《智能超声电导治疗仪控制系统的设计》
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摘 要： 超声和中频电疗都能对人体产生治疗作用,智能超声电导治疗仪将超声和调制中频电疗融合到一台仪器上,两种治疗方式的协同作用能够有更好的治疗效果.根据透皮给药理论,该仪器又可以促进药物透过皮肤进入体内而发挥局部和全身治疗作用.智能超声电导治疗仪控制系统采用STM32F103VET6主控芯片,通过模糊PID控制使超声换能器处于谐振状态.该仪器既能使用下位机控制,也可以用WiFi无线操控,具有使用简便、智能显示和无线数据传输等特点.
关键词： 超声电导治疗仪; 模糊PID控制; WiFi传输; 智能化
中图分类号：TP319 文献标识码：A文章编号：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 sle computer or wirelessly controller over WiFi, it features easy to use, intelligent display and wireless data tranission.
Key words： ultrasonic conductometric therapy instrument; fuzzy PID control; WiFi tranission; intelligent
0 引言
隨着社会生活节奏的加快,慢性病患者看病难问题日趋严重,社区医疗和家庭治疗成为慢性病患者主流选择[1].现代医疗已经融入了智能控制、传感、无线网络等高科技,适用于医院又适用于家庭和个人的小型治疗系统正在逐渐改善我们的健康状况和生活质量.
调查发现,国内市场上的超声电导治疗仪存在体积大、功能单一、智能化程度低、缺乏数据传输功能等缺点.大量资料证明,超声电导治疗仪具有良好的治疗效果,例如治疗肌肉关节疾病所致的慢性疼痛[3]、急性腰椎间盘突出[4]、结合中药外用治疗癌性疼痛等[5].在精简体积、完善功能、提高安全性的基础上,开发智能化、多功能的超声电导治疗仪成为该领域发展的新方向.
针对上述问题进行本设计,智能超声电导治疗仪以STM32F103VET6微控制器为控制核心,采用超声和调制中频电刺激两种治疗方式,可单独或者协同作用于常规理疗和透皮给药.其适用于儿科、骨伤科、妇产科及内科等.
1 超声电导治疗仪治疗原理
超声波是指频率高于20kHz的机械振动波,其方向性好,穿透能力强,易于获得较集中的声能,将超声波作用于人体以达到治疗目的方法称超声波疗法[6].超声波具有机械效应,可增强细胞内物质运动,促进新陈代谢和血液循环;超声波具有热效应,可加强局部组织酶的代谢活性,缓解肌肉痉挛,提高疼痛阀值;而超声波的空化作用,可使皮肤角质脂质结构排列的有序性降低,从而促进局部代谢[7].目前超声治疗采用较低频率,一般为0.8～1.2MHz;而超声诊断频率较高,常用2.5～7.5MHz,浅表器官用10MHz以上,超声显微镜等己用至 50MHz至数百MHz[8].
医学上把频率1kHz以下的脉冲电称作低频电,其主要作用于骨骼肌和组织深部;把1k～100kHz的脉冲电称为中频电,其主要作用于表浅组织和神经肌肉组织[9].中频和低频电疗法是运用刺激电流使机体产生神经反应的治疗方法.低频调制的中频电与低频电的作用相仿,且较低频电流更为优越,常用于锻炼骨骼肌;对皮肤感觉神经末梢的刺激小、无电解作用,有利于长期治疗;电流进入深度大,对深部病变效果好[10].
超声和电疗引起皮肤表皮微振动和电位差,增加局部药物分子的总动能,使药物易于透入细胞间隙,可有效解决外治药物难以透过皮肤屏障的问题[11].透皮给药广泛应用于临床,相对于口服、静脉或肠道等方式,有着显著的优势,有效避免药物在肝脏的“首过效应”和胃肠道的降解破坏,无血药浓度的峰谷变化,减少个体差异和毒副作用等优点[12-13].
2 控制系统硬件总体方案设计
智能超声电导治疗仪是一款多功能的治疗仪器,它主要包括上位机、微处理器、中频电模块、超声模块、电源模块、人机交互模块、通讯模块等组成仪器,如图1所示.该仪器采用STM32F103VET6微处理器,通过WiFi网络模块与基于三星EXYNOS4412的上位机相连;具有超声、中频电刺激两种功能,能同步、异步发生;传感器模块用于检测仪器输出和换能器温度,保证仪器输出准确性和安全性;采用LCD屏幕作为人机交互界面,仪器操控更加简单、快捷.
2.1 微控制器
微处理器是整个系统的核心,本设计采用STM32F103VET6作为微处理器.它的工作频率为72MHz,内置高达512K字节的闪存存储器和64K字节的SRAM,80个GPIO端口和连接到两条APB总线的外设.包含3个12位的ADC、4个通用16位定时器和2个PWM定时器,多达2个I2C接口、3个SPI接口、5个USART接口.具有性价比高、外设丰富、集成度高、功耗低、开发方便等优点.
