基于ARM处理器的微波热疗仪系统设计

 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。其中，微波治疗[1][2]以其优越的止血效果、微小的组织损伤等优点，在医疗行业推广应用了多年，其疗效已得到医务界的肯定。微波作用于机体组织时，它会引起组织细胞中离子、水分子和偶极子的高频振荡。当使用小剂量微波时，它会产生低热效应，增强患者患处的血液循环，加快新陈代谢，增强免疫能力，因此能促进水肿吸收，消炎止痛;当使用大剂量微波时，它会产生高热效应，使蛋白质变性、凝固、坏死，此时，微波具有“烧灼”、“切割”的作用。

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。而采用PC机作为控制端的热疗仪又增大了设备的成本。这些因素都制约着该应用的迅速普及推广。

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[3][4]、配置WINCE.NET操作系统[5]的微波热疗仪。本应用采用Embedded Visual C++工具[6]进行开发，该产品能实时监测人体温度，具有微波刀，消融针的功能。该系统具有控制集成度高，运行稳定，操作方便以及直观的图形化界面显示等特点。

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。采用消融针能够在不开腹的情况下对病症进行有效治疗，痛苦小。

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

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，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。

 

 

图2 嵌入式系统模块结构图

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。

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。此外，考虑到实际应用的方便性，模块外接一脚踏开关，这样用户可直接用脚踏开关控制微波输出功率。

(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。单片机再通过串口将温度信号传递给嵌入式系统模块，显示于液晶显示器上。

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。它可外接手术刀和消融针(见图3)，为不同部件提供微波输出。

 

 

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。单片机再通过其自带的D/A转换器输出模拟电压以控制微波源的功率输出。

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，是一种面向嵌入式环境的实时操作系统。

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，基于此特点本次设计采用EVC4.0版本开发。

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。

本文的创新点：利用流行的嵌入式技术改进提升微波热疗仪的控制系统，该系统使热疗仪控制系统在小型化、智能化、提高精确度以及降低成本方面迈出了一大步;其拥有的多接口能够兼容市场上流行的微波发射器，具有较高的可扩展性，实现了很好的市场价值。