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    采用嵌入式操作系統和PID控制技術實現智能微波治療儀的設計
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    摘要:   本文主要闡述了醫用微波治療儀的智能系統的設計。簡要介紹了微波治療儀的組成原理及其功能,并詳細描述了該微波治療儀智能化自動控制系統的軟硬件設計內容,同時對微波治療儀的一些組成部件進行了相應的介紹。通過PID 調節和分段擬合對微波治療儀的智能化控制,使得此微波治療儀工作運行比沒有利用此控制方案的情況更加穩定可靠,測試結果也表明該設計是切實可行。同時開發了上位機軟件,為復診以及治療效果的統計分析提供了一個平臺。
    關鍵詞: PID 操作系統
    Abstract:
    Key words :

      本文主要闡述了醫用微波治療儀的智能系統的設計。簡要介紹了微波治療儀的組成原理及其功能,并詳細描述了該微波治療儀智能化自動控制系統的軟硬件設計內容,同時對微波治療儀的一些組成部件進行了相應的介紹。通過PID 調節和分段擬合對微波治療儀的智能化控制,使得此微波治療儀工作運行比沒有利用此控制方案的情況更加穩定可靠,測試結果也表明該設計是切實可行。同時開發了上位機軟件,為復診以及治療效果的統計分析提供了一個平臺。

      1 引言

      微波治療是臨床上一種新的治療手段,其設備簡單,治療效果明顯,使用安全,并發癥少,對組織損傷小,因此得到醫務界的肯定。微波治療儀是利用微波在人體產生的熱對患者的病變部位進行輻射,從而達到治療目的,鑒于其治療效果顯著,是當今發展無損傷治療的理想醫療設備。目前各醫院使用的微波治療儀進口的占多數,普遍存在體積大、價格昂貴、操作復雜等缺點,而國內生產的微波治療儀技術還需更新、輸出功率穩定性欠佳,致使治療效果不明顯,缺乏一些必要的保護措施,這使得整個系統的安全性不是很好,智能化程度不理想,使用操作起來顯得不方便。所以有必要對其進行重新設計,尤其在安全性和控制系統方面要使用新的設計方法,以達到最佳效果。

      本文所設計的智能微波治療儀有以下特點:(1)控制系統在硬件上使用了過載保護,軟件上采用了PID 控制加分段擬合的方法,使治療儀的安全性能和輸出功率有了根本性的改變;(2)在軟件的設計中采用了嵌入式操作系統,使整個微波治療系統的可操作性能,安全性能以及穩定性都達到了一個新的高度。

      2 微波治療機理

      微波是頻率為300“300000MHz 波長1mm”1m 的超高頻電磁波,屬于非電離輻射。微波技術在醫療診斷和治療兩方面發揮重要作用。

      在微波治療過程中,根據采用的微波功率密度的不同,而區分出熱效應治療和非熱效應治療。目前,熱效應治療機制較為明確。其治療機制是:人體組織內大部分是由水和蛋白質等極性分子組成,在微波電場力矩的作用下,極性分子沿著微波電場的方向進行有序排列的取向運動,并隨著高頻電場的交變而來回轉動,在轉動的過程中與相鄰的分子產生類似摩擦碰撞而生成熱量。使受照射部位機體組織溫度上升,使血管,微血管擴張,達到加快新陳代謝過程,改善局部營養,增強組織修復與再生能力的目的。與其它的熱療方法不同,微波加熱的熱源不是從外部傳導,而是由生物組織本身產生的,這種熱作用效率高,均衡性熱穩定性好[4-6]。

      3 系統組成及原理框圖

      利用微波致熱效應治療原理,把生物體置于微波輻射場中完成治療過程。儀器主要由開關高壓源、磁控管、線性電源、波導、微波探頭、傳感器和微控制器等組成。脈寬調制式開關高壓電源產生磁控管所需的高壓,通過對高壓直流電流的反饋控制,來穩定磁控管的輸出功率,線性電源則提供穩定的直流電壓給燈絲供電。磁控管采用醫療專用磁控管,波導(微波電纜)用來傳輸微波,微波探頭插入病人患部組織里面進行治療。傳感器用來監測磁控管的輸出功率。微控制器控制用來整個系統的正常運行。

      通過一個全橋整流器和一個比較器,將正弦交流電轉變為一系列矩形波,在矩形波的下降沿-即正弦交流電的過零點,系統將收到中斷申請,表示可以觸發可控硅和繼電器,合適的觸發點則由系統控制,以達到所要求的功率。功率傳感器采集磁控管的輸出,用來監測輸出功率值,組成一個閉環控制系統。同時傳感器的輸出端還連在硬件保護電路上,如果控制系統出現故障,輸出不受控制,則可能造成輸出功率超出本儀器所要求的范圍,此時,由硬件保護電路將檢測到輸出超標信號,將輸出強行關斷,以增強系統的可靠性。在治療結束后,上位機軟件將輸出此次治療的相關信息,并保存到數據庫,以備復診使用和進行治療效果的統計分析。

