摘 要：介紹了一種基于ARM系列的微處理器S3C2410和WinCE嵌入式操作系統(tǒng)的微波熱療儀的控制系統(tǒng)，重點(diǎn)闡述了硬件組成、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及軟件設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)集采集、通信、控制、記錄等功能于一體，具有體積小、精度高、速度快、數(shù)據(jù)交換能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了熱療儀的智能控制。 關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng);串口通訊;WINCE;線程 Abstract: A control system of microwave instrument based on ARM microprocessor S3C2410 is introduced. The composing of hardware、architecture character and the design method of software are focused on. The system integrates signal collection、communications、controlling and recording functions, with many advantages such as small size、highly precision、high Speed and the strong ability of data exchange, implement the intelligent controlling of microwave instrument. Keywords: embedded system; serial communication; WINCE; thread 引言 　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種醫(yī)療設(shè)備相繼問(wèn)世并得到廣泛應(yīng)用。其中，微波治療[1][2]以其優(yōu)越的止血效果、微小的組織損傷等優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)療行業(yè)推廣應(yīng)用了多年，其療效已得到醫(yī)務(wù)界的肯定。微波作用于機(jī)體組織時(shí)，它會(huì)引起組織細(xì)胞中離子、水分子和偶極子的高頻振蕩。當(dāng)使用小劑量微波時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生低熱效應(yīng)，增強(qiáng)患者患處的血液循環(huán)，加快新陳代謝，增強(qiáng)免疫能力，因此能促進(jìn)水腫吸收，消炎止痛;當(dāng)使用大劑量微波時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生高熱效應(yīng)，使蛋白質(zhì)變性、凝固、壞死，此時(shí)，微波具有“燒灼”、“切割”的作用。 　　微波治療儀是一種利用微波的生物學(xué)特性對(duì)各種疾病進(jìn)行治療的醫(yī)療設(shè)備，它綜合了微波、傳感器、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)軟件和硬件等高科技技術(shù)。市場(chǎng)上的微波治療儀的控制系統(tǒng)多數(shù)采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，普遍存在操作繁瑣、無(wú)圖形化操作界面、顯示不直觀的缺點(diǎn)。而采用PC機(jī)作為控制端的熱療儀又增大了設(shè)備的成本。這些因素都制約著該應(yīng)用的迅速普及推廣。 　　由于ARM嵌入式技術(shù)能使控制系統(tǒng)小型化，并且開(kāi)發(fā)出來(lái)的產(chǎn)品功能強(qiáng)大，成本低廉，具有較高的性價(jià)比。因此，我們根據(jù)微波熱療儀的市場(chǎng)需要，開(kāi)發(fā)了一種新型的基于ARM嵌入式系統(tǒng)[3][4]、配置WINCE.NET操作系統(tǒng)[5]的微波熱療儀。本應(yīng)用采用Embedded Visual C++工具[6]進(jìn)行開(kāi)發(fā)，該產(chǎn)品能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體溫度，具有微波刀，消融針的功能。該系統(tǒng)具有控制集成度高，運(yùn)行穩(wěn)定，操作方便以及直觀的圖形化界面顯示等特點(diǎn)。 1 硬件系統(tǒng) 　　1.1 硬件功能簡(jiǎn)介 　　微波刀是一種將微波能量用來(lái)進(jìn)行外科手術(shù)的微波手術(shù)刀。它由頻率為2000～10000 MHz，功率70～150 W連續(xù)可調(diào)的微波功率源，通過(guò)傳輸線與手術(shù)刀具相連組成。微波源產(chǎn)生的能量經(jīng)傳輸線，沿手術(shù)刀具進(jìn)入患者手術(shù)部位，實(shí)現(xiàn)手術(shù)目的。它具有止血效果好,刀口不碳化,滅菌,防止手術(shù)感染等特點(diǎn)，并且體積小,操作靈活。消融技術(shù)是使微波治療源經(jīng)過(guò)人體自然腔道，準(zhǔn)確定點(diǎn)的介入到人體的局部病變部位，自動(dòng)精確的控制其治療功率、時(shí)間和治療范圍的技術(shù)。采用消融針能夠在不開(kāi)腹的情況下對(duì)病癥進(jìn)行有效治療，痛苦小。 　　本系統(tǒng)的微波發(fā)射器可外接微波刀和消融針，工作情況如下： 　?。?）