脈搏波反饋控制的超聲理療系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(guò)程中任然存在一些缺點(diǎn)，例如會(huì)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(shí)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(dòng)時(shí)，人體細(xì)胞比較活躍，細(xì)胞間相對(duì)有很強(qiáng)烈的能量交換，而此時(shí)正是超聲治療的最佳時(shí)刻[3～5]。本文就是基于此設(shè)計(jì)的一種由患者自身生理來(lái)自動(dòng)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(jì)

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(shí)間進(jìn)行精確可靠的控制，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)如圖1所示，共有以下幾個(gè)模塊。

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

信號(hào)采集部分包括血壓和脈搏信號(hào)采集兩個(gè)模塊。血壓信號(hào)采集一般有兩種測(cè)量方式，無(wú)創(chuàng)血壓測(cè)量以及有創(chuàng)血壓測(cè)量[6]。在這里，我們采用可以連續(xù)24小時(shí)監(jiān)測(cè)血壓的手表式血壓計(jì)。在采集到電壓信號(hào)后，通過(guò)藍(lán)牙把高、低血壓值輸送給單片機(jī)，單片機(jī)計(jì)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(lái)采集的，在本系統(tǒng)中，我們選擇利用紅外脈搏傳感器來(lái)采集，其工作原理是利用特定波長(zhǎng)紅外線(xiàn)對(duì)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(cè)由于心臟的跳動(dòng)所引起的指尖的血液變化，再經(jīng)過(guò)對(duì)信號(hào)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(dòng)的脈沖信號(hào)，從而計(jì)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(hào)。最后，通過(guò)藍(lán)牙將采集到的脈搏信號(hào)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(hào)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(lái)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(jì)中，反饋是通過(guò)功率進(jìn)行的。單片機(jī)通過(guò)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(jì)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(dòng)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(guò)人的自身血壓控制聲強(qiáng)，也可以通過(guò)系數(shù)K人為實(shí)現(xiàn)對(duì)不同患病部位所需聲強(qiáng)大小的控制。Q和K都通過(guò)鍵盤(pán)直接輸入。

可以利用高頻功率發(fā)生器模塊來(lái)設(shè)定治療的時(shí)間和功率，并通過(guò)單片機(jī)對(duì)其實(shí)施控制。通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路推動(dòng)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(guò)采用傳輸線(xiàn)變壓器完成的。反饋回路即頻率監(jiān)控模塊，用于對(duì)頻率實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)電壓、電流采樣和相位檢測(cè)電路，將采樣得到發(fā)射器輸出端電壓和電流信號(hào)并送到相位檢測(cè)電路，如果電壓和電流是同相的，則說(shuō)明脈寬信號(hào)的占空比占50%，若不同相，脈寬信號(hào)的占空比小于50%，根據(jù)A信號(hào)的占空比大小，把檢測(cè)結(jié)果傳到單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)模糊運(yùn)算產(chǎn)生發(fā)射頻率增減量,最后通過(guò)SPI（Serial Peripheral Interface）接口將數(shù)字頻率信號(hào)寫(xiě)入 DDS（Direct Digital Synthesizer）數(shù)控頻率源模塊的頻率寄存器，對(duì)頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)的高精度控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 模塊組成

