高强度聚焦超声治疗的水处理系统设计*

闫文超，邹　超，张志伟，文剑洪，帖长军，霍慧欣

(1.中北大学 信息与通信工程学院，山西 太原 030051；2.中国科学院深圳先进技术研究院，广东 深圳 518055)

高强度聚焦超声治疗的水处理系统设计*

闫文超1，2，邹超2，张志伟1，文剑洪2，帖长军2，霍慧欣2

(1.中北大学 信息与通信工程学院，山西 太原 030051；2.中国科学院深圳先进技术研究院，广东 深圳 518055)

高强度聚焦超声（High Intensity Focused Ultrasound，HIFU）治疗中介质水的纯净度和含气量关系到聚焦超声能量传播效率。本文采用了多级滤芯、多个RO膜并联以及脱气膜方式进行纯净脱气水的制备，既保证了出水流量速度和质量，又使得系统体积没有明显增加。系统采用PIC18f46k22单片机搭建外围电路对系统进行控制，配合流量计实现了入水和出水流量的精确控制。触摸串口屏提供了人机交互界面，上位机基于Qt操控界面实现了远程操作功能，实现了设备自动化。通过测试鉴定该水处理系统制备的水满足HIFU用水的标准，为高强度聚焦超声的应用提供了可靠的介质环境，在聚焦超声治疗领域有着非常广阔的应用前景。

水处理；高强度聚焦超声；流量控制

0　引言

高强度聚焦超声（High Intensity Focused Ultrasound，HIFU）治疗中，由于空气和人体组织声阻抗具有较大的差异，因此需要通过介质水耦合到靶向组织以实现超声波的有效传播。同时为了避免不可控的空化效应以及水中杂质对超声波的反射，必须将水中的气泡、颗粒杂质以及离子去除。国家标准YY0592-2005中要求HIFU用水含氧量<4 mg/L，IEC62127标准中要求超声用水电导率<=5μS/cm。此外，HIFU治疗中介质水还起到散热降温作用。现有的HIFU水处理设备多采用真空泵脱气等方法，其体积较大，出水效率低，且不能定量地控制治疗水箱中的水量，不能满足快速循环用水的制备需求[1]。本文设计的高强度聚焦超声治疗水处理系统采用循环脱气方式，对水路压力、流速实时监测，实现了聚焦超声用水的脱气、去离子和流量的控制。整个循环水路各个部分有电磁阀控制，并具有良好的密封性，保证水质量达到预期的效果，系统各部分状态通过ARM实时传输至上位机，可达到实时监控的效果。

水处理系统分为3个部分：水净化处理部分、水脱气处理部分和流量控制部分。总体设计如图1所示。水净化处理部分主要去除水中的颗粒杂质、氯气、细菌以及离子等。水脱气部分用于去除水中溶解的氧气等气体。流量控制选用Microchip公司的单片机 PIC18f46k22为核心控制芯片，通过编写控制系统主程序，实现触摸串口屏控制和动态检测水量、水压和制水速度等，同时在Qt软件环境下编写了上位机界面，对单片机实现了多种方法控制，使操作变得灵活。

图1　水处理系统水路连接图

1　水处理系统水路连接设计

水净化处理部分主要去除水中的颗粒杂质、氯气、细菌以及离子等。如图1所示，预置滤芯1-5分别装有1μm聚丙烯(polypropylene，pp)棉、颗粒活性炭、结型活性炭、软水树脂、1μm pp棉等预过滤处理装置。pp棉用于滤除颗粒杂质，活性炭用于滤除自来水中的氯气，软水树脂用于去除水中的钙镁等阳离子，防止结垢。预制过滤部分主要功能是保护水脱气RO膜。混合离子交换柱装有阳离子和阴离子交换树脂，进一步去除水中的离子。后置活性炭过滤滤芯进一步过滤水中杂质，更加彻底地吸附水中的异色、异味，同时抑制水中细菌再生。

