智能超聲電導治療儀控制系統的設計

王鑫 王云光 程海憑 張祖昊

摘 ?要： 超聲和中頻電療都能對人體產生治療作用，智能超聲電導治療儀將超聲和調制中頻電療融合到一臺儀器上，兩種治療方式的協同作用能夠有更好的治療效果。根據透皮給藥理論，該儀器又可以促進藥物透過皮膚進入體內而發揮局部和全身治療作用。智能超聲電導治療儀控制系統采用STM32F103VET6主控芯片，通過模糊PID控制使超聲換能器處于諧振狀態。該儀器既能使用下位機控制，也可以用WiFi無線操控，具有使用簡便、智能顯示和無線數據傳輸等特點。

關鍵詞： 超聲電導治療儀; 模糊PID控制; WiFi傳輸; 智能化

中圖分類號：TP319 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ?文章編號：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 slave computer or wirelessly controller over WiFi， it features easy to use， intelligent display and wireless data transmission.

Key words： ultrasonic conductometric therapy instrument; fuzzy PID control; WiFi transmission; intelligent

0 引言

隨著社會生活節奏的加快，慢性病患者看病難問題日趨嚴重，社區醫療和家庭治療成為慢性病患者主流選擇[1]。現代醫療已經融入了智能控制、傳感、無線網絡等高科技，適用于醫院又適用于家庭和個人的小型治療系統正在逐漸改善我們的健康狀況和生活質量。

調查發現，國內市場上的超聲電導治療儀存在體積大、功能單一、智能化程度低、缺乏數據傳輸功能等缺點。大量資料證明，超聲電導治療儀具有良好的治療效果，例如治療肌肉關節疾病所致的慢性疼痛[3]、急性腰椎間盤突出[4]、結合中藥外用治療癌性疼痛等[5]。在精簡體積、完善功能、提高安全性的基礎上，開發智能化、多功能的超聲電導治療儀成為該領域發展的新方向。

針對上述問題進行本設計，智能超聲電導治療儀以STM32F103VET6微控制器為控制核心，采用超聲和調制中頻電刺激兩種治療方式，可單獨或者協同作用于常規理療和透皮給藥。其適用于兒科、骨傷科、婦產科及內科等。

1 超聲電導治療儀治療原理

超聲波是指頻率高于20kHz的機械振動波，其方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能，將超聲波作用于人體以達到治療目的方法稱超聲波療法[6]。超聲波具有機械效應，可增強細胞內物質運動，促進新陳代謝和血液循環;超聲波具有熱效應，可加強局部組織酶的代謝活性，緩解肌肉痙攣，提高疼痛閥值;而超聲波的空化作用，可使皮膚角質脂質結構排列的有序性降低，從而促進局部代謝[7]。目前超聲治療采用較低頻率，一般為0.8～1.2MHz;而超聲診斷頻率較高，常用2.5～7.5MHz，淺表器官用10MHz以上，超聲顯微鏡等己用至 50MHz至數百MHz[8]。

醫學上把頻率1kHz以下的脈沖電稱作低頻電，其主要作用于骨骼肌和組織深部;把1k～100kHz的脈沖電稱為中頻電，其主要作用于表淺組織和神經肌肉組織[9]。中頻和低頻電療法是運用刺激電流使機體產生神經反應的治療方法。低頻調制的中頻電與低頻電的作用相仿，且較低頻電流更為優越，常用于鍛煉骨骼肌;對皮膚感覺神經末梢的刺激小、無電解作用，有利于長期治療;電流進入深度大，對深部病變效果好[10]。

超聲和電療引起皮膚表皮微振動和電位差，增加局部藥物分子的總動能，使藥物易于透入細胞間隙，可有效解決外治藥物難以透過皮膚屏障的問題[11]。透皮給藥廣泛應用于臨床，相對于口服、靜脈或腸道等方式，有著顯著的優勢，有效避免藥物在肝臟的“首過效應”和胃腸道的降解破壞，無血藥濃度的峰谷變化，減少個體差異和毒副作用等優點[12-13]。

2 控制系統硬件總體方案設計

智能超聲電導治療儀是一款多功能的治療儀器，它主要包括上位機、微處理器、中頻電模塊、超聲模塊、電源模塊、人機交互模塊、通訊模塊等組成儀器，如圖1所示。該儀器采用STM32F103VET6微處理器，通過WiFi網絡模塊與基于三星EXYNOS4412的上位機相連;具有超聲、中頻電刺激兩種功能，能同步、異步發生;傳感器模塊用于檢測儀器輸出和換能器溫度，保證儀器輸出準確性和安全性;采用LCD屏幕作為人機交互界面，儀器操控更加簡單、快捷。

2.1 微控制器

微處理器是整個系統的核心，本設計采用STM32F103VET6作為微處理器。它的工作頻率為72MHz，內置高達512K字節的閃存存儲器和64K字節的SRAM，80個GPIO端口和連接到兩條APB總線的外設。包含3個12位的ADC、4個通用16位定時器和2個PWM定時器，多達2個I2C接口、3個SPI接口、5個USART接口。具有性價比高、外設豐富、集成度高、功耗低、開發方便等優點。

