智能超聲電導治療儀控制系統(tǒng)的設計

王鑫 王云光 程海憑 張祖昊

摘 ?要： 超聲和中頻電療都能對人體產(chǎn)生治療作用，智能超聲電導治療儀將超聲和調(diào)制中頻電療融合到一臺儀器上，兩種治療方式的協(xié)同作用能夠有更好的治療效果。根據(jù)透皮給藥理論，該儀器又可以促進藥物透過皮膚進入體內(nèi)而發(fā)揮局部和全身治療作用。智能超聲電導治療儀控制系統(tǒng)采用STM32F103VET6主控芯片，通過模糊PID控制使超聲換能器處于諧振狀態(tài)。該儀器既能使用下位機控制，也可以用WiFi無線操控，具有使用簡便、智能顯示和無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)忍攸c。

關鍵詞： 超聲電導治療儀; 模糊PID控制; WiFi傳輸; 智能化

中圖分類號：TP319 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ?文章編號：1006-8228（2020）01-39-04

Abstract： Ultrasonic therapy and intermediate frequency electrotherapy can produce therapeutic effects on the human body. The intelligent ultrasonic conductometric therapy instrument integrates ultrasonic therapy and modulated intermediate frequency electrotherapy into one instrument， the synergistic effect of the two treatment methods can achieve better therapeutic effect. According to the theory of skin medication， the instrument can also promote the local and systemic therapeutic effects of the drug penetrating through the intact skin into the body. The control system of intelligent ultrasonic conductometric therapy instrument adopts STM32F103VET6 chip， the fuzzy PID control is used to make the ultrasonic transducer in resonance state. The instrument can be controlled by the slave computer or wirelessly controller over WiFi， it features easy to use， intelligent display and wireless data transmission.

Key words： ultrasonic conductometric therapy instrument; fuzzy PID control; WiFi transmission; intelligent

0 引言

隨著社會生活節(jié)奏的加快，慢性病患者看病難問題日趨嚴重，社區(qū)醫(yī)療和家庭治療成為慢性病患者主流選擇[1]。現(xiàn)代醫(yī)療已經(jīng)融入了智能控制、傳感、無線網(wǎng)絡等高科技，適用于醫(yī)院又適用于家庭和個人的小型治療系統(tǒng)正在逐漸改善我們的健康狀況和生活質(zhì)量。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)市場上的超聲電導治療儀存在體積大、功能單一、智能化程度低、缺乏數(shù)據(jù)傳輸功能等缺點。大量資料證明，超聲電導治療儀具有良好的治療效果，例如治療肌肉關節(jié)疾病所致的慢性疼痛[3]、急性腰椎間盤突出[4]、結(jié)合中藥外用治療癌性疼痛等[5]。在精簡體積、完善功能、提高安全性的基礎上，開發(fā)智能化、多功能的超聲電導治療儀成為該領域發(fā)展的新方向。

針對上述問題進行本設計，智能超聲電導治療儀以STM32F103VET6微控制器為控制核心，采用超聲和調(diào)制中頻電刺激兩種治療方式，可單獨或者協(xié)同作用于常規(guī)理療和透皮給藥。其適用于兒科、骨傷科、婦產(chǎn)科及內(nèi)科等。

1 超聲電導治療儀治療原理

超聲波是指頻率高于20kHz的機械振動波，其方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能，將超聲波作用于人體以達到治療目的方法稱超聲波療法[6]。超聲波具有機械效應，可增強細胞內(nèi)物質(zhì)運動，促進新陳代謝和血液循環(huán);超聲波具有熱效應，可加強局部組織酶的代謝活性，緩解肌肉痙攣，提高疼痛閥值;而超聲波的空化作用，可使皮膚角質(zhì)脂質(zhì)結(jié)構(gòu)排列的有序性降低，從而促進局部代謝[7]。目前超聲治療采用較低頻率，一般為0.8～1.2MHz;而超聲診斷頻率較高，常用2.5～7.5MHz，淺表器官用10MHz以上，超聲顯微鏡等己用至 50MHz至數(shù)百MHz[8]。

