模塊化超聲給藥系統(tǒng)設(shè)計

劉 偉， 張曉蘭， 張?zhí)m蘭

(河南科學(xué)技術(shù)大學(xué) 醫(yī)工學(xué)院，河南 洛陽 471003)

模塊化超聲給藥系統(tǒng)設(shè)計

劉 偉， 張曉蘭， 張?zhí)m蘭

(河南科學(xué)技術(shù)大學(xué) 醫(yī)工學(xué)院，河南 洛陽 471003)

基于超聲促滲的雙氯芬酸鈉體外透皮正交實驗研究，在前期實驗數(shù)據(jù)積累的基礎(chǔ)上，提取了復(fù)合促滲的有效實驗參數(shù)組合。為了適應(yīng)后期臨床測試的需要，在比對和分析目前超聲給藥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了模塊化超聲給藥系統(tǒng)的設(shè)計方案，并完成了各部分主要模塊電路的設(shè)計，實現(xiàn)了超聲給藥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和可持續(xù)升級，為后續(xù)工作的展開提供了基礎(chǔ)。

超聲促滲；經(jīng)皮給藥；模塊化； 低頻超聲

0 引言

雙氯芬酸鈉作為一種主要的外敷用抗炎類藥物，應(yīng)用非常廣泛，療效也較佳。本文將介紹基于雙氯芬酸鈉復(fù)合促滲的超聲給藥的實驗和理論研究。雙氯芬酸鈉適合采用局部緩釋給藥，其藥效作用集中，但需要有效避開臟器和消化道的代謝排出。超聲給藥作為一種外用物理促滲方法，較好地滿足了雙氯芬酸鈉的給藥需求，這是開展實驗設(shè)計的基礎(chǔ)。超聲給藥主要是利用超聲波的機械、溫?zé)岷涂栈?yīng)等綜合作用于表皮，使皮膚組織的通透性增加，有效增強藥物透入效率。超聲給藥優(yōu)點突出，為雙氯芬酸鈉應(yīng)用的推廣提供了廣闊的前景[1]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計要求

超聲給藥的基礎(chǔ)實驗研究主要是以單位時間的有效滲透量做為評價指標(biāo)，通過有效調(diào)整超聲促滲參數(shù)，以實驗驗證來求解最適合于雙氯芬酸鈉透皮給藥的超聲參數(shù)組合。超聲給藥實驗對雙氯芬酸鈉體外經(jīng)皮滲透率進行數(shù)據(jù)分析對照，如果采用全參數(shù)進行覆蓋實驗，很難得出有效評估。本文采用正交試驗設(shè)計來研究多因素多水平的綜合對照，根據(jù)正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗驗證，這些有代表性的點均勻分散，規(guī)范可比較，能較好地滿足實驗測定的需要。實驗數(shù)據(jù)如表1所示。根據(jù)實驗選擇水平組合，完成了正交實驗數(shù)據(jù)表格，給藥系統(tǒng)設(shè)計依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建靈活便攜的超聲實驗平臺，為后期實驗的重復(fù)開展和臨床驗證提供便利。

表1 基于正交設(shè)計的有效實驗參數(shù)組合

需要構(gòu)建的系統(tǒng)包括四個獨立工作通道，單通道的激勵電壓的頻率調(diào)整范圍為20～50 kHz，這樣可以保證每一通道的覆蓋性和替代性，有利于后期的對照。對超聲換能器的激勵采用脈寬調(diào)制波，要求輸出頻率包含21 kHz，28 kHz，32 kHz，38 kHz四檔可調(diào)。選用超聲探頭有效輻射面積為5～7 cm2的海納系列換能器，由聲壓換算出有效超聲輸出功率并留出調(diào)節(jié)余量。還需要對換能器的工作時間進行控制，實時采集探頭諧振時的電壓和電流信號，建立對其頻率和功率的自動跟蹤和調(diào)節(jié)，此外系統(tǒng)還需要提供過壓、過流、過溫保護和用戶接口等?；谝陨显O(shè)計要求完成了四通道獨立可調(diào)的超聲驅(qū)動電路系統(tǒng)的模塊化構(gòu)建。

