超声治疗仪控制电路的设计与研究
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摘要
超声波是频率高于20KHz的机械波，它可由多种能量转换器转变而成。目前，医用超声波的范围多在1～15MHz，是由压电晶体在交变电场作用下发生机械振动而产生。适当剂量的超声照射生物组织可以起促进生长、康复和调节机能的作用。例如：用0.5～1W／cm~2强度照射心脏，可治疗冠心病；用0.5 W／cm~2以下强度照射可治疗眼底出血，加快伤口愈合。
早在30年代初，国外就已经将超声用于治疗。我国在这方面起步稍晚，到50年代才在少数几家医院开始应用这项技术，经过几十年的发展，我国在超声治疗领域已经取得显著的成绩。在国内重庆海扶(HIFU)技术有限公司多年来从事超声治疗设备的研制，其海扶刀、海扶妇科超声治疗仪等超声设备一直处在国内的领先地位。此种设备由于精密度高、功能强大，治疗效果明显而受各大医院的青睐。但针对目前流行的家庭治疗，由于其体积大、操作复杂、价格昂贵，很难被家庭采用。目前国内市场上较为流行的针对家庭应用的微型超声治疗仪大多数结构相似，存在着如制作工艺差，自动化程度低，操作繁杂，可调节声功率范围窄，自动保护功能弱等共同缺陷。
为此，该课题借鉴美国一种便携式智能型超声治疗设备，研制了一种单片机控制系统，它以AT89C51单片机为核心控制部件，对超声波治疗仪的输出量、治疗方式及时间进行精确可靠的控制，使之智能化、小型化，从而在临床治疗中更加安全、有效、方便。
本论文共分五章。第一章简要介绍了超声医学的发展概况，包括超声波的概述及超声治疗的机理等。第二章对超声治疗中较为重要的超声换能器进行了介绍，列出了换能器的主要性能指标及分类方式等。第三章重点介绍了超声治疗的高频正弦波产生电路的设计与实现，在详细列出了开关电源的技术指标、基本原理、基本电路形式等基础上给出了该系统采取的设计方案。第四章是本论文的一个重点，详细描述了超声治疗仪中功能控制单元的设计与实现方法，详尽的给出了硬件设计原理图和相关的程序流程及说明。第五章作为一个总结，指出了论文所做的工作和存在的不足等。
本论文所研究的治疗仪经过设计与调试已形成产品，但针对一个超声治疗领域，许多工作仍有待于进一步的研究。
Ultrasonic is a kind of mechanical wave that frequency is upper 20KHz. Ultrasonic may be generated by many ultrasonic transducers. The iatrical ultrasonic is about 1-15MHz at present, which generated by piezoelectricity crystal at the function of alternant electric field. Appropriate ultrasonic irradiation will accelerate tissue growth, have the function of healing and adjustment. For example, ultrasonic irradiate heart by 0.5-lW/cm2 will heal coronary heart disease; irradiate eyeground by 0.5 W/cm2 will accelerate hemostasia.
Ultrasonic treatment begins at 1930s. In China, the aspect begins slowly, only a few hospitals apply this technique at 1950s, but along with the rapid development, the applications are more and more. In domestic, Chongqing Haifu(HlFU) Technology Co., Ltd is the best at the field of ultrasonic treatment, it's products of Haifu Focused Ultrasound Tumor Therapeutic System and Haifu CZF Ultrasound Gynecology Diseases Therapeutic Device is in the highest flight internationally. These products are with good graces by many super hospitals, high precision, strong function and well-treated effect are the main reasons. But those don't fit therapy in families, because it's big, expensive and the manipulation is very complex. The equipment for cure in the family are coarse, the degree of automation is low and can't ensure security.
Therefore, we need develop a kind of ultrasonic treatment equipment which of making a kind of overseas equipment use for reference. The equipment use MCU AT89C51 as core, control treatment mode and dosage accurately for the purpose of miniaturization and intelligent.
The full paper is divided into five chapters. Chapter one introduces the ultrasonic iatrology, including the summarization of ultrasonic and the mechanism of treatment etc. Chapter two introduces the ultrasonic transducers that are important in the field of ultrasonic treatment. The main index and sort of the ultrasonic transducers are listed. Chapter three introduces the design and realization of sine wave coming into being in high frequency. On base of listing the technical index of switch power supply, basal principle and circuit, the
chapter expounds the scheme and comes into being. Chapter four is a main chapter, that expands the design and realization of control cell, lists the circuits and programs. Chapter five summarizes the work the paper did and lists the deficiency.