醫(yī)學上把頻率1kHz以下的脈沖電稱作低頻電，其主要作用于骨骼肌和組織深部;把1k～100kHz的脈沖電稱為中頻電，其主要作用于表淺組織和神經(jīng)肌肉組織[9]。中頻和低頻電療法是運用刺激電流使機體產(chǎn)生神經(jīng)反應的治療方法。低頻調(diào)制的中頻電與低頻電的作用相仿，且較低頻電流更為優(yōu)越，常用于鍛煉骨骼肌;對皮膚感覺神經(jīng)末梢的刺激小、無電解作用，有利于長期治療;電流進入深度大，對深部病變效果好[10]。

超聲和電療引起皮膚表皮微振動和電位差，增加局部藥物分子的總動能，使藥物易于透入細胞間隙，可有效解決外治藥物難以透過皮膚屏障的問題[11]。透皮給藥廣泛應用于臨床，相對于口服、靜脈或腸道等方式，有著顯著的優(yōu)勢，有效避免藥物在肝臟的“首過效應”和胃腸道的降解破壞，無血藥濃度的峰谷變化，減少個體差異和毒副作用等優(yōu)點[12-13]。

2 控制系統(tǒng)硬件總體方案設計

智能超聲電導治療儀是一款多功能的治療儀器，它主要包括上位機、微處理器、中頻電模塊、超聲模塊、電源模塊、人機交互模塊、通訊模塊等組成儀器，如圖1所示。該儀器采用STM32F103VET6微處理器，通過WiFi網(wǎng)絡模塊與基于三星EXYNOS4412的上位機相連;具有超聲、中頻電刺激兩種功能，能同步、異步發(fā)生;傳感器模塊用于檢測儀器輸出和換能器溫度，保證儀器輸出準確性和安全性;采用LCD屏幕作為人機交互界面，儀器操控更加簡單、快捷。

2.1 微控制器

微處理器是整個系統(tǒng)的核心，本設計采用STM32F103VET6作為微處理器。它的工作頻率為72MHz，內(nèi)置高達512K字節(jié)的閃存存儲器和64K字節(jié)的SRAM，80個GPIO端口和連接到兩條APB總線的外設。包含3個12位的ADC、4個通用16位定時器和2個PWM定時器，多達2個I2C接口、3個SPI接口、5個USART接口。具有性價比高、外設豐富、集成度高、功耗低、開發(fā)方便等優(yōu)點。

2.2 超聲模塊設計

超聲模塊采用AD9834作為DDS芯片，其功耗低，是可編程的直接數(shù)字式頻率合成器。微處理器通過SPI控制AD9834產(chǎn)生頻率和相位可調(diào)的正弦波。半波逆變網(wǎng)絡功放模塊對信號放大、再通過串聯(lián)諧振網(wǎng)絡的諧振匹配使超聲換能器處于諧振狀態(tài)[14-15]。電信號激發(fā)超聲換能器中的壓電晶片，使其產(chǎn)生厚度方向的振動，向外輻射超聲波，改變間斷正弦波的占空比實現(xiàn)輸出功率的調(diào)節(jié)[15]。微處理器根據(jù)頻率跟蹤模塊采樣的電流、電壓相位差，調(diào)節(jié)DDS的輸出頻率[16]，使換能器工作在純電阻狀態(tài)，提高整機工作效率。超聲模塊工作電路設計框圖如圖2所示。

2.3 調(diào)制中頻電刺激模塊設計

TLC7528是雙路、8位數(shù)字的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，微控制器單元基于時序脈沖控制TLC7528將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。設計時將DACA的輸出電壓VOUTA穩(wěn)壓后作為VOUTB的參考電壓，最終輸出電壓的精度更小。通道A的參考電壓為VREFA、數(shù)字量為DA，通道B的數(shù)字量為DB，一級放大輸出的電壓VOUT如下：

VOUT =VOUTB =VREFA *DA /2n *DB /2n ? ⑴

輸出信號VOUT濾波后送至TDA2003功率放大器二次放大，放大后的信號經(jīng)過環(huán)形磁芯變壓器升壓，最終輸送至電極片實現(xiàn)調(diào)制中頻電脈沖的輸出[17]，如圖3所示。

