超声热疗仪计算机温控系统的设计

　　1　超声热疗仪的工作原理

　　多元阵超声治癌热疗仪是一种集医学、超声物理学、生物工程学、电子学、计算机应用科学等新技术于一体的大型医学仪器,能治疗不同深度、不同部位、不同大小的人体肿瘤。其工作原理如图1所示。医生通过人机对话输入热疗的控制参数,启动设备运行,高频信号经功率放大后驱动超声换能器阵列,形成强功率超声束,它进入人体的病灶区后,使病灶及其邻近的组织温度升高到预定温度。癌瘤部位的温度由温度传感器实时测出,计算机根据测得的温度信号控制热疗系统的输出功率,使癌瘤部位的温度稳定在预定数值上。

　　2　超声热疗仪的温控系统

　　为提高集成度,温度控制系统做成一微机内置接口卡,主要由多点温度检测电路、功率控制电路及计算机接口电路组成,其结构框图如图2所示。

　　2.1　多点温度检测电路

　　多点温度检测电路实时采集病灶区的7点温度信号。测温用温度传感器为特制的铜-康铜热电偶传感器,它体积小,能深入病灶区测量不同部位的温度。根据系统具体要求,将参比端温度设为环境温度,用室温传感器测出环境温度并在软件中对热电偶加以温度补偿.

　　各热电偶传感器输出的温度信号,通过多路模拟开关CD4051,再经由OP-07组成的高精度放大器放大,送至高速A/D转换器ADS574;由温度传感器AD590和OP-07组成的环境温度补偿电路,将测得的室温信号也送至ADS574。ADS574输出信号经8255接口芯片输入计算机。计算机顺序采集各路传感器信号,经温度补偿算法算出病灶实际温度,通过控制算法,实时调节热疗仪输出的超声功率。

　　2.2　功率控制信号发生电路

　　该部分以可编程计数器8253为核心。用一个方波发生电路产生2MHz高频脉冲信号,经4040分频,作为8253的计数脉冲和门控信号,计算机根据温度控制算法,设置8253的计数初值以产生不同占空比(0~100%)的方波信号,此信号接至各路功率放大电路,控制其工作的通断时间比,从而对超声换能器阵列的输出功率进行调节。8253输出端都接光电隔离,防止来自功放和电源的干扰信号影响微机系统的正常工作。功率控制过程既可由计算机自动完成,亦可手调干预。

　　2.3　温度控制算法

　　人体正常温度约为36.5℃,当治疗温度设定为41~45℃时,正常组织借助良好的血液循环进行降温,使其维持在可以忍受的温度范围内;而肿瘤细胞会因肿瘤血管结构紊乱粗糙、血管神经感受器不健全、对温度的反应性差而造成散热不良,产生热量积聚,其温度往往高于邻近正常组织3~7℃,最终失去生理机能。但当温度稍高时,正常组织也会发生不可逆转的病理性损伤,且温度的微小差异对细胞的生存率影响很大,因此准确地测量和控制温度是超声热疗系统中的一个关键问题。理想的治疗温度曲线如图3所示,上升时间t越小越好,设定温度m越稳定越好。