2.2 超聲模塊設計

超聲模塊采用AD9834作為DDS芯片，其功耗低，是可編程的直接數字式頻率合成器。微處理器通過SPI控制AD9834產生頻率和相位可調的正弦波。半波逆變網絡功放模塊對信號放大、再通過串聯諧振網絡的諧振匹配使超聲換能器處于諧振狀態[14-15]。電信號激發超聲換能器中的壓電晶片，使其產生厚度方向的振動，向外輻射超聲波，改變間斷正弦波的占空比實現輸出功率的調節[15]。微處理器根據頻率跟蹤模塊采樣的電流、電壓相位差，調節DDS的輸出頻率[16]，使換能器工作在純電阻狀態，提高整機工作效率。超聲模塊工作電路設計框圖如圖2所示。

2.3 調制中頻電刺激模塊設計

TLC7528是雙路、8位數字的數模轉換器，微控制器單元基于時序脈沖控制TLC7528將數字信號轉換為模擬信號。設計時將DACA的輸出電壓VOUTA穩壓后作為VOUTB的參考電壓，最終輸出電壓的精度更小。通道A的參考電壓為VREFA、數字量為DA，通道B的數字量為DB，一級放大輸出的電壓VOUT如下：

VOUT =VOUTB =VREFA *DA /2n *DB /2n ? ⑴

輸出信號VOUT濾波后送至TDA2003功率放大器二次放大，放大后的信號經過環形磁芯變壓器升壓，最終輸送至電極片實現調制中頻電脈沖的輸出[17]，如圖3所示。

2.4 溫度傳感器模塊

設計中采用接觸式溫度傳感器DS18B20進行溫度測量。DS18B20是常用的數字溫度傳感器，在 -10～+85℃范圍內，精度為±0.5℃。DS18B20在與微處理器連接時僅需要一個GPIO接口即可實現微處理器與DS18B20的雙向通訊[18]。溫度傳感器置于超聲手柄內部測量超聲換能器的溫度，溫度過高停止工作，以防燙傷人體和損壞儀器。

3 控制系統軟件設計

該儀器的超聲模塊和中頻電刺激模塊可單獨使用或協同作用。當超聲換能器溫度正常、超聲換能器和電極貼片與人體貼合，儀器方能正常工作。整個程序的工作流程如圖4所示，關鍵模塊包括了溫度檢測、模糊PID控制、通信等模塊[19]。

3.1 模糊PID控制算法應用

超聲換能器在實際工作過程中，由于溫度、負載等變化，會導致換能器諧振頻率發生漂移。本設計中將換能器兩端電壓、電流信號相位差通過模糊PID控制算法處理后改變DDS頻率使超聲換能器處于諧振狀態[15]。

經典PID對一般控制過程有較好的控制效果和較強的適應性。但系統在不同誤差和誤差變化率下，經典PID不能自動修正比例調節系數Kp、積分調節系數Ki和微分調節系數Kd等參數，進一步提高控制精度變得困難。而模糊PID控制器可以離線控制系統的輸出響應，并求出系統的性能指標，同時用專家知識或者手動操作人員的長期積累的經驗建立規則庫，以相位差θ為作為觀測量，PID參數為控制量，作模糊推理并調整，使PID參數適應對象的變化，最終得到較好的控制效果[20]。

根據模糊推理機輸出變量的物理含義，可將模糊PID控制器分為增益調整型、直接控制量型和混合型[20]。本設計中采用混合型模糊PID控制器，當實際相位差|θ|已超過相位差閾值Φ時，采用模糊控制對PID參數控制進行調整，再采用傳統PID控制階段對其微調。此種控制比傳統PID控制響應更快、超調更小，而且比模糊控制的穩態精度更高[21]。其基本控制流程如圖5所示。

3.2 通信模塊

WiFi無線通信模塊采用ESP8266芯片，ESP8266是一個完整且自成體系的WiFi網絡解決方案，采用TCP/IP協議進行無線數據傳輸，支持三種工作模式，分別為softAP模式，station模式，softAP+station共存模式，本設計將ESP8266芯片配置為softAP模式來實現無線數據傳輸。

通過配置熱點名稱、加密方式、密鑰、以及開放的IP地址和網絡端口號，完成WiFi模塊的初始化[22]。STM32F103VET6核心控制芯片通過對與WiFi模塊相連接的串口通道進行循環監聽，讀取接收到上位機發送過來的命令語句，執行相應的操作。傳感器測得的相關數據參數，通過對應的串口通道由WiFi熱點發送至上位機并實時顯示[23]。

4 結束語

本文的設計是基于STM32F103VET6芯片、WiFi通信、模糊PID控制算法等實現智能控制，以超聲和調制中頻電療為能量載體的超聲電導治療儀。通過合理的設計，將超聲和調制中頻電療融合到一臺儀器中;WiFi模塊是儀器傳輸數據的基礎;采用模糊PID控制算法，實現超聲換能器處于諧振工作狀態。該儀器既能在醫院作為專業的治療設備，也可以用作家庭理療設備。在接下來的研究中，將以該智能超聲電導治療儀作為基礎設備，收集用戶相關信息和理療參數，以及用戶治療的效果反饋信息，實現智能化和個性化的治療。

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