微波刀：手術(shù)中微波刀在使用時(shí)，用戶通過(guò)人機(jī)交互界面控制微波刀的輸出功率，同時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)累計(jì)微波刀的運(yùn)行時(shí)間，便于病歷記錄。 　?。?）消融針：消融針應(yīng)用于熱療時(shí)，用戶可預(yù)先設(shè)置消融針運(yùn)行功率、時(shí)間和警戒溫度，系統(tǒng)采用倒計(jì)時(shí)方式計(jì)算消融針運(yùn)行時(shí)間，時(shí)間歸零后，系統(tǒng)自動(dòng)切斷功率輸出。治療過(guò)程中，為了防止患者治療部位的溫度過(guò)高而造成組織損壞，系統(tǒng)還可以監(jiān)視患處的溫度變化情況，當(dāng)檢測(cè)到的溫度高于警戒溫度時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)低消融針的輸出功率;當(dāng)檢測(cè)到的溫度恢復(fù)正常后，系統(tǒng)恢復(fù)消融針的輸出功率為預(yù)先設(shè)置值。 　　1.2 硬件組成 　　整個(gè)硬件系統(tǒng)分為三大部分，即嵌入式系統(tǒng)模塊、溫度采集及控制模塊以及微波源。圖1是系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖。 [align=center] 圖1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 [/align] [align=center] 圖2 嵌入式系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖[/align] 　　1.2.1 嵌入式系統(tǒng)模塊 　　嵌入式系統(tǒng)模塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示，模塊采用三星公司的ARM9系列微處理器 S3C2410，其中包括64M的RAM和64M的Flash。嵌入式系統(tǒng)模塊外接一塊Sharp公司的10.4寸液晶顯示器，其分辨率為640×480，作為系統(tǒng)的人機(jī)交互平臺(tái)供用戶操作使用。 　　嵌入式系統(tǒng)模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部分，它提供友好的人機(jī)交互界面供用戶設(shè)定功率、時(shí)間和警戒溫度等參數(shù)，然后通過(guò)串口與單片機(jī)通信以控制微波源的輸出功率，并在液晶顯示器上顯示實(shí)時(shí)的溫度曲線。 　　1.2.2 溫度采集及控制模塊 　　溫度采集及控制模塊由單片機(jī)和溫度采集電路組成： 　?。?） 單片機(jī)。單片機(jī)采用Silabs公司的C8051F005芯片，該芯片內(nèi)嵌12位A/D和12位D/A轉(zhuǎn)換器。它通過(guò)A/D采集8路溫度信號(hào)并經(jīng)串口發(fā)送到嵌入式系統(tǒng)模塊中，同時(shí)將嵌入式系統(tǒng)模塊傳來(lái)的功率值通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換成電壓以驅(qū)動(dòng)微波源。此外，考慮到實(shí)際應(yīng)用的方便性，模塊外接一腳踏開(kāi)關(guān)，這樣用戶可直接用腳踏開(kāi)關(guān)控制微波輸出功率。 　　（2）溫度采集電路。在熱療過(guò)程中，為了檢測(cè)人體患處的溫度變化情況，系統(tǒng)配置了溫度采集電路。它由8路熱敏電阻和信號(hào)放大電路組成，熱敏電阻先與固定電阻分壓，經(jīng)信號(hào)放大電路放大后接到單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器。單片機(jī)再通過(guò)串口將溫度信號(hào)傳遞給嵌入式系統(tǒng)模塊，顯示于液晶顯示器上。 　　1.2.3 微波源 　　微波源采用磁控管作為微波振蕩管，當(dāng)磁控管的工作點(diǎn)設(shè)置合理、內(nèi)部振蕩穩(wěn)定時(shí)，微波可由諧振耦合器和同軸電纜耦合到專門(mén)設(shè)計(jì)的圓形輻射器輸出。該微波源主要由微波驅(qū)動(dòng)電路和微波輻射器組成。它可外接手術(shù)刀和消融針（見(jiàn)圖3），為不同部件提供微波輸出。 [align=center] 圖3 微波源[/align] 　　由于微波源輸出的功率與驅(qū)動(dòng)電壓之間為非線性關(guān)系，在本設(shè)計(jì)中我們預(yù)先測(cè)出功率與驅(qū)動(dòng)電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系表，控制程序通過(guò)查表將用戶設(shè)置的功率轉(zhuǎn)換成電壓值，并通過(guò)串口發(fā)送給單片機(jī)。單片機(jī)再通過(guò)其自帶的D/A轉(zhuǎn)換器輸出模擬電壓以控制微波源的功率輸出。 2 軟件系統(tǒng) 　　2.1 嵌入式操作系統(tǒng)WINCE.NET 　　Microsoft Windows CE.NET （又稱WINCE.NET）是一個(gè)緊湊、高效和可裁減的操作系統(tǒng)，適用于各種嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中。它擁有多線程、多任務(wù)、完全搶先式優(yōu)先級(jí)的特點(diǎn)，是一種面向嵌入式環(huán)境的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。 　　Embedded Visual C++（簡(jiǎn)稱EVC）是Microsoft公司推出的一套基于WINCE.NET平臺(tái)的可視化開(kāi)發(fā)工具，它支持MFC類庫(kù)的子集，能夠給開(kāi)發(fā)者提供強(qiáng)大的支持，與普通Win32程序開(kāi)發(fā)方法相似，基于此特點(diǎn)本次設(shè)計(jì)采用EVC4.0版本開(kāi)發(fā)。 　　