基于ARM處理器的微波熱療儀系統(tǒng)設計

引言

　　隨著科學技術的發(fā)展，各種醫(yī)療設備相繼問世并得到廣泛應用。其中，微波治療[1][2]以其優(yōu)越的止血效果、微小的組織損傷等優(yōu)點，在醫(yī)療行業(yè)推廣應用了多年，其療效已得到醫(yī)務界的肯定。微波作用于機體組織時，它會引起組織細胞中離子、水分子和偶極子的高頻振蕩。當使用小劑量微波時，它會產生低熱效應，增強患者患處的血液循環(huán)，加快新陳代謝，增強免疫能力，因此能促進水腫吸收，消炎止痛;當使用大劑量微波時，它會產生高熱效應，使蛋白質變性、凝固、壞死，此時，微波具有“燒灼”、“切割”的作用。

　　微波治療儀是一種利用微波的生物學特性對各種疾病進行治療的醫(yī)療設備，它綜合了微波、傳感器、自動控制、計算機軟件和硬件等高科技技術。市場上的微波治療儀的控制系統(tǒng)多數(shù)采用單片機實現(xiàn)，普遍存在操作繁瑣、無圖形化操作界面、顯示不直觀的缺點。而采用PC機作為控制端的熱療儀又增大了設備的成本。這些因素都制約著該應用的迅速普及推廣。

　　由于ARM嵌入式技術能使控制系統(tǒng)小型化，并且開發(fā)出來的產品功能強大，成本低廉，具有較高的性價比。因此，我們根據(jù)微波熱療儀的市場需要，開發(fā)了一種新型的基于ARM嵌入式系統(tǒng)[3][4]、配置WINCE.NET操作系統(tǒng)[5]的微波熱療儀。本應用采用Embedded Visual C++工具[6]進行開發(fā)，該產品能實時監(jiān)測人體溫度，具有微波刀，消融針的功能。該系統(tǒng)具有控制集成度高，運行穩(wěn)定，操作方便以及直觀的圖形化界面顯示等特點。

1 硬件系統(tǒng)

　　1.1 硬件功能簡介

　　微波刀是一種將微波能量用來進行外科手術的微波手術刀。它由頻率為2000～10000 MHz，功率70～150 W連續(xù)可調的微波功率源，通過傳輸線與手術刀具相連組成。微波源產生的能量經傳輸線，沿手術刀具進入患者手術部位，實現(xiàn)手術目的。它具有止血效果好,刀口不碳化,滅菌,防止手術感染等特點，并且體積小,操作靈活。消融技術是使微波治療源經過人體自然腔道，準確定點的介入到人體的局部病變部位，自動精確的控制其治療功率、時間和治療范圍的技術。采用消融針能夠在不開腹的情況下對病癥進行有效治療，痛苦小。

　　本系統(tǒng)的微波發(fā)射器可外接微波刀和消融針，工作情況如下：

　　（1）微波刀：手術中微波刀在使用時，用戶通過人機交互界面控制微波刀的輸出功率，同時系統(tǒng)自動累計微波刀的運行時間，便于病歷記錄。

　?。?）消融針：消融針應用于熱療時，用戶可預先設置消融針運行功率、時間和警戒溫度，系統(tǒng)采用倒計時方式計算消融針運行時間，時間歸零后，系統(tǒng)自動切斷功率輸出。治療過程中，為了防止患者治療部位的溫度過高而造成組織損壞，系統(tǒng)還可以監(jiān)視患處的溫度變化情況，當檢測到的溫度高于警戒溫度時，系統(tǒng)自動調低消融針的輸出功率;當檢測到的溫度恢復正常后，系統(tǒng)恢復消融針的輸出功率為預先設置值。

　　1.2 硬件組成

　　整個硬件系統(tǒng)分為三大部分，即嵌入式系統(tǒng)模塊、溫度采集及控制模塊以及微波源。圖1是系統(tǒng)的硬件結構圖。

圖1 硬件系統(tǒng)結構圖

圖2 嵌入式系統(tǒng)模塊結構圖

　　1.2.1 嵌入式系統(tǒng)模塊

　　嵌入式系統(tǒng)模塊的結構如圖2所示，模塊采用三星公司的ARM9系列微處理器 S3C2410，其中包括64M的RAM和64M的Flash。嵌入式系統(tǒng)模塊外接一塊Sharp公司的10.4寸液晶顯示器，其分辨率為640×480，作為系統(tǒng)的人機交互平臺供用戶操作使用。

　　嵌入式系統(tǒng)模塊是整個系統(tǒng)的核心控制部分，它提供友好的人機交互界面供用戶設定功率、時間和警戒溫度等參數(shù)，然后通過串口與單片機通信以控制微波源的輸出功率，并在液晶顯示器上顯示實時的溫度曲線。

　　1.2.2 溫度采集及控制模塊

　　溫度采集及控制模塊由單片機和溫度采集電路組成：

　?。?） 單片機。單片機采用Silabs公司的C8051F005芯片，該芯片內嵌12位A/D和12位D/A轉換器。它通過A/D采集8路溫度信號并經串口發(fā)送到嵌入式系統(tǒng)模塊中，同時將嵌入式系統(tǒng)模塊傳來的功率值通過D/A轉換成電壓以驅動微波源。此外，考慮到實際應用的方便性，模塊外接一腳踏開關，這樣用戶可直接用腳踏開關控制微波輸出功率。