脉搏波反馈控制的超声理疗系统设计

冉鹏，罗杨，李章勇，王伟

（重庆邮电大学生物信息学院，重庆40065）

引言

但是一些超声波治疗仪在使用过程中任然存在一些缺点，例如会出现谐振频率不稳定，甚至因频漂而停止工作的现象，由于这种种原因使得治疗仪的使用寿命大大降低了。另外，由于不同人其体质、病因及耐受力皆有所不同，因此所用的超声波剂量，即声强和使用时间不同，但大部分治疗仪其功率是不可调的，限定了治疗仪使用范围[2]。且由于在心跳动时，人体细胞比较活跃，细胞间相对有很强烈的能量交换，而此时正是超声治疗的最佳时刻[3～5]。本文就是基于此设计的一种由患者自身生理来自动控制和调节超声功率的理疗系统，它可以实现谐振频率稳定和功率可控。

1 系统设计

本系统为了实现输出的超声脉冲与人体心跳同步，且超声剌激与人体的生理节律相一致的目的，并实现能够对超声理疗的输出量、治疗方式及时间进行精确可靠的控制，设计的系统如图1所示，共有以下几个模块。

图1系统原理框图Fig.1The system principle diagram

信号采集部分包括血压和脉搏信号采集两个模块。血压信号采集一般有两种测量方式，无创血压测量以及有创血压测量[6]。在这里，我们采用可以连续24小时监测血压的手表式血压计。在采集到电压信号后，通过蓝牙把高、低血压值输送给单片机，单片机计算出其均值，并将其均值作为控制超声功率输出的参数。脉搏通常是用脉搏传感器来采集的，在本系统中，我们选择利用红外脉搏传感器来采集，其工作原理是利用特定波长红外线对血管末端血液微循环产生的血液容积的变化的敏感特性，检测由于心脏的跳动所引起的指尖的血液变化，再经过对信号进行放大、调整等方面的电路处理，输出同步于脉搏跳动的脉冲信号，从而计算出脉率，以及输出反映指尖血容积变化的完整的脉搏波电压信号。最后，通过蓝牙将采集到的脉搏信号传送到单片机进行处理。本系统利用人体的血压信号作为控制超声输出功率的参数，并能够根据人体自身的身理状况来调整超声波的输出功率，基于这些优点，超声治疗地应用范围变得更加广阔，其治疗效果也越为显著。

在本系统中的设计中，反馈是通过功率进行的。单片机通过蓝牙接收端获得患者高低血压的平均值BP（单位为mmHg），并根据超声换能器的功率转换率α计算超声输出功率Pi（单位为W）：

式（1）中：Q代表每次心跳的血流量，N代表一分钟内的脉搏跳动次数；K为调整的功率系数，由于不同人的体质不一样，同一人的不同患病部位承受的声强也不一样，不仅通过人的自身血压控制声强，也可以通过系数K人为实现对不同患病部位所需声强大小的控制。Q和K都通过键盘直接输入。

可以利用高频功率发生器模块来设定治疗的时间和功率，并通过单片机对其实施控制。通过驱动电路推动功率放大管工作，提高它的输出功率与效率，阻抗匹配网络中的超声换能器的宽带阻抗匹配的实现则是通过采用传输线变压器完成的。反馈回路即频率监控模块，用于对频率实时监控，通过电压、电流采样和相位检测电路，将采样得到发射器输出端电压和电流信号并送到相位检测电路，如果电压和电流是同相的，则说明脉宽信号的占空比占50%，若不同相，脉宽信号的占空比小于50%，根据A信号的占空比大小，把检测结果传到单片机，单片机通过模糊运算产生发射频率增减量,最后通过SPI（Serial Peripheral Interface）接口将数字频率信号写入 DDS（Direct Digital Synthesizer）数控频率源模块的频率寄存器，对频率进行实时的高精度控制。

2 系统硬件设计

2.1 模块组成

本系统所设计的装置主要包括一以下六大模块：系统控制模块、DDS数控频率源模块、脉搏血压采集和处理模块、阀门模块、高频功率发生器模块、超声换能器和频率监控模块，如图2所示。

③工程类别各异。入海水道工程类别多，特点各异，主要包括:河道工程、枢纽控制工程、穿堤建筑物、桥梁工程、渠北排灌处理工程、调度河、堆土区以及水文、通信、照明、观测等工程设施。

图2系统的结构框图Fig.2The structure of the system diagram

系统控制模块的作用是控制和调节其他各个模块，并存储实时信息；DDS 数控频率源模块用于产生超声频方波信号；脉搏血压采集和处理模块，测量人体的高低血压并将其均值作为控制超声输出功率的参数；再采集脉搏信号，并对该脉搏信号进行处理后产生与脉搏同步的TTL（Bipolar Junction Transistor）电平的控制信号；阀门模块，用于实现控制信号触发超声频方波信号并输入到高频功率发生器模块中；高频功率发生器模块，是将超声频方波信号转换成可以与超声换能器相匹配的高频交流电信号；超声换能器，将高频功率发生器模块输出的电能转换成声能，并作用于患者病发处[7]；频率监控模块用于检测高频交流电信号的频率是否谐振在超声换能器的工作频率上，并将检测信息反馈到系统控制模块；保护电路模块包括两种电路，温度检测电路和报警电路，其中温度检测电路用于检测超声换能器的温度。