2 系統(tǒng)模塊化電路設(shè)計

目前的超聲給藥系統(tǒng)實現(xiàn)的基本功能單元很多[2]，在對比和分析了目前超聲給藥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要實現(xiàn)方式和優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，提出滿足當(dāng)前系統(tǒng)功能需要的模塊化設(shè)計結(jié)構(gòu)，將系統(tǒng)分為數(shù)字邏輯控制模塊、功率放大驅(qū)動模塊、可控電源模塊、反饋模塊和匹配輸出模塊五部分，構(gòu)建的模塊化系統(tǒng)能夠完成超聲給藥需要的驅(qū)動頻率、脈寬、功率和時間參數(shù)的實時調(diào)整，可根據(jù)不同換能器需要更換匹配輸出，有效解決了功率電源、功率放大和反饋回路的獨立調(diào)試問題，且各部分結(jié)構(gòu)可獨立調(diào)整和升級，滿足了超聲給藥系統(tǒng)的通用性設(shè)計。

2.1 數(shù)字邏輯控制模塊電路實現(xiàn)

圖1 數(shù)字邏輯控制模塊結(jié)構(gòu)功能

數(shù)字邏輯控制模塊部分主要完成激勵源的產(chǎn)生、開關(guān)功率電源控制、反饋信號采集和系統(tǒng)流程控制等功能。數(shù)字邏輯器件目前可以選擇的種類很多，系統(tǒng)設(shè)計初期采用單片機作為數(shù)控的核心器件，選用增強的8位AVR CMOS微控制器ATmega 16來實現(xiàn)，充分利用其內(nèi)部集成的邏輯功能單元來簡化電路實現(xiàn)，其主要功能描述如圖1所示。

2.2 功率放大驅(qū)動模塊

功率放大驅(qū)動模塊系統(tǒng)采用專用驅(qū)動芯片IR21844構(gòu)建，數(shù)控單元輸出的脈寬調(diào)制信號經(jīng)光耦隔離和調(diào)理以后，經(jīng)由IR21844增益輸出驅(qū)動MOS(Meta Oxid Semiconductor)半橋功放，輸出經(jīng)變壓器隔離和變換，驅(qū)動換能器工作。

IR21844作為IR公司的專用電源驅(qū)動芯片，性能表現(xiàn)優(yōu)異。該芯片是雙通道、柵極驅(qū)動、高壓高速功率器件的單片式集成驅(qū)動模塊。芯片中采用了高度集成的電平轉(zhuǎn)換技術(shù)，可以滿足對工作頻率和電壓等主要參數(shù)的要求，只需要單脈沖輸入就能驅(qū)動雙管橋臂，大大簡化了邏輯電路對功率器件的控制要求，同時自身帶有死區(qū)調(diào)整腳，提高了電路驅(qū)動的可靠性。

功率開關(guān)管采用了單片集成MOSFET(Metallic Oxide Semiconductor Field Effecttransistor)器件。功率驅(qū)動采用半橋結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，半橋輸出功率較低，但開關(guān)管數(shù)量少，驅(qū)動調(diào)節(jié)簡單，且抗電壓不平衡能力很強，總體適合當(dāng)前需求。IR21844增益輸出的PWM(Pulse-Width Modulation)調(diào)制信號驅(qū)動半橋結(jié)構(gòu)的MOSFET管輪流導(dǎo)通，在變壓器的副邊得到交變信號，實現(xiàn)逆變輸出[3]。

為了保證功放開關(guān)管使用時的可靠性，主電路中還包含相關(guān)保護電路，限制電壓電流變化，減少器件開關(guān)損耗等。系統(tǒng)對功放管的過壓保護采用穩(wěn)壓管實現(xiàn)，要求低于功放管閾值電壓下限，實現(xiàn)對過沖峰值電壓的保護。過流保護采用R-C組合的緩沖吸收電路，電阻選取滿足限流需要。主體電路如下圖2所示。

圖2 功率驅(qū)動功放電路

2.3 可控電源模塊

該模塊集中提供其他電路需要的直流電源和功放開關(guān)管的驅(qū)動電壓。全系統(tǒng)電路模塊用到的電源電壓有：數(shù)控邏輯模塊的+5 V，功率放大驅(qū)動模塊的+12 V；反饋模塊的隔離、調(diào)理運放和乘法器等需要的+5 V；匹配輸出模塊譯碼器和SSD(Static Sensitive Device)器件需要的+5 V電源。采用220 V轉(zhuǎn)15 V變壓器輸出15 V交流電壓，采用兩片7805產(chǎn)生+5 V直流分別供應(yīng)數(shù)控單元和其他部分，一片LM7812產(chǎn)生+12 V供應(yīng)IR21184，這樣保證了主要模塊基本電源的獨立穩(wěn)定。

