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采用嵌入式操作系統(tǒng)和PID控制技術(shù)實現(xiàn)智能微波治療儀的設(shè)計

發(fā)布時間:2021-04-22 責任編輯:lina

【導讀】本文主要闡述了醫(yī)用微波治療儀的智能系統(tǒng)的設(shè)計。簡要介紹了微波治療儀的組成原理及其功能,并詳細描述了該微波治療儀智能化自動控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計內(nèi)容,同時對微波治療儀的一些組成部件進行了相應的介紹。
  
本文主要闡述了醫(yī)用微波治療儀的智能系統(tǒng)的設(shè)計。簡要介紹了微波治療儀的組成原理及其功能,并詳細描述了該微波治療儀智能化自動控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計內(nèi)容,同時對微波治療儀的一些組成部件進行了相應的介紹。通過PID 調(diào)節(jié)和分段擬合對微波治療儀的智能化控制,使得此微波治療儀工作運行比沒有利用此控制方案的情況更加穩(wěn)定可靠,測試結(jié)果也表明該設(shè)計是切實可行。同時開發(fā)了上位機軟件,為復診以及治療效果的統(tǒng)計分析提供了一個平臺。
 
1 引言
 
微波治療是臨床上一種新的治療手段,其設(shè)備簡單,治療效果明顯,使用安全,并發(fā)癥少,對組織損傷小,因此得到醫(yī)務(wù)界的肯定。微波治療儀是利用微波在人體產(chǎn)生的熱對患者的病變部位進行輻射,從而達到治療目的,鑒于其治療效果顯著,是當今發(fā)展無損傷治療的理想醫(yī)療設(shè)備。目前各醫(yī)院使用的微波治療儀進口的占多數(shù),普遍存在體積大、價格昂貴、操作復雜等缺點,而國內(nèi)生產(chǎn)的微波治療儀技術(shù)還需更新、輸出功率穩(wěn)定性欠佳,致使治療效果不明顯,缺乏一些必要的保護措施,這使得整個系統(tǒng)的安全性不是很好,智能化程度不理想,使用操作起來顯得不方便。所以有必要對其進行重新設(shè)計,尤其在安全性和控制系統(tǒng)方面要使用新的設(shè)計方法,以達到最佳效果。
 
本文所設(shè)計的智能微波治療儀有以下特點:(1)控制系統(tǒng)在硬件上使用了過載保護,軟件上采用了PID 控制加分段擬合的方法,使治療儀的安全性能和輸出功率有了根本性的改變;(2)在軟件的設(shè)計中采用了嵌入式操作系統(tǒng),使整個微波治療系統(tǒng)的可操作性能,安全性能以及穩(wěn)定性都達到了一個新的高度。
 
2 微波治療機理
 
微波是頻率為300“300000MHz 波長1mm”1m 的超高頻電磁波,屬于非電離輻射。微波技術(shù)在醫(yī)療診斷和治療兩方面發(fā)揮重要作用。
 
在微波治療過程中,根據(jù)采用的微波功率密度的不同,而區(qū)分出熱效應治療和非熱效應治療。目前,熱效應治療機制較為明確。其治療機制是:人體組織內(nèi)大部分是由水和蛋白質(zhì)等極性分子組成,在微波電場力矩的作用下,極性分子沿著微波電場的方向進行有序排列的取向運動,并隨著高頻電場的交變而來回轉(zhuǎn)動,在轉(zhuǎn)動的過程中與相鄰的分子產(chǎn)生類似摩擦碰撞而生成熱量。使受照射部位機體組織溫度上升,使血管,微血管擴張,達到加快新陳代謝過程,改善局部營養(yǎng),增強組織修復與再生能力的目的。與其它的熱療方法不同,微波加熱的熱源不是從外部傳導,而是由生物組織本身產(chǎn)生的,這種熱作用效率高,均衡性熱穩(wěn)定性好[4-6]。
 
3 系統(tǒng)組成及原理框圖
 
利用微波致熱效應治療原理,把生物體置于微波輻射場中完成治療過程。儀器主要由開關(guān)高壓源、磁控管、線性電源、波導、微波探頭、傳感器和微控制器等組成。脈寬調(diào)制式開關(guān)高壓電源產(chǎn)生磁控管所需的高壓,通過對高壓直流電流的反饋控制,來穩(wěn)定磁控管的輸出功率,線性電源則提供穩(wěn)定的直流電壓給燈絲供電。磁控管采用醫(yī)療專用磁控管,波導(微波電纜)用來傳輸微波,微波探頭插入病人患部組織里面進行治療。傳感器用來監(jiān)測磁控管的輸出功率。微控制器控制用來整個系統(tǒng)的正常運行。
 
通過一個全橋整流器和一個比較器,將正弦交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橐幌盗芯匦尾?,在矩形波的下降沿-即正弦交流電的過零點,系統(tǒng)將收到中斷申請,表示可以觸發(fā)可控硅和繼電器,合適的觸發(fā)點則由系統(tǒng)控制,以達到所要求的功率。功率傳感器采集磁控管的輸出,用來監(jiān)測輸出功率值,組成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。同時傳感器的輸出端還連在硬件保護電路上,如果控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障,輸出不受控制,則可能造成輸出功率超出本儀器所要求的范圍,此時,由硬件保護電路將檢測到輸出超標信號,將輸出強行關(guān)斷,以增強系統(tǒng)的可靠性。在治療結(jié)束后,上位機軟件將輸出此次治療的相關(guān)信息,并保存到數(shù)據(jù)庫,以備復診使用和進行治療效果的統(tǒng)計分析。
 
