CN104147713A - 血压信号控制的智能超声波理疗装置及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种血压信号控制的智能超声波理疗装置及其实现方法，属于超声治疗仪技术领域。该装置包括系统控制模块、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；所述DDS数控频率源模块用于产生超声频方波信号；所述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电平的控制信号。本发明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，使得超声治疗地应用范围更广，治疗效果更好。

Description

血压信号控制的智能超声波理疗装置及其实现方法

技术领域

本发明涉及超声治疗仪领域，特别涉及一种血压信号控制的智能超声波理疗装置及其实现方法。

背景技术

超声医学技术是通过超声波与组织的物理(力学)特性发生作用而对组织成像或进行手术治疗的技术。近年来随着科学技术的发展，超声波技术进入了新的发展阶段。因为无损伤、无痛苦、可以反复进行检查和治疗的优点使得其特别适合针对软组织操作。医用超声仪器受到普遍重视，发展迅速。比如超声碎石、超声美容和超声治癌等。

超声治疗仪主要由高频功率发生器及超声换能器(也称声头)两大部分构成。高频功率发生器可提供高频电能，通过共振激发探头中的压电晶片，使其产生厚度方向的振动，并向外辐射超声波。压电晶片受到激发而振动时，大部分能量都从其前面向外辐射。超声波经过超声耦合剂有效地进入人体和辐照病变部位，进行临床治疗。超声治疗仪的作用要素主要是热效应、空化效应和其他物理效应。

超声波是非电离的可以透射人体组织的诊断工具。在传播中，只要不出现非线性效应，媒质从超声波吸收的能量就会变成热能。医学诊断上使用的能级为1～10w/cm²左右，远小于出现非线性效应的能级0.5w/cm²。从目前对超声波的生物效应的调查和研究和现有超声诊断设备使用过程中所得的大量临床检查资料来看，超声波对医、患都是安全的。因其无创特性，超声治疗技术已广泛应用于眼科、理疗、消化、普外等临床领域中。小功率超声仪用于常规理疗，高强度聚焦超声可以施行功能保护型手术，进行无创性的肿瘤治疗，具有广阔前景。

但是一些超声波治疗仪在使用过程中会出现谐振频率不稳定，甚至出现因频漂而停止工作的现象，大大降低了治疗仪的使用寿命。另外，不同的体质、不同的病因及耐受力不同，所用超声波剂量，即声强和使用时间不同，但大部分治疗仪其功率是恒定不变，限定了治疗仪使用范围。所以发明一种有患者自身生理来自动控制和调节超声功率的治疗仪，实现谐振频率稳定和功率可控，将解决以往治疗仪的不足，大大提高治疗仪的性能和应用范围。由于在心跳跳动时，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。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种血压信号控制的智能超声波理疗装置及其实现方法，通过超声声学效应与人体心血管系统共振，实现脉冲超声治疗，增加超声波的治疗效益。

本发明的目的之一在于提供一种血压信号控制的智能超声波理疗装置，该装置是通过这样的技术方案实现的：

包括系统控制模块、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；

所述系统控制模块用于控制和调节其他各个模块，并存储实时信息；

所述DDS数控频率源模块用于产生超声频方波信号；

所述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电平的控制信号；

所述阀门模块，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；

所述高频功率发生器模块，将超声频方波信号转换成超声换能器相匹配的高频交流电信号；

所述超声换能器，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。

所述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。

进一步的，本装置还包括电路保护模块，所述保护电路模块包括温度检测电路和报警电路，温度检测电路用于检测超声换能器的温度。

进一步的，所述系统控制模块包括键盘、单片机、显示器、存储器和存储器的无线采集器，所述键盘用于输入超声输出功率控制的相关参数数据；单片机用于控制DDS数控频率源模块产生超声频方波信号、调制超声输出功率以及电路的安全，显示器用于同步显示实时监控的信息和输入有关的提示信息，且将输入的参数数据存储在存储器中。

进一步的，所述脉搏血压采集和处理模块包括血压计、脉搏传感器、放大器、滤波器、数字处理器和蓝牙输出端；所述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。