2.2 功率监控模块

利用高频功率发生器模块，可设定治疗的时间和功率，并通过单片机对其实施控制。通过驱动电路推动功率放大管工作，提高它的输出功率与效率，阻抗匹配网络中的超声换能器的宽带阻抗匹配的实现则是通过采用传输线变压器完成的。反馈回路即频率监控模块，用于对频率实时监控。如图3所示。

图3频率反馈控制框图Fig.3Frequency feedback control block diagram

频率监控模块包括电压采样电路、电流采样电路和相位检测电路，将采样得到高频功率发生器模块输出端电压和电流信号并送到相位检测电路，然后把检测结果传送到单片机，单片机通过模糊运算产生发射器频率增量，最后通过SPI 接口将数字频率信号写入 DDS数控频率源模块的频率寄存器，对频率进行实时的高精度控制[7]。

2.3 DDS 数控频率源模块

DDS数控频率源模块是由相位累加器、正弦查找表、DA（Digital to Analog）转换器、以及低通滤波器等组成的[8]。对于每来一个时钟脉冲来说，N位加法器将频率控制字K与N位累加寄存器所输出的累加相位数据相加，并把相加后的结果传送到累加寄存器的输入端。累加寄存器一方面将在上一时钟周期作用下所产生的新的相位数据反馈到加法器的输入端，是的加法器在下一时钟周期继续与频率控制字K相加；另一方面将这个值送入幅度/相位转换电路，它可以作为取样地址使用，幅度/相位转换电路则可以根据这个地址输出相对应的波形数据。最后经数模转换器和低通滤波器将波形数据转换成所需要的模拟波形。

在K为1的情况下，相位需要满足如下式所示的关系

公式5满足Nyquist采样定理，fr>2f0。

在时钟频率给定后，频率控制字决定了输出信号的频率的大小，累加器位数决定了频率分辨率的大小，ROM的地址线位数决定了相位分辨率的大小，而ROM的数据位字长和D/A转换器位数则决定了幅度量化噪声。

3 系统性能评估

3.1 脉搏采集

在本系统中，脉搏采集模块是数据采集的基础，它主要用于为智能控制提供参数以便用于判断的。它包括血压计、脉搏传感器、放大器、滤波器、数字处理器和蓝牙输出端。血压计测量出人体的高低血压值，脉搏传感器获取人体的脉搏信息并经放大、滤波和数字处理后成为与脉搏同步的控制信号。正常人的脉搏频率约为每分钟 60～100次， 而心律不齐的人其脉搏频率则有明显变化，主要有三种表现，心律过快、过缓或时快时慢。 由此，以1分钟为总采集时间，以60～100为限定阀值，观察其检测结果便可了判定是否心律不齐，并且可保存数据为txt格式[9,10]。

脉搏波由升支和降支组成，图形表现为三峰波。升支和降支组成主波，上面的切迹为降中峡，主波和降中峡之间出现的重搏前波为潮波，紧邻降中峡出现的重搏波为降中波，脉搏波图主要就是由这几个波和峡构成。

利用脉搏采集设备获取脉搏信号，之后对其进行滤波处理、放大处理和 A/D 转换，完成后就成为便于客观化分析的脉搏信号。但此时我们首先需要对其进行预处理，因为人体是在不断的呼吸和移动过程中的，在此过程中存在基线漂移，同时由于电磁干扰还存在伪峰和高频噪声。图4是从受试者身上得到的脉搏波信号。

没有处理过的脉搏波信号还有强烈的干扰，脉搏信号中的主要干扰包括以下几点：信号采集过程中产生的高频噪声、伪峰、基线漂移等。所以需要处理还原信号，基于以上几点，在这里，我们采用的是小波变换滤波法。因为小波变换的时频分析特性较好，而且处理非平稳随机信号的能力也较强。信号还原之后，再对其进行归一化处理，图5所示就是脉搏信号经过处理之后的波形。

3.2 调制脉搏波

首先，我们用选择一个载波信号，因为正弦波是频率成分最为单一，而其他任何复杂的信号都可以分解成多个不同频率、不同大小的正弦波，也就是说可以看成是有多个正弦波复合得到的，所以我们在这里选择正弦波作为载波信号，并令它为f(t)。

再运用算法把载波信号调制到处理后的脉搏波信号上，设调制后的波形为F(t)，脉搏波为m(t)，调制方法如式（6）：

经过一系列的处理后。最终可以得到调制后的脉搏波信号，波形如图6所示。

通过该调制，一方面控制输出幅值在强度适中的范围内，另一方面通过频率选取使超声发射探头处于谐振频率点上，让输出信号更加稳定。而采用该信号对超声功率进行实时调节，能充分契合人体心血管搏动节律，在血流量增大的时刻同步加大输出功能，促进新陈代谢。

4 总结

通过对结果的验证，该系统能够通过脉搏波的实时采集，并脉搏调制信号触发超声波发射，实现超声声学效应与人体心血管系统共振，使超声剌激与人体的生理节律相一致，增加超声波的治疗效益，也能使患者在康复过程中更加舒适。

该系统可精确控制超声波治疗仪的输出量、治疗方式及时间进行，使之更加智能化、小型化，在临床治疗中也更加安全、有效，同时达到更佳的治疗效果，基于这一思路的相关技术和应用还有较大的扩展空间和应用前景。

图4原始脉搏波波形Fig.4The original pulse waveform

图5滤波后的脉搏波波形Fig.5Pulse waveform after fi lterin

图6调制后的脉搏波波形Fig.6Pulse wave after modulated

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