The ultrasonic treatment equipment the paper researched has come into being by debugging and modification again and again. But with regard to the whole field of ultrasonic treatment, lots of endeavor is need.
早在30年代初，国外就已经将超声用于治疗。我国在这方面起步稍晚，到50年代才在少数几家医院开始应用这项技术，经过几十年的发展，我国在超声治疗领域已经取得显著的成绩。在国内重庆海扶(HIFU)技术有限公司多年来从事超声治疗设备的研制，其海扶刀、海扶妇科超声治疗仪等超声设备一直处在国内的领先地位。此种设备由于精密度高、功能强大，治疗效果明显而受各大医院的青睐。但针对目前流行的家庭治疗，由于其体积大、操作复杂、价格昂贵，很难被家庭采用。目前国内市场上较为流行的针对家庭应用的微型超声治疗仪大多数结构相似，存在着如制作工艺差，自动化程度低，操作繁杂，可调节声功率范围窄，自动保护功能弱等共同缺陷。
为此，该课题借鉴美国一种便携式智能型超声治疗设备，研制了一种单片机控制系统，它以AT89C51单片机为核心控制部件，对超声波治疗仪的输出量、治疗方式及时间进行精确可靠的控制，使之智能化、小型化，从而在临床治疗中更加安全、有效、方便。
本论文共分五章。第一章简要介绍了超声医学的发展概况，包括超声波的概述及超声治疗的机理等。第二章对超声治疗中较为重要的超声换能器进行了介绍，列出了换能器的主要性能指标及分类方式等。第三章重点介绍了超声治疗的高频正弦波产生电路的设计与实现，在详细列出了开关电源的技术指标、基本原理、基本电路形式等基础上给出了该系统采取的设计方案。第四章是本论文的一个重点，详细描述了超声治疗仪中功能控制单元的设计与实现方法，详尽的给出了硬件设计原理图和相关的程序流程及说明。第五章作为一个总结，指出了论文所做的工作和存在的不足等。
本论文所研究的治疗仪经过设计与调试已形成产品，但针对一个超声治疗领域，许多工作仍有待于进一步的研究。
Ultrasonic is a kind of mechanical wave that frequency is upper 20KHz. Ultrasonic may be generated by many ultrasonic transducers. The iatrical ultrasonic is about 1-15MHz at present, which generated by piezoelectricity crystal at the function of alternant electric field. Appropriate ultrasonic irradiation will accelerate tissue growth, have the function of healing and adjustment. For example, ultrasonic irradiate heart by 0.5-lW/cm2 will heal coronary heart disease; irradiate eyeground by 0.5 W/cm2 will accelerate hemostasia.
Ultrasonic treatment begins at 1930s. In China, the aspect begins slowly, only a few hospitals apply this technique at 1950s, but along with the rapid development, the applications are more and more. In domestic, Chongqing Haifu(HlFU) Technology Co., Ltd is the best at the field of ultrasonic treatment, it's products of Haifu Focused Ultrasound Tumor Therapeutic System and Haifu CZF Ultrasound Gynecology Diseases Therapeutic Device is in the highest flight internationally. These products are with good graces by many super hospitals, high precision, strong function and well-treated effect are the main reasons. But those don't fit therapy in families, because it's big, expensive and the manipulation is very complex. The equipment for cure in the family are coarse, the degree of automation is low and can't ensure security.
Therefore, we need develop a kind of ultrasonic treatment equipment which of making a kind of overseas equipment use for reference. The equipment use MCU AT89C51 as core, control treatment mode and dosage accurately for the purpose of miniaturization and intelligent.
The full paper is divided into five chapters. Chapter one introduces the ultrasonic iatrology, including the summarization of ultrasonic and the mechanism of treatment etc. Chapter two introduces the ultrasonic transducers that are important in the field of ultrasonic treatment. The main index and sort of the ultrasonic transducers are listed. Chapter three introduces the design and realization of sine wave coming into being in high frequency. On base of listing the technical index of switch power supply, basal principle and circuit, the
chapter expounds the scheme and comes into being. Chapter four is a main chapter, that expands the design and realization of control cell, lists the circuits and programs. Chapter five summarizes the work the paper did and lists the deficiency.
The ultrasonic treatment equipment the paper researched has come into being by debugging and modification again and again. But with regard to the whole field of ultrasonic treatment, lots of endeavor is need.