水脱气部分用于去除水中溶解的氧气等气体。真空泵用于抽除脱气膜中的气体，提供脱气膜工作所需的真空环境。脱气膜装置用于增大气液接触的表面积，提高脱气效率。压力桶用于缓存制备的HIFU用水，可以提供一定的压力以完成向聚焦超声水箱的进水操作，同时压力桶的结构可确保所制备的水与空气隔离。

流量控制部分用于控制聚焦超声水箱中入水和出水的体积和速度，通过流量计计算出入水体积。

2　系统硬件设计

硬件控制系统主要由上位机PC监控部分、PIC18f4-6k22主控板部分组成[2-3]。主控系统以 PIC18f46k22控制器为核心，外围硬件连接时钟计时电路、带光电隔离电磁阀驱动电路、固态继电器驱动电路、流量计、真空压力传感器、RO膜压力传感器、高压开关、触摸串口屏和电源模块。以PIC18f46k22为主控板，通过RS232串口与 7寸触摸串口屏连接，触摸屏按固定的帧格式动态地与单片机信息交互；同时扩展另一路RS232串口通过ARM与上位机PC连接，上位机PC基于Qt软件编写操控界面，通过ARM与单片机信息交互。该系统既可以通过触摸屏现场操控水处理系统，又可通过PC远程操控，系统硬件设计如图2所示。

图2　硬件系统设计

2.1电源控制电路

单片机采用直流 24 V模块电源供电，需要将24 V转换为12 V直流供触摸串口屏，5 V直流供单片机。电源转换电路采用TPS5410芯片和ML2940CT芯片，分别转换为直流12 V和5 V。

2.2电磁阀驱动电路

采用光电隔离芯片 LTP521、MOS管 STF19NF20开关，能安全稳定地提供直流电压、打开和关闭电磁阀，且开关切换过程由于电路具有光电隔离特性，使得电路系统稳定地切换。

2.3固态继电器驱动电路

固态继电器和增压泵、脱气泵相连，在常态下，固态继电器处于关闭状态，当打开驱动增压泵固态继电器时，外接24 V模块电源提供24 V电压驱动增压泵工作。打开驱动脱气泵固态继电器时，外接220 V交流电直接供给脱气泵工作。

2.4时钟计时电路

时钟芯片通过IIC与单片机连接，时钟线 IIC_SCL、时钟应答线IIC_SDA，通过锂电池给时钟芯片供电。时钟电路能校准时钟，并且PIC控制电路实现了实时检测电池电压功能。

3　系统软件设计

系统软件采用模块化的设计，将各个功能进行分解，便于移植。水处理系统的软件设计主要由上位机基于Qt软件操控界面设计和主控板 PIC控制部分组成[4-6]。在控制板的主程序中，将各个功能模块化，其中包括时钟计时模块、中断模块、流量控制模块、触摸串口屏模块和远程PC操控界面模块。在主程序开始时，软件配置PIC单片机基本设置，包括系统时钟、看门狗分频、电压低压检测参考标准电压、关闭写保护、打开在线调试模式功能等。初始化过程包括系统时钟、定时器、IO端口、(uart)串口和端口中断的初始化，并使能中断优先级，时钟芯片初始化并获得时间。紧接着单片机向串口屏发送固定格式的指令，使触摸屏进入主控界面。接下来系统进入循环，通过扫描各个中断标志位的变化，实时响应串口屏、上位机命令和各类传感器的中断请求，显示水处理设备状态，并将信息上传到串口触摸屏，动态交互。水处理系统通过定时器配合流量计动态显示出入、循环水量，既可以定量控制出入水量，又可连续出入水[5-6]。各个传感器实时显示水路的状态，当出现异常时，控制系统自动处理异常，并实时动态地更新到触摸串口屏和上位机操控系统[7]。串口屏或者上位机可以发送消息来控制进出水电磁阀的打开、关断，电磁阀和传感器的状态也会实时更新到触摸串口屏和上位机操控系统。PIC控制程序如图3。

