基于ARM处理器微波热疗仪系统设计

1、引言随着科学技术的发展，各种医疗设备相继问世并得到广泛应用。其中，微波12以其优越的止血效果、微小的组织损伤等优点，在医疗行业推广应用了多年，其已得到医务界的肯定。微波作用于机体组织时，它会引起组织细胞中离子、水分子和偶极子的高频振荡。当使用小剂量微波时，它会产生低热效应，增强患者患处的血液循环，加快新陈代谢，增强免疫能力，因此能促进水肿吸收，消炎止痛;当使用大剂量微波时，它会产生高热效应，使蛋白质变性、凝固、坏死，此时，微波具有烧灼、0c59f8ea 工业微波设备 http:/ PC 机作为控制端的热疗仪又增大了设备的成本。这些因素都制约着该应用的迅速普及推广。由于 ARM 嵌入式技术能使控

2、制系统小型化，并0c59f8ea 工业微波设备 http:/ ARM 嵌入式系统34、配置 WINCE.NET 操作系统5的微波热疗仪。本应用采用 EmbeddedVisualC+工具6进行开发，该产品能实时监测人体温度，具有微波刀，消融针的功能。该系统具有控制集成度高，运行稳定，操作方便以及直观的图形化界面显示等特点。1 硬件系统1.1 硬件功能简介0c59f8ea 工业微波设备 http:/ 200010000MHz，功率 70150W 连续可调的微波功率源，通过传输线与手术刀具相连组成。微波源产生的能量经传输线，沿手术刀具进入患者手术部位，实现手术目的。它具有止血效果好,刀口不碳化,灭菌

3、,防止手术感染等特点，并且体积小,操作灵活。消融技术是使微波源经过人体自然腔道，准确定点的介入到人体的局部病变部位，自动精确的控制其功率、时间和范围的技术。采用消融针能够在不开腹的情况下对病症进行有效，痛苦小。0c59f8ea 工业微波设备 http:/ 工业微波设备 http:/ 硬件组成整个硬件系统分为三大部分，即嵌入式系统模块、温度采集及控制模块以及微波源。图 1 是系统的硬件结构图。图 1 硬件系统结构图1.2.1 嵌入式系统模块嵌入式系统模块的结构 2 所示，模块采用三星的 ARM9 系列微处理器 S3C2410，其中包括 64M 的0c59f8ea 工业微波设备 http:/ 和

4、64M 的 Flash。嵌入式系统模块外接一块Sharp 的 10.4 寸 液晶 显 示器 ， 其分 辨 率 为640×480，作为系统的人机交互平台供用户操作使用。图 2 嵌入式系统模块结构图嵌入式系统模块是整个系统的核心控制部分，它提供友好的人机交互界面供用户设定功率、时间和警戒温度等参数，然后通过串口与单片机通信以控制微波源的输出功率，并在液晶显示器上显示实时的温度曲线。1.2.2 温度采集及控制模块0c59f8ea 工业微波设备 http:/ Silabs 的 C8051F005芯片，该芯片内嵌 12 位 A/D 和 12 位 D/A 转换器。它通过A/D采集 8路

5、温度信号并经串口发送到嵌入式系统模块中，同时将嵌入式系统模块传来的功率值通过 D/A 转换成电压以驱动微波源。此外，考虑到实际应用的方便性，模块外接一脚踏开关，这样用户可直接用脚踏开关控制微波输出功率。（2）温度采集电路。在热疗过程中，为了检0c59f8ea 工业微波设备 http:/ 8 路热敏电阻和信号放大电路组成，热敏电阻先与固定电阻分压，经信号放大电路放大后接到单片机的 A/D 转换器。单片机再通过串口将温度信号传递给嵌入式系统模块，显示于液晶显示器上。1.2.3 微波源微波源采用磁控管作为微波振荡管，当磁控管的点设置合理、内部振荡稳定时，微波可由谐振耦合器和同轴电缆耦合到专门设计的圆