引文
[1] 王纯正主编，超声学，北京：人民卫生出版社，1993
[2] 冯若，汪荫棠编著，超声治疗学，北京：中国医药科技出版仕，1994
[3] 冯若，李化茂编著，声化学及其应用(国家自然科学基金资助项目)，合肥：安徽科学技术出版社，1992，11
[4] 周水昌，郭万学主编，超声医学(第一版)，北京：科学技术文献出版社，1989
[5] 冯若，超声诊断剂量及临床应用的安全性，中华物理医学杂志，1983，3：166
[6] 冯若，超声生物医学效应，自然杂志，1984，10：65
[7] 冯若，超声技术在生物医学中的应用，声学进展，1985，7：1
[8] 汪荫棠，超声治疗研究的新动态，中华理疗杂志，1987，10：43
[9] 周永昌，郭万学主编，超声医学(第三版)，北京：科学技术文献出版社，1998年4月
[10] 程存弟等编，超声技术(第一版)，陕西师范大学出版社，257～280，1993年
[11] 冯若，朱昌平，超声医疗技术进展，中国超声医学杂志，9(6)，419，(1993)
[12] 马琳 孙冬梅，超声医学基础教程，原子能出版社，1995年10月
[13] 应崇福，超声学，科学出版社，1990年12月
[14] 王鸿章，声学及医学超声应用—生物医学声学，上海交通大学出版社，1991年4月
[15] ColemanAJ, et al. Acousticcavitation Generated by Anextracorporeal Shock Wavelithotripter. Ultrasound in Medicineand Biology, 1987,13(2): 69
[16] Julius Miklowitz, The Theory of Elastic Waves and Wave guides, North-Holland, Amsterdam, 1978
[17] A.S. Nowick and B. S. Berry, Anelastic Relaxation in Crystalline Solids, Academic Press. Inc., New York, 1972
[18] Wolfgang Sachse and Nelson N. Hsu, Ultrasonic Transducers for Materials Testing and Their Characterization, in Physical Acoustics, edited by W.P. Mason and R.N.Thurston, vol.ⅩⅣ, P.277-406, Academic Press, Inc., New York,1979
[19] Abel MD, et al. Evaluation of intraoperative Tran esophageal two-dimensional echocardiography, Amgsiology, 1987, 66(1): 64
[20] ATMEL: Micro controller AT89C51 Data Sheets[Z] , 2000
[21] 方蕾，李志俊，王紫峰，基于单片机的超声治疗仪全程保护系统的设计与研究，电工技术，2004年第5期
[22] 冯若主编，超声诊断设备原理与设计，北京：中国医药科技出版社，1993
[23] 甘心照，医用电子技术基础及其应用，人民卫生出版社，1982
[24] 陈桂生，超声换能器设计，海洋出版社，1984年1月
[25] 袁易全，超声换能器，南京大学出版社，1992年9月
[26] 李延盛，尹其光，超声化学，科学出版社，1995年11月
[27] 张乃国，电源技术，1998年9月第一版
[28] 王川主编，实用电源技术，2000年8月第一版
[29] 何希才编著，新型开关电源设计与维修，2001年1月第一版
[30] 夏建全，基于PWM技术的大功率超声波电源系统的研究，电子技术应用，2002年第1期
[31] 史平君，实用电源技术手册(电源器件分册)，第一版，辽宁科学技术出版社，
[32] 张德俊，空化作用与超声治疗仪，中国超声医学杂志，1998年第14卷第4期
[33] 曹屹，电脑多功能超声治疗仪的研制，医疗卫生装备，1999年第5期
[34] 张士华，治祥，波对生物组织的作用和机理，生物技术，2002年3月
[35] 翟中牛，超声波探伤信息处理装置的设计，电力学报，2001年第16卷第4期
[36] 张红梅，陈光杰，超声治疗仪的电路仿真设计，医疗卫生装备，2001年第5期
[37] 张玉明，方胜昔，单片机控制超声治疗仪，医疗卫生装备，1996年第1期
[38] 李丽霞，单片机在超声波测距中的应用，电子技术，2002年第6期
[39] 王万里，张志文，刘继勇，王健，超声波前列腺治疗仪的研制，西安工业学院学报，1998年9月第18卷 第3期
[40] 郑连德主编，医学超声原理与仪器，上海交通大学出版社出版
[41] 姚德玉，亚都YC-Y800型超声波医用雾化器原理及常见故障检修，医疗设备信息，2000年第3期
[42] 李秉忠，亚都超声波医用雾化治疗器故障分析检修，医疗卫生设备，1999年第1期
[43] 刘文军，张树军，李景竹，段道功，周耀，低强度超声波骨伤治疗仪的研制，西安工业学院学报，1997年9月第10卷 第3期
[44] 童诗白主编，模拟电子技术基础，高等教育出版社出版
[45] 张友德等，单片微型机原理应用与实验，复旦大学出版社，1992
[46] 何立民，MCS-51系列单片机应用系统设计，北京：北京航空航天大学出版社，2001
[47] 李华，MCS-51系列单片机实用接口技术，北京：北京航空航天大学出版社，1993
[48] 邬宽明，单片机外围器件实用手册(数据传输接口分册)，北京：北京航空航天大学出版社，1998
[49] 李志俊，程涛，基于多线程的多串行任务的实现，武汉理工大学学报，2002年，第5期
[50] 李朝青，PC机及单片机数据通信技术，北京：北京航空航天大学出版社，2000年
[51] 孙涵芳，徐爱卿，MCS-51／96系列单片机原理及应用，北京：北京航空航天大学出版社，1996
[52] 李志俊，王紫峰，陈绵云，基于多线程的智能小区安防系统的设计，浙江万里学院学报(自然科学类)2003年，第16卷，第2期
[53] Zhijun Li, Zifeng Wang, Mianyun Chen, Research of Controlling Method of Special Ship Based on Fuzzy Control, Advances in Systems Science and Applications, USA.