图3　PIC控制程序流程图

通过配置串口触摸屏的配置文件和单片机动态信息交互，系统开机初始化之后串口屏主控界面如图4所示。

图4　触摸串口屏主控界面

4　上位机控制界面设计

水处理系统主控板与上位机通过ARM相连。主控板通过RS232接口与ARM相连，同时ARM与上位机通过以太网接口相连。上位机控制界面是由软件Qt编写，基于 TCP/IP的 socket编程，依据触摸屏与主控板的交互模式和现有的数据帧格式，自定义以太网、串口解析协议。上位机软件根据现有的框架进行合理科学的布局，形成一个美观的仪表界面。上位机实现和触摸屏类似的功能，可以发出控制命令给单片机主控板，主控板将水处理系统实时工作状态反馈给上位机，实现水处理系统的远程操控和状态监测[8]。上位机界面如图5所示。

图5　上位机控制界面

5　测试

水处理系统出水的含氧量和电导率是鉴定是否满足HIFU用水的两个重要指标。

水处理系统开机5分钟之后采样1.5 L水，送至深圳市计量质量检测研究院进行检验。含氧量测试依据HJ 506-2009标准，电导率测试依据GB/T 6682-2008标准，测试结果如图6所示，系统出水的含氧量是3.3 mg/L，电导率为0.7μS/cm，满足HIFU用水的指标。

图6　含氧量和导电率测试结果

6　结论

本文介绍了水净化和脱气设备的水路连接设计，基于PIC18f46k22控制主板进行硬件和软件设计，基于Qt上位机界面设计，并配合触摸串口屏具体说明了工作流程。该设备体积小，操作简单，出水速度快，实现了高强度聚焦超声治疗系统水处理设备的自动化、小型化和智能化。经测试该设备制备水的含氧量、电导率指标满足HIFU用水的条件，高强度聚焦超声治疗的水处理设备在聚焦超声治疗领域将得到更广泛的应用。

[1]王晶.高强度聚焦超声治疗设备的水处理系统[D].北京：北京交通大学，2008.

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The design of water treatment system of high-intensity focused ultrasound

Yan Wenchao1，2，Zou Chao2，Zhang Zhiwei1，Wen Jianhong2，Tie Changjun2，Huo Huixin2
(1.Dapartment of Information and Communication Engineering,North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Shenzhen Institutes of Advanced Technology，Chinese Academy Sciences，Shenzhen 518055，China)

The transmission efficiency of ultrasound energy is highly concerned with the purity and air dissolution of the medium water in high intensity focused ultrasound(HIFU)therapy.A water treatment system based on a series of cascade filters and parallel RO membrane is introduced to purify and degas the water for HIFU in this paper.The system ensures the water preparation efficiency and quality without increasing the volume of equipment.Besides,PIC18f46k22 microcomputer and peripheral circuit is adopted to realize the accurate control of water preparation procedure and flow control by cooperating with a flowmeter.The control system is connected to a touch screen with serial port interface to provide human-computer interaction.Remote manipulation from PC is also implemented based on Qt.Water output from the system is testified to meet the requirements of HIFU water standards.In conclusion,the system provides reliable purified and degassed water of HIFU,which has a promising potential in focused ultrasound applications.

water treatment；HIFU；flow control

TH89；TP29

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.01.008

国家自然科学基金（81327801）

（2015-08-14）

闫文超（1989-），通信作者，男，硕士研究生，主要研究方向：通信、嵌入式控制，E-mail：ywchaozzf@163.com。

邹超（1983-），男，博士，高级工程师，主要研究方向：磁共振脉冲序列设计、磁共振图像引导治疗技术。

张志伟（1964-），男，博士，教授，主要研究方向：光电探测理论与技术、自动化仪器与仪表。

中文引用格式：闫文超，邹超，张志伟，等.高强度聚焦超声治疗的水处理系统设计[J].电子技术应用，2016，42(1)：34-36，43.

英文引用格式：Yan Wenchao，Zou Chao，Zhang Zhiwei，et al.The design of water treatment system of high-intensity focused ultrasound[J].Application of Electronic Technique，2016，42(1)：34-36，43.