系統(tǒng)采用降壓斬波電路改變開關(guān)管的驅(qū)動電壓，從而改變輸出功率進行調(diào)功。PWM通過改變占空比來實現(xiàn)對驅(qū)動電壓的調(diào)節(jié)，即采用不控整流加斬波的直流側(cè)降壓調(diào)功方式來實現(xiàn)。直流斬波的電壓調(diào)節(jié)方式具有效率高、諧波少、工作可靠等優(yōu)點[4]。直流斬波調(diào)功方式目前比較成熟，相關(guān)軟開關(guān)電路的應(yīng)用很多，這里采用脈寬調(diào)制方式完成對控制開關(guān)電源的電壓調(diào)節(jié)，以滿足功率調(diào)整的需要。集中電源供應(yīng)簡化了電路的電源實現(xiàn)，方便調(diào)試。其結(jié)構(gòu)流程如圖3所示。

圖3 電源模塊功能結(jié)構(gòu)

2.4 反饋模塊

換能器在實際工作時，振蕩會引起探頭發(fā)熱，此外其他許多因素如老化、接觸不良等，都會改變換能器原有的負(fù)載參數(shù)，使換能器失去諧振狀態(tài)，從而降低功率轉(zhuǎn)化效率和促滲效果。因此系統(tǒng)需要能夠?qū)Q能器的工作狀態(tài)進行實時跟蹤和調(diào)整。反饋模塊主要完成換能器諧振工作時的頻率、功率和溫度等信號的實時采集，形成有效的閉環(huán)控制，在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)跟蹤調(diào)整，使換能器工作在最佳狀態(tài)。

換能器在諧振時，其兩端電壓、電流的相位差為零，提取電壓和電流的相差信號可以作為頻率的誤差反饋信號，電流和電壓的乘積可以作為功率信號，因此需要實時采集換能器諧振時的電壓、電流信號。電壓電流的檢測方法較多，主要采用互感器件進行檢測，減少對換能器諧振電路結(jié)構(gòu)的影響。使用KA20A/P磁平衡電流傳感器對交變電流信號進行取樣。該傳感器基于霍爾效應(yīng)實現(xiàn)，響應(yīng)電流增益比較靈敏，可以有效檢測頻率波動0～50 kHz范圍內(nèi)的交變信號，其輸出電壓的信號正比于交變電流信號。該傳感器簡單準(zhǔn)確，穩(wěn)定性高，滿足當(dāng)前系統(tǒng)要求。交變電壓信號的檢測是在輸出變壓器的副端繞組上纏繞變壓比可調(diào)的線圈來獲得，在檢測電壓信號時也可以有效隔離和濾除部分諧波干擾。采樣得到的實時電壓和電流信號經(jīng)隔離、調(diào)理后計算相差和功率，得到功率和頻差的反饋信號，返回數(shù)控邏輯模塊形成閉環(huán)控制。

圖4 匹配接口模塊切換電路

此外系統(tǒng)采用DSl8B20實時檢測換能器工作時的溫度信號，形成溫度反饋。

2.5 匹配輸出模塊

采用海納換能器的等效電路，其C0為靜態(tài)電容，R0、R1、C1、L1分別為損耗阻抗、負(fù)載電阻、動態(tài)電容和動態(tài)電感。

壓電換能器只有諧振輸出阻抗與變壓器驅(qū)動輸出內(nèi)阻滿足合理的比例關(guān)系，才能保證功率的有效輸出，即輸出阻抗匹配；此外，換能器還必須工作在諧振頻率點，才能保證功率有效轉(zhuǎn)換成機械能，即換能器要滿足諧振匹配。由于該換能器諧振時對外主要表現(xiàn)出容性，所以系統(tǒng)主要采用串聯(lián)電感進行調(diào)諧。系統(tǒng)采用電感器件對壓電換能器進行電抗補償來保證電壓和電流同相，同時有利于減少電路的無功分量，提高電路工作效率，且具有濾除諧波的作用。采用L-R串聯(lián)匹配時，換能器負(fù)載等效輸出阻抗為：

Z=1/jω·C1+R0+R1+jω·L1+jω·Lx+Rx

(1)

換能器工作在諧振頻率時，其電壓電流同相位，輸出呈電阻性，電抗為零，由此可以計算得到匹配電感Lx滿足：

(2)