微波治療儀的系統(tǒng)原理框圖如圖 1 所示。
 
采用嵌入式操作系統(tǒng)和PID控制技術(shù)實現(xiàn)智能微波治療儀的設(shè)計
 
4 控制系統(tǒng)
 
控制系統(tǒng)是整個治療儀器的核心,所有的控制指令都由它發(fā)出,所以控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性設(shè)計是整個設(shè)計的關(guān)鍵。
 
為了增強儀器的可靠性和抗干擾性,使用了專門的硬件保護電路,當硬件出現(xiàn)故障,微波的輸出不受控制,在其功率超過設(shè)定值后,硬件保護電路將被觸發(fā),自動關(guān)斷輸出,提高了整個微波治療儀的安全性。在軟件設(shè)計上采用了嵌入式操作系統(tǒng),使整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性有了較大的提高。為了提高控制的可靠性和快速響應的性能,使用了PID閉環(huán)控制,同時微波管的輸出功率受到電網(wǎng)電壓,工作溫度和工作時間等多方面的影響,其輸出具有非線性、滯后、時變等特點,所以將傳感器的輸入進行分段擬合,并且在各段設(shè)置了不同的校正系數(shù),使輸出更加平穩(wěn)。
 
4.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計
 
硬件主要分為以下幾個部分。電源為控制系統(tǒng)提供電源;鍵盤和 LCD 顯示電路完成人機對話功能;磁控管的控制電路根據(jù)程序指令的要求達到對病人不同疾病的治療效果;硬件保護電路對控制系統(tǒng)出現(xiàn)的故障提供了可靠的保護;功率傳感器和AD 轉(zhuǎn)換器對微波管的輸出進行監(jiān)控;輸出驅(qū)動則由繼電器和可控硅同時完成;通訊電路完成控制器和上位機的信息交換;蜂鳴器驅(qū)動電路結(jié)合發(fā)光二極管共同對預熱結(jié)束、治療結(jié)束和故障進行報警工作。
 
硬件組成框圖如圖 2 所示:
 
采用嵌入式操作系統(tǒng)和PID控制技術(shù)實現(xiàn)智能微波治療儀的設(shè)計
 
4.1.1 電源和人機交互電路
 
為了防止干擾從電源竄入,電源由開關(guān)電源和濾波電路組成,抗干擾性能較好。為了方便操作,設(shè)置了治療理療轉(zhuǎn)換鍵,工作暫停鍵,功率調(diào)節(jié)鍵,時間調(diào)節(jié)鍵和復位鍵;顯示采用液晶屏幕加LED 指示燈,用來顯示當前功率、時間和治療狀態(tài)等信息。
 
4.1.2 磁控管的控制和驅(qū)動電路
 
磁控管是微波的發(fā)射源,由陽極、諧振腔、陰極和磁場組成,當給磁控管燈絲加上3.3V直流燈絲電壓,使陰極加熱,同時陽極和陰極之間加2000V 左右的直流高壓,陰極所發(fā)射的電子在強磁場作用下飛向陽極,陽極上有多個小的諧振腔,當電子打到陽極之前在這些諧振腔內(nèi)發(fā)生振蕩,諧振頻率約為2450MHz。在治療開始之后,閉合繼電器,可控硅在過零點之后觸發(fā),控制微波的強度。同時功率傳感器開始工作,監(jiān)測微波強度。當可控硅擊穿或者出現(xiàn)其它故障,系統(tǒng)不能控制磁控管的輸出時,功率傳感器采集到的值大于安全功率的上限,當斷開可控硅無效的情況下,硬件保護電路動作,關(guān)閉繼電器,斷開高壓電源,同時報警,提醒操作人員儀器出現(xiàn)故障。
 
4.1.3 報警和通訊電路
 
報警電路主要由發(fā)光二極管和蜂鳴器組成。當治療結(jié)束或者是出現(xiàn)故障時,報警電路動作,將目前狀態(tài)以聲光方式通知操作人員。通訊電路主要負責本儀器與上位機之間的數(shù)據(jù)通訊,在治療完畢之后,將此次治療的相關(guān)信息上傳至上位機。
 
4.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計
 
本系統(tǒng)軟件包括上位機和儀器軟件兩部分。上位機軟件使用VB 編寫,主要記錄治療的信息,以便復診和對治療效果的統(tǒng)計分析。微控制器部分采用MicroC/OS-II 嵌入式操作系統(tǒng),使整個控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾性能大大增強,同時加快了設(shè)計速度并且代碼易于維護。
 
在治療狀態(tài)下,首先閉合繼電器,然后檢測電壓的過零點,在過零點之后延時觸發(fā)可控硅,延時時間由輸出驅(qū)動電路和功率傳感器組成PID 閉環(huán)系統(tǒng)控制。由于微波管的輸出不是成線性變化的,所以將傳感器的輸入用不同的校正系數(shù)進行分段校正、擬合后,再用于PID調(diào)節(jié)。提高了控制系統(tǒng)的可靠性和快速響應能力,并且使輸出更加平穩(wěn)。
 
程序流程圖如圖 3 所示。
 
采用嵌入式操作系統(tǒng)和PID控制技術(shù)實現(xiàn)智能微波治療儀的設(shè)計
 
5 結(jié)語
 
本文作者創(chuàng)新點:該微波功率的控制方案從根本上解決了微波輸出功率的失調(diào)問題。硬件上增加的保護電路使儀器的安全性能有了很大的提高,控制策略采用了分段擬合加PID控制融合的方法,既有線性化好的特點,又有PID 控制精度高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點,克服了微波功率控制中非線性,滯后,時變等帶來的困難。
 
 
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