基于ARM處理器的微波熱療儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種醫(yī)療設(shè)備相繼問(wèn)世并得到廣泛應(yīng)用。其中，微波治療[1][2]以其優(yōu)越的止血效果、微小的組織損傷等優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)療行業(yè)推廣應(yīng)用了多年，其療效已得到醫(yī)務(wù)界的肯定。微波作用于機(jī)體組織時(shí)，它會(huì)引起組織細(xì)胞中離子、水分子和偶極子的高頻振蕩。當(dāng)使用小劑量微波時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生低熱效應(yīng)，增強(qiáng)患者患處的血液循環(huán)，加快新陳代謝，增強(qiáng)免疫能力，因此能促進(jìn)水腫吸收，消炎止痛;當(dāng)使用大劑量微波時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生高熱效應(yīng)，使蛋白質(zhì)變性、凝固、壞死，此時(shí)，微波具有“燒灼”、“切割”的作用。

　　微波治療儀是一種利用微波的生物學(xué)特性對(duì)各種疾病進(jìn)行治療的醫(yī)療設(shè)備，它綜合了微波、傳感器、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)軟件和硬件等高科技技術(shù)。市場(chǎng)上的微波治療儀的控制系統(tǒng)多數(shù)采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，普遍存在操作繁瑣、無(wú)圖形化操作界面、顯示不直觀的缺點(diǎn)。而采用PC機(jī)作為控制端的熱療儀又增大了設(shè)備的成本。這些因素都制約著該應(yīng)用的迅速普及推廣。

　　由于ARM嵌入式技術(shù)能使控制系統(tǒng)小型化，并且開(kāi)發(fā)出來(lái)的產(chǎn)品功能強(qiáng)大，成本低廉，具有較高的性價(jià)比。因此，我們根據(jù)微波熱療儀的市場(chǎng)需要，開(kāi)發(fā)了一種新型的基于ARM嵌入式系統(tǒng)[3][4]、配置WINCE.NET操作系統(tǒng)[5]的微波熱療儀。本應(yīng)用采用Embedded Visual C++工具[6]進(jìn)行開(kāi)發(fā)，該產(chǎn)品能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體溫度，具有微波刀，消融針的功能。該系統(tǒng)具有控制集成度高，運(yùn)行穩(wěn)定，操作方便以及直觀的圖形化界面顯示等特點(diǎn)。

1 硬件系統(tǒng)

　　1.1 硬件功能簡(jiǎn)介

　　微波刀是一種將微波能量用來(lái)進(jìn)行外科手術(shù)的微波手術(shù)刀。它由頻率為2000～10000 MHz，功率70～150 W連續(xù)可調(diào)的微波功率源，通過(guò)傳輸線與手術(shù)刀具相連組成。微波源產(chǎn)生的能量經(jīng)傳輸線，沿手術(shù)刀具進(jìn)入患者手術(shù)部位，實(shí)現(xiàn)手術(shù)目的。它具有止血效果好,刀口不碳化,滅菌,防止手術(shù)感染等特點(diǎn)，并且體積小,操作靈活。消融技術(shù)是使微波治療源經(jīng)過(guò)人體自然腔道，準(zhǔn)確定點(diǎn)的介入到人體的局部病變部位，自動(dòng)精確的控制其治療功率、時(shí)間和治療范圍的技術(shù)。采用消融針能夠在不開(kāi)腹的情況下對(duì)病癥進(jìn)行有效治療，痛苦小。

　　本系統(tǒng)的微波發(fā)射器可外接微波刀和消融針，工作情況如下：

　?。?）微波刀：手術(shù)中微波刀在使用時(shí)，用戶通過(guò)人機(jī)交互界面控制微波刀的輸出功率，同時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)累計(jì)微波刀的運(yùn)行時(shí)間，便于病歷記錄。

　　（2）消融針：消融針應(yīng)用于熱療時(shí)，用戶可預(yù)先設(shè)置消融針運(yùn)行功率、時(shí)間和警戒溫度，系統(tǒng)采用倒計(jì)時(shí)方式計(jì)算消融針運(yùn)行時(shí)間，時(shí)間歸零后，系統(tǒng)自動(dòng)切斷功率輸出。治療過(guò)程中，為了防止患者治療部位的溫度過(guò)高而造成組織損壞，系統(tǒng)還可以監(jiān)視患處的溫度變化情況，當(dāng)檢測(cè)到的溫度高于警戒溫度時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)低消融針的輸出功率;當(dāng)檢測(cè)到的溫度恢復(fù)正常后，系統(tǒng)恢復(fù)消融針的輸出功率為預(yù)先設(shè)置值。

　　1.2 硬件組成

　　整個(gè)硬件系統(tǒng)分為三大部分，即嵌入式系統(tǒng)模塊、溫度采集及控制模塊以及微波源。圖1是系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖。

圖1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 嵌入式系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖

　　1.2.1 嵌入式系統(tǒng)模塊

　　嵌入式系統(tǒng)模塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示，模塊采用三星公司的ARM9系列微處理器 S3C2410，其中包括64M的RAM和64M的Flash。嵌入式系統(tǒng)模塊外接一塊Sharp公司的10.4寸液晶顯示器，其分辨率為640×480，作為系統(tǒng)的人機(jī)交互平臺(tái)供用戶操作使用。

　　嵌入式系統(tǒng)模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部分，它提供友好的人機(jī)交互界面供用戶設(shè)定功率、時(shí)間和警戒溫度等參數(shù)，然后通過(guò)串口與單片機(jī)通信以控制微波源的輸出功率，并在液晶顯示器上顯示實(shí)時(shí)的溫度曲線。

　　1.2.2 溫度采集及控制模塊

　　溫度采集及控制模塊由單片機(jī)和溫度采集電路組成：

　?。?） 單片機(jī)。單片機(jī)采用Silabs公司的C8051F005芯片，該芯片內(nèi)嵌12位A/D和12位D/A轉(zhuǎn)換器。它通過(guò)A/D采集8路溫度信號(hào)并經(jīng)串口發(fā)送到嵌入式系統(tǒng)模塊中，同時(shí)將嵌入式系統(tǒng)模塊傳來(lái)的功率值通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換成電壓以驅(qū)動(dòng)微波源。此外，考慮到實(shí)際應(yīng)用的方便性，模塊外接一腳踏開(kāi)關(guān)，這樣用戶可直接用腳踏開(kāi)關(guān)控制微波輸出功率。