2.4 溫度傳感器模塊

設計中采用接觸式溫度傳感器DS18B20進行溫度測量。DS18B20是常用的數(shù)字溫度傳感器，在 -10～+85℃范圍內(nèi)，精度為±0.5℃。DS18B20在與微處理器連接時僅需要一個GPIO接口即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊[18]。溫度傳感器置于超聲手柄內(nèi)部測量超聲換能器的溫度，溫度過高停止工作，以防燙傷人體和損壞儀器。

3 控制系統(tǒng)軟件設計

該儀器的超聲模塊和中頻電刺激模塊可單獨使用或協(xié)同作用。當超聲換能器溫度正常、超聲換能器和電極貼片與人體貼合，儀器方能正常工作。整個程序的工作流程如圖4所示，關鍵模塊包括了溫度檢測、模糊PID控制、通信等模塊[19]。

3.1 模糊PID控制算法應用

超聲換能器在實際工作過程中，由于溫度、負載等變化，會導致?lián)Q能器諧振頻率發(fā)生漂移。本設計中將換能器兩端電壓、電流信號相位差通過模糊PID控制算法處理后改變DDS頻率使超聲換能器處于諧振狀態(tài)[15]。

經(jīng)典PID對一般控制過程有較好的控制效果和較強的適應性。但系統(tǒng)在不同誤差和誤差變化率下，經(jīng)典PID不能自動修正比例調(diào)節(jié)系數(shù)Kp、積分調(diào)節(jié)系數(shù)Ki和微分調(diào)節(jié)系數(shù)Kd等參數(shù)，進一步提高控制精度變得困難。而模糊PID控制器可以離線控制系統(tǒng)的輸出響應，并求出系統(tǒng)的性能指標，同時用專家知識或者手動操作人員的長期積累的經(jīng)驗建立規(guī)則庫，以相位差θ為作為觀測量，PID參數(shù)為控制量，作模糊推理并調(diào)整，使PID參數(shù)適應對象的變化，最終得到較好的控制效果[20]。

根據(jù)模糊推理機輸出變量的物理含義，可將模糊PID控制器分為增益調(diào)整型、直接控制量型和混合型[20]。本設計中采用混合型模糊PID控制器，當實際相位差|θ|已超過相位差閾值Φ時，采用模糊控制對PID參數(shù)控制進行調(diào)整，再采用傳統(tǒng)PID控制階段對其微調(diào)。此種控制比傳統(tǒng)PID控制響應更快、超調(diào)更小，而且比模糊控制的穩(wěn)態(tài)精度更高[21]。其基本控制流程如圖5所示。

3.2 通信模塊

WiFi無線通信模塊采用ESP8266芯片，ESP8266是一個完整且自成體系的WiFi網(wǎng)絡解決方案，采用TCP/IP協(xié)議進行無線數(shù)據(jù)傳輸，支持三種工作模式，分別為softAP模式，station模式，softAP+station共存模式，本設計將ESP8266芯片配置為softAP模式來實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。

通過配置熱點名稱、加密方式、密鑰、以及開放的IP地址和網(wǎng)絡端口號，完成WiFi模塊的初始化[22]。STM32F103VET6核心控制芯片通過對與WiFi模塊相連接的串口通道進行循環(huán)監(jiān)聽，讀取接收到上位機發(fā)送過來的命令語句，執(zhí)行相應的操作。傳感器測得的相關數(shù)據(jù)參數(shù)，通過對應的串口通道由WiFi熱點發(fā)送至上位機并實時顯示[23]。

4 結(jié)束語

本文的設計是基于STM32F103VET6芯片、WiFi通信、模糊PID控制算法等實現(xiàn)智能控制，以超聲和調(diào)制中頻電療為能量載體的超聲電導治療儀。通過合理的設計，將超聲和調(diào)制中頻電療融合到一臺儀器中;WiFi模塊是儀器傳輸數(shù)據(jù)的基礎;采用模糊PID控制算法，實現(xiàn)超聲換能器處于諧振工作狀態(tài)。該儀器既能在醫(yī)院作為專業(yè)的治療設備，也可以用作家庭理療設備。在接下來的研究中，將以該智能超聲電導治療儀作為基礎設備，收集用戶相關信息和理療參數(shù)，以及用戶治療的效果反饋信息，實現(xiàn)智能化和個性化的治療。

參考文獻（References）：

[1] 鄭楷.嵌入式中頻電療儀設計與關鍵技術研究[D].北京工業(yè)大學，2016.