本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)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(mén)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(lèi)別各異。入海水道工程類(lèi)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(guān)測(cè)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(gè)模塊，并存儲(chǔ)實(shí)時(shí)信息；DDS 數(shù)控頻率源模塊用于產(chǎn)生超聲頻方波信號(hào)；脈搏血壓采集和處理模塊，測(cè)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(hào)，并對(duì)該脈搏信號(hào)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(hào)；閥門(mén)模塊，用于實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)觸發(fā)超聲頻方波信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換成可以與超聲換能器相匹配的高頻交流電信號(hào)；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(cè)高頻交流電信號(hào)的頻率是否諧振在超聲換能器的工作頻率上，并將檢測(cè)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(cè)電路和報(bào)警電路，其中溫度檢測(cè)電路用于檢測(cè)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(shí)間和功率，并通過(guò)單片機(jī)對(duì)其實(shí)施控制。通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路推動(dòng)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(guò)采用傳輸線(xiàn)變壓器完成的。反饋回路即頻率監(jiān)控模塊，用于對(duì)頻率實(shí)時(shí)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(cè)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(hào)并送到相位檢測(cè)電路，然后把檢測(cè)結(jié)果傳送到單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)模糊運(yùn)算產(chǎn)生發(fā)射器頻率增量，最后通過(guò)SPI 接口將數(shù)字頻率信號(hào)寫(xiě)入 DDS數(shù)控頻率源模塊的頻率寄存器，對(duì)頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)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(duì)于每來(lái)一個(gè)時(shí)鐘脈沖來(lái)說(shuō)，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(shí)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(shí)鐘周期繼續(xù)與頻率控制字K相加；另一方面將這個(gè)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(gè)地址輸出相對(duì)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(mǎn)足如下式所示的關(guān)系

公式5滿(mǎn)足Nyquist采樣定理，fr>2f0。

在時(shí)鐘頻率給定后，頻率控制字決定了輸出信號(hào)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(xiàn)位數(shù)決定了相位分辨率的大小，而ROM的數(shù)據(jù)位字長(zhǎng)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(píng)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(jì)、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(jì)測(cè)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(hào)。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(guò)快、過(guò)緩或時(shí)快時(shí)慢。 由此，以1分鐘為總采集時(shí)間，以60～100為限定閥值，觀(guān)察其檢測(cè)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(gè)波和峽構(gòu)成。

利用脈搏采集設(shè)備獲取脈搏信號(hào)，之后對(duì)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(guān)化分析的脈搏信號(hào)。但此時(shí)我們首先需要對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，因?yàn)槿梭w是在不斷的呼吸和移動(dòng)過(guò)程中的，在此過(guò)程中存在基線(xiàn)漂移，同時(shí)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(hào)。

沒(méi)有處理過(guò)的脈搏波信號(hào)還有強(qiáng)烈的干擾，脈搏信號(hào)中的主要干擾包括以下幾點(diǎn)：信號(hào)采集過(guò)程中產(chǎn)生的高頻噪聲、偽峰、基線(xiàn)漂移等。所以需要處理還原信號(hào)，基于以上幾點(diǎn)，在這里，我們采用的是小波變換濾波法。因?yàn)樾〔ㄗ儞Q的時(shí)頻分析特性較好，而且處理非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)的能力也較強(qiáng)。信號(hào)還原之后，再對(duì)其進(jìn)行歸一化處理，圖5所示就是脈搏信號(hào)經(jīng)過(guò)處理之后的波形。

3.2 調(diào)制脈搏波

首先，我們用選擇一個(gè)載波信號(hào)，因?yàn)檎也ㄊ穷l率成分最為單一，而其他任何復(fù)雜的信號(hào)都可以分解成多個(gè)不同頻率、不同大小的正弦波，也就是說(shuō)可以看成是有多個(gè)正弦波復(fù)合得到的，所以我們?cè)谶@里選擇正弦波作為載波信號(hào)，并令它為f(t)。

再運(yùn)用算法把載波信號(hào)調(diào)制到處理后的脈搏波信號(hào)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(guò)一系列的處理后。最終可以得到調(diào)制后的脈搏波信號(hào)，波形如圖6所示。

通過(guò)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(guò)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(hào)更加穩(wěn)定。而采用該信號(hào)對(duì)超聲功率進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，能充分契合人體心血管搏動(dòng)節(jié)律，在血流量增大的時(shí)刻同步加大輸出功能，促進(jìn)新陳代謝。

4 總結(jié)

通過(guò)對(duì)結(jié)果的驗(yàn)證，該系統(tǒng)能夠通過(guò)脈搏波的實(shí)時(shí)采集，并脈搏調(diào)制信號(hào)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(guò)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(shí)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(shí)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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