进一步的，所述系统控制模块包括还包括蓝牙接收端，所述蓝牙接收端接收脉搏血压采集和处理模块中蓝牙输出端发送来的血压参数，并将其显示在液晶屏上和存储在存储器中。

进一步的，所述高频功率发生器模块包括驱动电路、时间和功率控制电路、功率放大器和阻抗匹配网络，所述时间和功率控制电路用于设定治疗时间和超声发生器的输出功率；驱动电路用于推动功率放大管工作，提高它的输出功率与效率；所述阻抗匹配网络用传输线变压器实现超声换能器的宽带阻抗匹配。

本发明的目的之二在于提供一种血压信号控制的智能超声波理疗装置的实现方法，该方法基于权利要求1-6所述的装置，频率监控模块的实现方法为：

所述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，然后将检测结果送入单片机，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，实现高精度的频率实时控制。

进一步的，DDS数控频率源模块产生超声频方波信号的方法为：

1)所述DDS数控频率源模块将要产生的波形数据存入波形存储器中

2)在参考脉冲的作用下，对输入的频率数据进行累加，并将累加器输出的一部分作为读取波形存储器的地址；

3)将读出的波形数据经D/A转换为相应的电压信号，D/A转换器输出的一系列的阶梯电压信号经低通滤波器波后便输出了光滑的合成波形的信号

4)由用施密特触发器将正弦信号转换成高低电平的方波信号。

进一步的，单片机调制超声输出功率的方法为：

1)单片机获取人体高低血压平均值BP；

2)单片机获取通过键盘输入的超声输出功率控制的相关参数K和Q；

3)高频功率发生器模块根据单片机所获取的数据计算超声输出功率P_i：

$P_i=K\frac{\mathrm{BP}\×40\×Q\×N}{300\×60}---\left(1\right)$

4)根据超声换能器的功率转换率α计算高频功率发生器需调制功率P₀：

$P_0=\frac{P_i}{\mathrm{\α}}---\left(2\right)$

其中：N为一分钟内脉搏跳动的次数；Q为每次心跳的血流量；K为调整的功率系数。

由于采用上述技术方案，本发明具有如下的优点：

1、本发明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，使得超声治疗地应用范围更广，治疗效果更好；

2、本发明能够对超声输出功率进行实时监控，并能够对其进行调控，避免在使用过程中出现谐振频率不稳定，甚至装置停止工作的现象，能够大大提高使用寿命；

3、本发明结构简单，操作方便，有利于推广使用。

本发明的其它优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其它优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明血压信号控制的智能超声波理疗装置的结构框图；

图2为本发明脉搏血压采集和处理模块的结构框图；

图3为本发明超声波频率反馈结构框图；

图4为本发明表示相位差大小的信号示意图；

图5为发明血压信号控制的智能超声波理疗装置的工作示意图；

图6为本发明具体实施的工作流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述。

图1为本发明血压信号控制的智能超声波理疗装置的结构框图，参照图1，本发明的装置包括包括系统控制模块、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；

所述系统控制模块用于控制和调节其他各个模块，并存储实时信息；

所述DDS数控频率源模块用于产生超声频方波信号；

所述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电平的控制信号；

所述阀门模块，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；

所述高频功率发生器模块，将超声频方波信号转换成超声换能器相匹配的高频交流电信号；

所述超声换能器，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。

所述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。

本装置还包括电路保护模块，所述保护电路模块包括温度检测电路和报警电路，温度检测电路用于检测超声换能器的温度。

所述系统控制模块包括键盘、单片机、显示器、存储器和存储器的无线采集器，所述键盘用于输入超声输出功率控制的相关参数数据；单片机用于控制DDS数控频率源模块产生超声频方波信号、调制超声输出功率以及电路的安全，显示器用于同步显示实时监控的信息和输入有关的提示信息，且将输入的参数数据存储在存储器中。

图2为本发明脉搏采集系统优选实施例结构框图，参照图2，所述脉搏血压采集和处理模块包括血压计、脉搏传感器、放大器、滤波器、数字处理器和蓝牙输出端；所述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。

脉搏血压采集和处理模块，将脉搏传感器的传感面贴于手腕外侧。放大电路采用了同相加法放大器将电信号进一步放大，整形输出，经滤波器消除干扰，施密特触发器有迟滞作用，在信号上的噪音不能引起误触发，输出信号与输入信号频率是同样的，则在数字处理部分采用施密特触发器将不规则的脉搏信号转换为方波形式的高低电平。