[2] 喬增光，屈八一，程騰.基于三星Exynos4412的智能醫(yī)療系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)[J].軟件，2017.6：111-115

[3] 韓秀蘭.超聲電導儀治療慢性疼痛的臨床研究[C]//廣東省康復醫(yī)學會、廣東社會學會健康研究專業(yè)委員會學術年會.2007.

[4] 曹蕾[1]，哈曉峰[1]，郎子娟[1]，et al.SCL-001型超聲脈沖電導治療儀在急性腰椎間盤突出中的臨床應用[J].中國醫(yī)療設備，2013.28（11）：128-130

[5] 肖俐，何秀蘭，劉傳波，et al.超聲電導結(jié)合中藥鎮(zhèn)痛方外用治療癌性疼痛的臨床研究[J].中國中醫(yī)基礎醫(yī)學雜志，2013.2：174-174

[6] Azuma Y，Ito M，Harada Y，et al.Low-Intensity Pulsed Ultrasound Accelerates Rat Femoral Fracture Healing by Acting on the Various Cellular Reactions in the Fracture Callus[J].Journal of Bone and Mineral Research，2001.16（4）：671-680

[7] 孫林科，榮曉鳳.超聲中頻介導藥物治療關節(jié)痛137例的臨床觀察[J].現(xiàn)代婦女：醫(yī)學前沿，2015（5）.

[8] 牛金海.超聲原理及生物醫(yī)學工程應用：生物醫(yī)學超聲學[M].上海：上海交通大學出版社，2017.

[9] 李剛，張旭.生物醫(yī)學電子學[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[10] 遲戈，馬艷彬，李非，et al.中低頻電療法的臨床應用[J].中國醫(yī)療器械信息，2010.16（11）：26-27

[11] Park D，Park H，Seo J，et al.Sonophoresis in transdermal drug deliverys[J].Ultrasonics，2014.54（1）：56-65

[12] 朱慶文，李海燕，杜紅.中藥經(jīng)皮給藥物理促透技術與發(fā)展思路研究[J].國際生物醫(yī)學工程雜志，2015，38（4）.

[13] Ran P，Yang L ，Zhangyong L ，et al.Design of an ultrasonic physiotherapy system with pulse wave feedback control[J].Technology and Health Care，2017.25：305-315

[14] 唐新星.基于頻率自動跟蹤與振幅恒定控制的超聲電源的研制[D].北京交通大學，2014.

[15] 榮杰.高頻超聲理療儀驅(qū)動電源設計[D].哈爾濱工業(yè)大學，2016.

[16] 胡斌.脈博同步超聲波治療儀的研究與開發(fā)[D].河北工業(yè)大學，2011.

[17] 俞嘯，周家?guī)?，張?基于51的醫(yī)學中頻治療儀的設計[J].電子世界，2017.19：157-159

[18] 殷杰.基于AT89C51的超聲波治療儀控制核心電路[J].電子與封裝，2012.12：21-23

[19] 楊博.嵌入式超聲腫瘤溫熱治療儀的研制[J].中國醫(yī)療器械雜志，2013.37（2）：88-91

[20] 胡包鋼，應浩.模糊PID控制技術研究發(fā)展回顧及其面臨的若干重要問題[J].自動化學報，2001.27（04）.

[21] 范津齊.基于模糊自整定PID算法的電鍋爐溫度控制[D].沈陽理工大學，2013.

[22] 張一鳴，肖曉萍.基于ARM和WiFi通信的智能開關控制器設計[J].計算機測量與控制，2018，v.26;No.239（08）：89-93+143

[23] 李俐萍，陳金鷹，孫宇，et al.WiFi控制的功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].自動化儀表，2014.35（7）：48-51