[54] 16/32-Bit Microcomputer System Components, 1990.
[55] Walter A.Triebel, Avtar Singh. 16-bit Microprocessor Architecture, Software, and Interface Techniques. New Jersey: Prentice-Hall, Inc 1998.
[56] Scott Mueller. Upgrading and Repairing PCs. QUE Corporation, 2nd Edition, 1992.
[57] I~2C Specific Information Revision 2.1. PCISIG. October 21,1994.
[58] Micro controller Handbook. Intel Corp., 1986
[59] 16-Bit Embeded Controllers, Intel Corp., 1990
[60] MCS-96 Macro Assember User's Guide, Intel Corportation.
[61] C-96 User's Guide, Intel Corporation.
[2] 冯若，汪荫棠编著，超声治疗学，北京：中国医药科技出版仕，1994
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[4] 周水昌，郭万学主编，超声医学(第一版)，北京：科学技术文献出版社，1989
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[38] 李丽霞，单片机在超声波测距中的应用，电子技术，2002年第6期
[39] 王万里，张志文，刘继勇，王健，超声波前列腺治疗仪的研制，西安工业学院学报，1998年9月第18卷 第3期
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[42] 李秉忠，亚都超声波医用雾化治疗器故障分析检修，医疗卫生设备，1999年第1期
[43] 刘文军，张树军，李景竹，段道功，周耀，低强度超声波骨伤治疗仪的研制，西安工业学院学报，1997年9月第10卷 第3期
[44] 童诗白主编，模拟电子技术基础，高等教育出版社出版
[45] 张友德等，单片微型机原理应用与实验，复旦大学出版社，1992
[46] 何立民，MCS-51系列单片机应用系统设计，北京：北京航空航天大学出版社，2001
[47] 李华，MCS-51系列单片机实用接口技术，北京：北京航空航天大学出版社，1993
[48] 邬宽明，单片机外围器件实用手册(数据传输接口分册)，北京：北京航空航天大学出版社，1998
[49] 李志俊，程涛，基于多线程的多串行任务的实现，武汉理工大学学报，2002年，第5期
[50] 李朝青，PC机及单片机数据通信技术，北京：北京航空航天大学出版社，2000年
[51] 孙涵芳，徐爱卿，MCS-51／96系列单片机原理及应用，北京：北京航空航天大学出版社，1996
[52] 李志俊，王紫峰，陈绵云，基于多线程的智能小区安防系统的设计，浙江万里学院学报(自然科学类)2003年，第16卷，第2期
[53] Zhijun Li, Zifeng Wang, Mianyun Chen, Research of Controlling Method of Special Ship Based on Fuzzy Control, Advances in Systems Science and Applications, USA.
[54] 16/32-Bit Microcomputer System Components, 1990.
[55] Walter A.Triebel, Avtar Singh. 16-bit Microprocessor Architecture, Software, and Interface Techniques. New Jersey: Prentice-Hall, Inc 1998.
[56] Scott Mueller. Upgrading and Repairing PCs. QUE Corporation, 2nd Edition, 1992.
[57] I~2C Specific Information Revision 2.1. PCISIG. October 21,1994.
[58] Micro controller Handbook. Intel Corp., 1986
[59] 16-Bit Embeded Controllers, Intel Corp., 1990
[60] MCS-96 Macro Assember User's Guide, Intel Corportation.
[61] C-96 User's Guide, Intel Corporation.