2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 　　根據(jù)硬件平臺(tái)的特點(diǎn)以及實(shí)際的功能需求，軟件系統(tǒng)分為兩部分：手術(shù)刀控制和消融針自動(dòng)控制功能，其中消融針自動(dòng)控制功能提供三種功能：人體溫度監(jiān)視功能，微波功率自動(dòng)調(diào)節(jié)功能以及消融針運(yùn)行狀態(tài)控制功能。其中人體溫度監(jiān)視功能提供溫度-時(shí)間（秒），溫度-時(shí)間（分）和功率-時(shí)間（分）三波形圖，如圖4所示。具體的系統(tǒng)流程圖如圖5所示。 [align=center] 圖4 軟件結(jié)構(gòu)圖 圖5 程序流程圖[/align] 　　2.2.1 手術(shù)刀控制功能塊 　　該模塊界面如圖6（a）所示,它提供以下功能：控制微波刀啟/停狀態(tài)、計(jì)算微波刀運(yùn)行時(shí)間、調(diào)整微波刀輸出功率和初始化功率、時(shí)間參數(shù)。 [align=center] （a） 手術(shù)刀狀態(tài)顯示 （b） 消融針控制圖 圖6 軟件部分功能圖[/align] 　　嵌入式系統(tǒng)模塊與溫度采集及控制模塊之間主要通過(guò)串口通訊[7]（見(jiàn)圖1）。應(yīng)用程序需要對(duì)串口數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼/解碼以達(dá)到控制的目的。串口通訊數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一如下： 　?。?）數(shù)模轉(zhuǎn)換器向嵌入式系統(tǒng)模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為每幀21字節(jié)，傳輸格式（見(jiàn)表1）如下：①前導(dǎo)碼為0x55（1字節(jié)）;②開(kāi)始/停止（1字節(jié)）：0x00表示停止;0xFF表示開(kāi)始③功率值（2字節(jié)）：功率值為一個(gè)范圍（0—4095）;④溫度值（16字節(jié)）：每個(gè)溫度值取值范圍為0-4095（2字節(jié)），所以共需16字節(jié);⑤結(jié)束碼為0xAA。 　　表1 溫度采集及控制模塊-嵌入式模塊數(shù)據(jù)格式 　?。?）嵌入式系統(tǒng)模塊給數(shù)模轉(zhuǎn)換器發(fā)送的數(shù)據(jù)格式如表2所示，共5字節(jié)，定義同上。 　　表2 嵌入式模塊-溫度采集及控制模塊 數(shù)據(jù)格式 　　2.2.2 消融針控制功能塊 　　如圖6（b）所示，此模塊提供功能：①消融針運(yùn)行控制功能：所選用微波源的型號(hào)、警戒溫度 、預(yù)運(yùn)行時(shí)間和預(yù)輸出功率;控制消融針啟/停狀態(tài)②微波功率自動(dòng)調(diào)節(jié)功能：當(dāng)被治療的患處溫度超過(guò)警戒溫度時(shí)候，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)低微波輸出功率，直到溫度恢復(fù)正常。③溫度監(jiān)視功能顯示三種波形圖：溫度-時(shí)間（秒），溫度-時(shí)間（分）和功率-時(shí)間（分）波形圖。 3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)論 　　系統(tǒng)整合后，于室溫17℃的條件下我們對(duì)整個(gè)儀器進(jìn)行過(guò)了測(cè)試。手術(shù)刀輸出功率為35W。啟動(dòng)手術(shù)刀功能后，測(cè)得系統(tǒng)的表示輸出功率的模擬電壓值與時(shí)間的關(guān)系如表3： 　　表3 手術(shù)刀輸出模擬電壓-時(shí)間表 　　另外，設(shè)置消融針輸出功率35W,設(shè)置警戒溫度30℃。啟動(dòng)消融針熱療功能，開(kāi)始時(shí)將溫度熱敏探頭置入11.5℃水中;于第5分鐘置入溫度為31.7℃的水中，于第6分鐘取出繼續(xù)置入11.5℃水中;于第10分鐘置入溫度為29.1℃的水中，于第11分鐘取出，繼續(xù)置入11.5℃水中。在此過(guò)程中，我們測(cè)得的功率轉(zhuǎn)換后的電壓值如表4： 　　表4 消融針輸出模擬電壓-時(shí)間表 　　實(shí)驗(yàn)表明，控制系統(tǒng)能夠精確控制微波的輸出功率。同時(shí)，通過(guò)熱敏探頭，它能夠準(zhǔn)確監(jiān)視患處溫度變化，并根據(jù)預(yù)警溫度值對(duì)輸出功率大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，以防止患處溫度過(guò)高引發(fā)灼傷事故。實(shí)驗(yàn)與理論的一致說(shuō)明系統(tǒng)性能符合設(shè)計(jì)要求，今后還要不斷努力，完善人機(jī)交互界面，提高可操作性;完善軟件模塊與不同微波發(fā)射器之間耦合的接口，提高系統(tǒng)的兼容性和可擴(kuò)展性。 　　本文的創(chuàng)新點(diǎn)：利用流行的嵌入式技術(shù)改進(jìn)提升微波熱療儀的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)使熱療儀控制系統(tǒng)在小型化、智能化、提高精確度以及降低成本方面邁出了一大步;其擁有的多接口能夠兼容市場(chǎng)上流行的微波發(fā)射器，具有較高的可擴(kuò)展性，實(shí)現(xiàn)了很好的市場(chǎng)價(jià)值。 參 考 文 獻(xiàn) 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