小型低頻超聲治療儀的設計

柯常青

鄖西縣人民醫院，湖北 十堰 442600

小型低頻超聲治療儀的設計

柯常青

鄖西縣人民醫院，湖北 十堰 442600

目的 本課題設計的低頻超聲治療儀主要是用于對軟骨損傷的治療。利用超聲波的機械效應、熱效應、理化效應等生物物理特性促進骨蛋白多糖和Ⅱ型膠原的合成從而加速軟骨損傷的愈合。方法主要技術路線為：先用一個12 V變壓器將220V的交流電變成12 V的交流電，再用全波橋式整流電路、濾波電路及穩壓電路把12 V交流電變成穩定的12 V的直流電，然后由振蕩電路產生0.8 MHz、1 MHz、1.2 MHz這三種頻率，最后經過一個0.8 MHz到1.2 MHz的帶通濾波電路輸出給換能器。結果根據以上原理，本課題設計出一個有0.8 MHz、1 MHz、1.2 MHz三種頻率可以選擇，并有0～60min的定時范圍的小型低頻超聲治療儀。

低頻超聲波；超聲治療儀；骨折；關節軟骨

1 研究內容和意義

由于超聲波特殊的物理特性，可以通過與人體的各種組織相互作用產生一定的生理效應。但是高強度的超聲會破碎細胞，使酶失活，而低強度的超聲在組織中穿透力強，相同聲壓下進入組織更深，可以促進細胞生長，增加酶活性[1]。低頻超聲治療骨關節炎可明顯減輕關節局部的癥狀，緩解關節腫脹，增加關節的活動度，減輕關節炎癥，療效優于單用口服藥物和單純低頻超聲治療，二者可能有協同作用[2]。

超聲波治療具有方向性強，能量集中，穿透力強的三大特點，所運用的聲波能量是純粹的機械波，絕無任何輻射。本文按照超聲波產生的原理，利用較簡單的元件，以較低的成本設計出一個有0.8 MHz、1 MHz、1.2 MHz三種頻率可以選擇，并有0～60min的定時范圍的小型低頻脈沖超聲治療儀。

本設計利用超聲波的機械效應、熱效應、理化效應等生物物理特性，可促進受傷關節軟骨的愈合，為臨床上治療關節軟骨損傷提供有效的治療方法[3-5]。

2 系統功能電路設計

2.1 設計總思路

本次設計的思路為：先用一個12 V變壓器將220V的交流電變成12 V的交流電，再用全橋式整流電路、濾波電路、穩壓電路進行整流、濾波、穩壓，把12 V交流電變成穩定的12 V的直流電。然后用振蕩電路產生0.8 MHz、1 MHz、1.2 MHz這三種頻率，然后經過一個800K～1200K的帶通濾波電路輸出給換能器。此外，還有電源開關、保險絲、定時器、塑料外殼等組成整體[6]。根據以上原理來設計出一個有0.8 MHz、1 MHz、1.2 MHz三種頻率可以選擇并有0～60min的定時范圍的小型低頻超聲治療儀。

2.2 各個功能模塊

2.2.1 電源模塊

直流電源由電源變壓器、整流、濾波和穩壓電路四部分組成，如圖1。

圖1 直流電源的組成部分

2.2.1.1 單相橋式整流電路

單相橋式整流電路的組成，如圖2所示。負載上和整流二極管上的電壓和電流分析。負載電壓，負載電流，極管的平均電流，二極管承受反向峰值電壓V，優點：輸出電壓高，紋波小，VRM較低，應用廣泛。

圖2 單相橋式整流電路的組成

2.2.1.2 LC濾波電路

LC濾波又稱為倒L型濾波，它由一只電容和一只電感組成。它比單個的L，C濾波效果更好，但在LC濾波電路中，如果電感L值太小，或負載電阻RL太大，都將呈現妯電容濾波的特性，反之則將呈現電感濾波的特性。

2.2.1.3 三端集成穩壓器穩壓電路

三端集成穩壓器穩壓電路如圖3所示。因為三端集成穩壓器電路內部實際上包括了串聯型直流穩壓電路的各個部分，另外還加上了保護電路和啟動電路，所以選用了較常用的W7800系列穩壓器。考慮到在濾波電路中要用到±5 V、在振蕩電路中要用到+12 V，所以本設計分別用了W7805、W7905和W7812來產生±5 V和12 V的直流電。