此時等效負(fù)載電阻為：

Rload=R0+R1+Rx

(3)

通過調(diào)節(jié)Rx可以有效調(diào)節(jié)諧振時的等效輸出阻抗，以滿足換能功率輸出的阻抗匹配。

L-R調(diào)諧電路實現(xiàn)簡單，性能較好[5-6]。匹配輸出單元采用多通道的獨立電路板結(jié)構(gòu)，每通道采用單獨L-R匹配，整體模塊通過接口器件與換能器配合使用，方便不同換能器實時調(diào)換。數(shù)控單元發(fā)出的通路選擇信號，通過圖4所示譯碼器和光耦可控硅復(fù)合控制，完成諧振匹配通道的選擇切換，其電路原理如圖4所示。

3 結(jié)束語

基于正交實驗提取的有效參數(shù)組合，完成了模塊化超聲給藥系統(tǒng)的設(shè)計。前期在比對和分析了目前超聲給藥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)方式、技術(shù)難點及優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，依據(jù)系統(tǒng)的功能組合和邏輯連接關(guān)系，完成了超聲給藥系統(tǒng)的模塊化構(gòu)建。將系統(tǒng)分為數(shù)字邏輯控制模塊、功率放大驅(qū)動模塊、可控電源模塊、反饋模塊和匹配輸出模塊五部分,采用模塊化結(jié)構(gòu)，有效簡化了電路實現(xiàn)，系統(tǒng)的邏輯關(guān)系清晰，提高了穩(wěn)定性和可靠性，各模塊易于調(diào)整和升級。

后期根據(jù)臨床驗證的需要，可進一步對系統(tǒng)功能模塊的電路進行改進和完善。

[1] 劉偉,胡志剛,張?zhí)m蘭.基于雙氯芬酸鈉體外促滲的多路超聲給藥系統(tǒng)設(shè)計[J] ．中國儀器儀表,2014(12):46-50.

[2] 郭鵬,曲波. 基于STM32的自適應(yīng)智能精密電源的設(shè)計[J].微型機與應(yīng)用,2013,32(9):81-84.

[3] 袁燕嶺.單片機控制的脈寬調(diào)制功率放大器設(shè)計與研究[J].電子元器件應(yīng)用，2008,4(10): 31-33.

[4] 夏建全,陳瑞,張秀香.基于PWM技術(shù)的大功率超聲波電源系統(tǒng)的研究[J]．電子技術(shù)應(yīng)用，2002，28(1):32-36.

[5] 湯四媛.一種用于醫(yī)用高頻超聲成像設(shè)備的發(fā)射與接收裝置的研制[J]．中國醫(yī)療器械,2008,32(1):11-13.

[6] 楊春霞,鄭彥鋒.電路設(shè)計模塊化與設(shè)計重利用[J]．電子元器件應(yīng)用,2012(Z1):66-68.

The design of modular ultrasonic drug delivery system

Liu Wei, Zhang Xiaolan， Zhang Lanlan

(School of Medical Technology and Engineering , University of Henan Science and Technology, Luoyang 471003, China)

Based on the diclofenac sodium permeation experiment of ultrasound vitro transdermal influence with the orthogonal theory, and the accumulation of experimental data， the compound promotes effective parameters are extracted. In order to meet the needs of the late animal experiments and further clinical testing, we proposed to build the proper ultrasonic delivery drug system. Through comparing and analyzing the main realization methods of ultrasonicator trans dermal system, the construction scheme is made for modular ultrasonic drug delivery system. We finally completed the whole system circuit, and realized the optimization and sustainable development of the structure of the ultrasonic dosing system. It provids the basis for subsequent work.

ultrasonophoresis; ultrasonicator trans dermal; modular; low-frequency ultrasound

TP29

A

1674-7720(2016)05-0033-03

劉偉，張曉蘭，張?zhí)m蘭. 模塊化超聲給藥系統(tǒng)設(shè)計[J].微型機與應(yīng)用，2016,35(5)：33-35,39.

2015-11-14)

劉偉(1978-)，通信作者，男，碩士，講師，主要研究方向：超聲給藥。E-mail：yuanliu_2008@126.com。

張曉蘭(1981-)，女，碩士，講師，主要研究方向：測控技術(shù)。

張?zhí)m蘭(1980-)，女，博士，講師，主要研究方向：光子晶體技術(shù)。