2.2 超声模块设计
超声模块采用AD9834作为DDS芯片,其功耗低,是可编程的直接数字式频率合成器.微处理器通过SPI控制AD9834产生频率和相位可调的正弦波.半波逆变网络功放模块对信号放大、再通过串联谐振网络的谐振匹配使超声换能器处于谐振状态[14-15].电信号激发超声换能器中的压电晶片,使其产生厚度方向的振动,向外辐射超声波,改变间断正弦波的占空比实现输出功率的调节[15].微处理器根据频率跟踪模块采样的电流、电压相位差,调节DDS的输出频率[16],使换能器工作在纯电阻状态,提高整机工作效率.超声模块工作电路设计框图如图2所示.
2.3 调制中频电刺激模块设计
TLC7528是双路、8位数字的数模转换器,微控制器单元基于时序脉冲控制TLC7528将数字信号转换为模拟信号.设计时将DACA的输出电压VOUTA稳压后作为VOUTB的参考电压,最终输出电压的精度更小.通道A的参考电压为VREFA、数字量为DA,通道B的数字量为DB,一级放大输出的电压VOUT如下：
VOUT 等于VOUTB 等于VREFA *DA /2n *DB /2n⑴
输出信号VOUT滤波后送至TDA2003功率放大器二次放大,放大后的信号经过环形磁芯变压器升压,最终输送至电极片实现调制中频电脉冲的输出[17],如圖3所示.
2.4 温度传感器模块
设计中采用接触式温度传感器DS18B20进行温度测量.DS18B20是常用的数字温度传感器,在 -10～+85℃范围内,精度为±0.5℃.DS18B20在与微处理器连接时仅需要一个GPIO接口即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯[18].温度传感器置于超声手柄内部测量超声换能器的温度,温度过高停止工作,以防烫伤人体和损坏仪器.
3 控制系统软件设计
该仪器的超声模块和中频电刺激模块可单独使用或协同作用.当超声换能器温度正常、超声换能器和电极贴片与人体贴合,仪器方能正常工作.整个程序的工作流程如图4所示,关键模块包括了温度检测、模糊PID控制、通信等模块[19].
3.1 模糊PID控制算法应用
超声换能器在实际工作过程中,由于温度、负载等变化,会导致换能器谐振频率发生漂移.本设计中将换能器两端电压、电流信号相位差通过模糊PID控制算法处理后改变DDS频率使超声换能器处于谐振状态[15].
经典PID对一般控制过程有较好的控制效果和较强的适应性.但系统在不同误差和误差变化率下,经典PID不能自动修正比例调节系数Kp、积分调节系数Ki和微分调节系数Kd等参数,进一步提高控制精度变得困难.而模糊PID控制器可以离线控制系统的输出响应,并求出系统的性能指标,同时用专家知识或者手动操作人员的长期积累的经验建立规则库,以相位差θ为作为观测量,PID参数为控制量,作模糊推理并调整,使PID参数适应对象的变化,最终得到较好的控制效果[20].
根据模糊推理机输出变量的物理含义,可将模糊PID控制器分为增益调整型、直接控制量型和混合型[20].本设计中采用混合型模糊PID控制器,当实际相位差|θ|已超过相位差阈值Φ时,采用模糊控制对PID参数控制进行调整,再采用传统PID控制阶段对其微调.此种控制比传统PID控制响应更快、超调更小,而且比模糊控制的稳态精度更高[21].其基本控制流程如图5所示.
3.2 通信模块
WiFi无线通信模块采用ESP8266芯片,ESP8266是一个完整且自成体系的WiFi网络解决方案,采用TCP/IP协议进行无线数据传输,支持三种工作模式,分别为softAP模式,station模式,softAP+station共存模式,本设计将ESP8266芯片配置为softAP模式来实现无线数据传输.
通过配置热点名称、加密方式、密钥、以及开放的IP地址和网络端口号,完成WiFi模块的初始化[22].STM32F103VET6核心控制芯片通过对与WiFi模块相连接的串口通道进行循环监听,读取接收到上位机发送过来的命令语句,执行相应的操作.传感器测得的相关数据参数,通过对应的串口通道由WiFi热点发送至上位机并实时显示[23].
4 结束语
本文的设计是基于STM32F103VET6芯片、WiFi通信、模糊PID控制算法等实现智能控制,以超声和调制中频电疗为能量载体的超声电导治疗仪.通过合理的设计,将超声和调制中频电疗融合到一台仪器中;WiFi模块是仪器传输数据的基础;采用模糊PID控制算法,实现超声换能器处于谐振工作状态.该仪器既能在医院作为专业的治疗设备,也可以用作家庭理疗设备.在接下来的研究中,将以该智能超声电导治疗仪作为基础设备,收集用户相关信息和理疗参数,以及用户治疗的效果反馈信息,实现智能化和个性化的治疗.
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控制系统引用文献:
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