)用器進(jìn)行供電。AVDD2則是芯片中1.8 V低壓差線性穩(wěn)壓器的供電源，為芯片內(nèi)部核心部分供電。IOVDD是芯片內(nèi)部數(shù)字邏輯部分的供電源。同時，芯片內(nèi)部也集成了2.5 V基準(zhǔn)電壓源，能通過設(shè)置相應(yīng)配置位的方式來選擇基準(zhǔn)電壓源來自內(nèi)部或外部。數(shù)據(jù)采集模塊的工作時鐘是16 MHz，可通過內(nèi)部振蕩器、外部晶振或外部時鐘源的方式來獲得。采集模塊的通信方式為SPI通信方式[8]。

為在提高數(shù)字信號處理速度的同時，也能降低成本與提高抗干擾能力，美國Microchip公司成功研制了dsPIC30F6010數(shù)字信號控制器。其是既具有單片機(jī)豐富的內(nèi)部資源，又具有DSP數(shù)據(jù)處理功能的16位數(shù)字信號控制器。dsPIC30F6010的元件圖如圖4所示，具有80個引腳，并集成了大量的外圍功能電路[9]。

圖4　dsPIC30F6010數(shù)字信號處理器

dsPIC30F6010數(shù)字信號控制器內(nèi)部采用新型的哈佛架構(gòu)，便于地址尋址，總線傳輸速度較快，并具有較大容量的存儲空間。內(nèi)部集成了DSP引擎，處理速度快。此外，內(nèi)部有較多資源配置，中斷源、定時器、信號捕捉、比較等功能齊全[10]。

圖5　超短波理療儀檢測系統(tǒng)軟件流程圖

超短波理療儀檢測系統(tǒng)中dsPIC30 F6010數(shù)字信號的軟件流程，如圖5所示。在開始運(yùn)行后，進(jìn)行超短波模式和頻段的設(shè)置，然后判斷超短波參數(shù)是否在正常范圍內(nèi)，若在正常范圍內(nèi)則等待設(shè)定命令，再設(shè)定采樣命令，檢測系統(tǒng)開始運(yùn)行，進(jìn)一步判斷采樣性能是否正確；若性能正確則等待理療時間直至理療時間停止，隨之結(jié)束整個超短波理療的檢測過程。

4檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能

在之前闡述的超短波檢測理論與相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)之上，制作基于dsPIC30F6010數(shù)字信號控制器和AD7176模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的超短波理療儀檢測系統(tǒng)，圖6(a)為輸入系統(tǒng)含有噪聲的超短波信號，應(yīng)用超短波理療儀檢測系統(tǒng)取其進(jìn)行處理，得到處理后的結(jié)果，如圖6(b)所示。

圖6　超短波理療儀檢測系統(tǒng)信號處理結(jié)果

從超短波理療儀檢測系統(tǒng)信號處理前后的對比結(jié)果可知，經(jīng)過基于dsPIC30的超短波理療儀檢測系統(tǒng)之后，輸入系統(tǒng)的含噪信號的信噪比降低了47.6%，從而大幅提高了理療儀的精度和分辨率。

5結(jié)束語

超短波理療儀在現(xiàn)代醫(yī)療系統(tǒng)有著較廣泛的應(yīng)用，但也存在著系統(tǒng)分辨率與精度有待提高的問題。為解決這一問題，本文分析了超短波理療儀的技術(shù)架構(gòu)與其檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，構(gòu)建基于dsPIC30F6010數(shù)字信號控制器和AD7176模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的超短波理療儀檢測系統(tǒng)，并分析其軟件算法流程，經(jīng)過對實(shí)際測得的信號進(jìn)行檢測處理，降低了其信噪比，大幅提高了其精度和分辨率。

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Based dsPIC30 VHF Physiotherapy Detection System

CHENG Jiwang

(Affiliated Hospital of Tianjin Institute of Chinese Medicine, Tianjin 300120, China)

AbstractFor system resolution and accuracy is lower than that of the problems existing in the ultrashort wave therapy instrument, this paper analysis the structure of ultrashort wave therapy apparatus technology architecture and its detection system based on dsPIC30F6010 digital signal controller and ad7176 analog-to-digital conversion chip of ultrashort wave therapy instrument detection system. And analysis of its software algorithm process, after the system to detect the actual signal processing, the signal results before and after comparison, can reduce the signal to noise ratio, and greatly improve its accuracy and resolution.

Keywordsultrashort wave physiotherapy instrument; detecting system; software flow; resolving power

收稿日期:2015-11-07

作者簡介:程繼旺(1974-)，男，碩士，助理工程師。研究方向：醫(yī)療設(shè)備維修原理與應(yīng)用。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.06.050

中圖分類號TN911;R454.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1007-7820(2016)06-174-04