圖3 三端集成穩壓器穩壓電路

2.2.2 選擇器

圖4為頻率選擇開關。此選擇器有三個檔，分別對應0.8 MHz、1 MHz、1.2 MHz三個頻率。

圖4 頻率選擇開關

2.2.3 振蕩電路

振蕩電路是自動地將直流能量轉換為具有一定波形參數的交流信號的裝置。它也是一種能量轉換器，但它與放大電路的區別是不需要外加信號的激勵，其輸出信號的頻率、幅度和波形僅僅由電路本身的參數決定[7-8]。

采用LC諧振回路作為選頻網絡的振蕩電路稱為LC振蕩電路，如圖5所示。它主要用來產生高頻正弦振蕩信號，一般在1 MHz以上。根據反饋形式的不同，LC振蕩電路可分為變壓器反饋式和三點式振蕩電路[9]。

圖5 LC振蕩電路

2.2.4 濾波電路

因為這里的設計對濾波的要求不高，所以本設計采用了較簡單的一階高通濾波電路和一階低通濾波電路[10]。考慮到理論值與實際值的誤差，所以本設計允許通過700K果～如1 .3表 M1的所頻示率：。根據截止頻率的計算公式，結

表1 濾波電路頻率計算

2.2.4.1 一階有源低通濾波器(LPF)

一階低通濾波器的電路如圖6（a）所示，其幅頻特性見圖6（b），圖中虛線為理想的情況，實線為實際的情況。特點是電路簡單，阻帶衰減太慢，選擇性較差[11-12]。

圖6（a） 一階有源LPF 的電路圖

圖6（b） 一階有源LPF電路的幅頻特性曲線

此次設計的一階低通濾波電路，如圖7所示。

圖7 1300kHz一階低通濾波電路

2.2.4.2 一階高通濾波器

所謂高通濾波器（HPS：high pass filter）是允許高頻信號通過，而不允許低頻信號通過的濾波器。此次設計的一階高通濾波電路，如圖8所示。

圖8 700kHz一階高通濾波電路

2.3 系統總電路

綜合以上電源模塊、振蕩電路模塊及濾波電路模塊的電路結構，對所有模塊進行整合并由prptues軟件設計仿真得到了系統總電路原理圖，如圖9所示。

圖9 系統電路原理圖

3 總結與體會

此次設計的小型超聲治療儀只有0.8 MHz、1 MHz、1.2 MHz三種頻率可以選擇，且在硬件調試的過程因沒有理想的電容、電阻，帶來了一系列誤差從而導致成品沒有設計中的精確，并且沒有完成定時器定時以及芯片的智能化控制。未來可以通過添加控制模塊、屏幕顯示、集成芯片來實現更加精準的定時功能。

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勘誤聲明

本刊13年12期第115～116頁臨床工程欄目“可滑動式分指板的研制”一文通訊作者為：沈紅衛，神經內科主治醫師。

Design of Small Low-Frequency Ultrasound Therapeutic Device

KE Chang-qing
Yunxi County People’s Hospital, Shiyan Hubei 442600, China

Objective This paper introduces the design of small low-frequency ultrasound therapeutic device, which is used for the treatment of cartilage damage. Based on the mechanical effects, thermal effects, physical and chemical effects of ultrasonics, this device can promote the synthesis of bone proteoglycans and collagen Ⅱ to accelerate the healing of cartilage damage.MethodsFirstly, converted 220VAC to 12 VAC by using a 12 V transformer, then converted 12 VAC to 12VDC by using full-wave bridge rectif i er circuit, fi lter circuit and regulator circuit.0.8 MHz, 1 MHz, 1.2 MHz oscillation circuits were generated and transferred to a transducer by a0.8 MHz～1.2 MHz band-pass fi lter.ResultsA kind of small low-frequency ultrasound therapeutic device, which has0.8 MHz, 1 MHz, 1.2 MHz frequencies and regular range of0～ 60min, was designed.

low-frequency ultrasound; ultrasound therapeutic device; fracture; articular cartilage

R197.39；TH789

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.01.044

1674-1633(2014)01-0126-03

2013-10-12

作者郵箱：32659146@qq.com