      微波治療儀的系統原理框圖如圖 1 所示。

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      4 控制系統

      控制系統是整個治療儀器的核心,所有的控制指令都由它發出,所以控制系統的穩定性設計是整個設計的關鍵。

      為了增強儀器的可靠性和抗干擾性,使用了專門的硬件保護電路,當硬件出現故障,微波的輸出不受控制,在其功率超過設定值后,硬件保護電路將被觸發,自動關斷輸出,提高了整個微波治療儀的安全性。在軟件設計上采用了嵌入式操作系統,使整個系統的穩定性和抗干擾性有了較大的提高。為了提高控制的可靠性和快速響應的性能,使用了PID閉環控制,同時微波管的輸出功率受到電網電壓,工作溫度和工作時間等多方面的影響,其輸出具有非線性、滯后、時變等特點,所以將傳感器的輸入進行分段擬合,并且在各段設置了不同的校正系數,使輸出更加平穩。

      4.1 控制系統硬件設計

      硬件主要分為以下幾個部分。電源為控制系統提供電源;鍵盤和 LCD 顯示電路完成人機對話功能;磁控管的控制電路根據程序指令的要求達到對病人不同疾病的治療效果;硬件保護電路對控制系統出現的故障提供了可靠的保護;功率傳感器和AD 轉換器對微波管的輸出進行監控;輸出驅動則由繼電器和可控硅同時完成;通訊電路完成控制器和上位機的信息交換;蜂鳴器驅動電路結合發光二極管共同對預熱結束、治療結束和故障進行報警工作。

      硬件組成框圖如圖 2 所示:

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      4.1.1 電源和人機交互電路

      為了防止干擾從電源竄入,電源由開關電源和濾波電路組成,抗干擾性能較好。為了方便操作,設置了治療理療轉換鍵,工作暫停鍵,功率調節鍵,時間調節鍵和復位鍵;顯示采用液晶屏幕加LED 指示燈,用來顯示當前功率、時間和治療狀態等信息。

      4.1.2 磁控管的控制和驅動電路

      磁控管是微波的發射源,由陽極、諧振腔、陰極和磁場組成,當給磁控管燈絲加上3.3V直流燈絲電壓,使陰極加熱,同時陽極和陰極之間加2000V 左右的直流高壓,陰極所發射的電子在強磁場作用下飛向陽極,陽極上有多個小的諧振腔,當電子打到陽極之前在這些諧振腔內發生振蕩,諧振頻率約為2450MHz。在治療開始之后,閉合繼電器,可控硅在過零點之后觸發,控制微波的強度。同時功率傳感器開始工作,監測微波強度。當可控硅擊穿或者出現其它故障,系統不能控制磁控管的輸出時,功率傳感器采集到的值大于安全功率的上限,當斷開可控硅無效的情況下,硬件保護電路動作,關閉繼電器,斷開高壓電源,同時報警,提醒操作人員儀器出現故障。

      4.1.3 報警和通訊電路

      報警電路主要由發光二極管和蜂鳴器組成。當治療結束或者是出現故障時,報警電路動作,將目前狀態以聲光方式通知操作人員。通訊電路主要負責本儀器與上位機之間的數據通訊,在治療完畢之后,將此次治療的相關信息上傳至上位機。

      4.2 控制系統軟件設計

      本系統軟件包括上位機和儀器軟件兩部分。上位機軟件使用VB 編寫,主要記錄治療的信息,以便復診和對治療效果的統計分析。微控制器部分采用MicroC/OS-II 嵌入式操作系統,使整個控制系統穩定性和抗干擾性能大大增強,同時加快了設計速度并且代碼易于維護。

      在治療狀態下,首先閉合繼電器,然后檢測電壓的過零點,在過零點之后延時觸發可控硅,延時時間由輸出驅動電路和功率傳感器組成PID 閉環系統控制。由于微波管的輸出不是成線性變化的,所以將傳感器的輸入用不同的校正系數進行分段校正、擬合后,再用于PID調節。提高了控制系統的可靠性和快速響應能力,并且使輸出更加平穩。

      程序流程圖如圖 3 所示。

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      5 結語

      本文作者創新點:該微波功率的控制方案從根本上解決了微波輸出功率的失調問題。硬件上增加的保護電路使儀器的安全性能有了很大的提高,控制策略采用了分段擬合加PID控制融合的方法,既有線性化好的特點,又有PID 控制精度高、穩定性好的優點,克服了微波功率控制中非線性,滯后,時變等帶來的困難。


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