6、形辐射器输出。该微波源主要由微波驱动电路和微波辐射器组0c59f8ea 工业微波设备 http:/ 3），为不同部件提供微波输出。图 3 微波源由于微波源输出的功率与驱动电压之间为非线性关系，在本设计中我们预先测出功率与驱动电压的对应关系表，控制程序通过查表将用户设置的功率转换成电压值，并通过串口发送给单片机。单片机再通过其自带的 D/A 转换器输出模拟电压以控制微波源的功率输出。2 软件系统0c59f8ea 工业微波设备 http:/ 嵌入式操作系统 WINCE.NETMicrosoftWindowsCE.NET（又称 WINCE.NET）是一个紧凑、高效和可裁减的操作系统，适用于各种嵌入式

7、系统开发中。它拥有多线程、多任务、完全抢先式优先级的特点，是一种面向嵌入式环境的实时操作系统。EmbeddedVisualC+（简称 EVC）是 Microsoft推出的一套基于 WINCE.NET 平台的可视化开发工具，它支持 MFC 类库的子集，能够给开发者提供强大的支持，与普通 Win32 程序开发方法相似，基于0c59f8ea 工业微波设备 http:/ EVC4.0 版本开发。2.2 软件系统设计根据硬件平台的特点以及实际的功能需求，软件系统分为两部分：手术刀控制和消融针自动控制功能，其中消融针自动控制功能提供三种功能：人体温度监视功能，微波功率自动调节功能以及消融针运行状态控制功能

8、。其中人体温度监视功能提供温度-时间（秒），温度-时间（分）和功率-时间（分）三波形图，4 所示。具体的系统流程图 5 所示。图5 程序流程图0c59f8ea 工业微波设备 http:/ 手术刀控制功能块该模块界面 6（a）所示,它提供以下功能：控制微波刀启/停状态、计算微波刀运行时间、调整微波刀输出功率和初始化功率、时间参数。（a）手术刀状态显示（b）消融针控制图图 6 软件部分功能图图 4 软件结构图嵌入式系统模块与温度采集及控制模块之间主要通过串口通讯7（见图 1）。应用程序需要对串口数据进行编码/解码以达到控制的目的。串口通讯数据格式统一如下：0c59f8ea 工业微波设备 http:

9、/ 21 字节，传输格式（见表 1）如下：前导码为 0 x55（1 字节）;开始/停止（1 字节）：0 x00 表示停止;0 xFF 表示开始功率值（2字节）：功率值为一个范围（04095） ;温度值（16字节）：每个温度值取值范围为 0-4095（2 字节），所以共需 16 字节;结束码为 0 xAA。表 1 温度采集及控制模块-嵌入式模块数据格式（2）嵌入式系统模块给数模转换器发送的数据格式如表 2 所示，共 5 字节，定义同上。表 2 嵌0c59f8ea 工业微波设备 http:/ 消融针控制功能块6（b）所示，此模块提供功能：消融针运行控制功能：所选用微波源的型号、警戒温度、预运行时间

10、和预输出功率;控制消融针启/停状态微波功率自动调节功能：当被的患处温度超过警戒温度时候，系统自动调低微波输出功率，直到温度恢复正常。温度监视功能显示三种波形图：温度-时间（秒），温度-时间（分）和功率-时间（分）波形图。0c59f8ea 工业微波设备 http:/ 实验与结论系统整合后，于室温 17的条件下我们对整个仪器进行过了测试。手术刀输出功率为 35W。启动手术刀功能后，测得系统的表示输出功率的模拟电压值与时间的关系如表 3：表 3 手术刀输出模拟电压-时间表另外，设置消融针输出功率 35W,设置警戒温度 30。启动消融针热疗功能，开始时将温度热敏探头置入 11.5水中;于第 5 分钟置入温度为31.7的水中，于第 6 分钟取出继续置入 11.50c59f8ea 工业微波设备 http:/ 10 分钟置入温度为 29.1的水中，于第 11 分钟取出，继续置入 11.5水中。在此过程中，我们测得的功率转换后的电压值如表 4：表 4消融针输出模拟电压-时间表实验表明，控制系统能够精确控制微波的输出功率。同时