所述系统控制模块包括还包括蓝牙接收端，所述蓝牙接收端接收脉搏血压采集和处理模块中蓝牙传输端发送来的血压参数，并将其显示在液晶屏上和存储在存储器中。

所述高频功率发生器模块包括驱动电路、时间和功率控制电路、功率放大器和阻抗匹配网络，所述时间和功率控制电路用于设定治疗时间和超声发生器的输出功率；驱动电路用于推动功率放大管工作，提高它的输出功率与效率；所述阻抗匹配网络用传输线变压器实现超声换能器的宽带阻抗匹配。

所述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，然后将检测结果送入单片机，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，实现高精度的频率实时控制。

DDS数控频率源模块产生超声频方波信号的方法为：

1)所述DDS数控频率源模块将要产生的波形数据存入波形存储器中

2)在参考脉冲的作用下，对输入的频率数据进行累加，并将累加器输出的一部分作为读取波形存储器的地址；

3)将读出的波形数据经D/A转换为相应的电压信号，D/A转换器输出的一系列的阶梯电压信号经低通滤波器波后便输出了光滑的合成波形的信号

4)由用施密特触发器将正弦信号转换成高低电平的方波信号。

单片机调制超声输出功率的方法为：

1)单片机获取人体高低血压平均值BP；

2)单片机获取通过键盘输入的超声输出功率控制的相关参数K和Q；

3)高频功率发生器模块根据单片机所获取的数据计算超声输出功率P_i：

$P_i=K\frac{\mathrm{BP}\×40\×Q\×N}{300\×60}---\left(1\right)$

4)根据超声换能器的功率转换率α计算高频功率发生器需调制功率P₀：

$P_0=\frac{P_i}{\mathrm{\α}}---\left(2\right)$

其中：N为一分钟内脉搏跳动的次数；Q为每次心跳的血流量；K为调整的功率系数。

实施例1

图6为本发明具体实施的工作流程图，如图6所示，本装置工作时单片机首先初始化，控制血压信号采集。采集到的血压信号是高、低血压值，要通过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。还要采集脉搏信号，并将其作为超声频方波信号的触发信号。DDS数控频率源模块用于产生超声频方波信号。在阀门模块中，当有脉搏信号来到时，超声频方波信号被触发并输入到高频功率发生器模块。通过高频功率发生器模块相关功能处理后，通过超声换能器将电能转换成声能，超声波发射作用与人体。

在功率超声设备中，发生器与换能器的匹配设计非常重要。在很大程度上决定了超声设备能否正常、高效地工作。高频功率发生器发生器与换能器的匹配包括两个方面：阻抗匹配和调谐匹配。阻抗匹配就是使换能器的阻抗变换为最佳负载，即起阻抗变换作用。调谐匹配则是使换能器两端输入的电压和电流同相位，从而使效率最高。

本发明采用单片机控制高频功率发生器模块和超声换能器模块，并采用功率反馈的方式来更好地控制两者间的匹配效果。

参照图3本发明超声波频率反馈结构框图，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P_i(单位为W)：

$P_i=K\frac{\mathrm{BP}\×40\×Q\×N}{300\×60},$

因此，高频功率发生器需调制功率为:

其中：Q为每次心跳的血流量，N为一分钟内脉搏跳动的次数；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。

高频功率发生器模块可以设定治疗的时间和功率，并通过单片机实施控制。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，阻抗匹配网络采用传输线变压器实现超声换能器的宽带阻抗匹配。反馈回路即频率监控模块，用于对频率实时监控，通过电压采样、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％，根据图4中A信号的占空比大小，将检测结果送入单片机，单片机通过模糊运算产生发射器频率增减量,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，实现高精度的频率实时控制。

图5为本发明系统血压智能控制超声波工作示意图，当脉搏到来时，脉搏信号去触发超声波发射，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。

本装置能够实现治疗仪输出和人体心跳同步的超声脉冲，超声剌激与人体的生理节律相一致，而且超声波治疗仪的输出量、治疗方式及时间进行精确可靠的控制，使之智能化、小型化，从而在临床治疗中更加安全、有效、方便，以收到更佳的治疗效果。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种血压信号控制的智能超声波理疗装置，其特征在于，包括系统控制模块、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；

所述系统控制模块用于控制和调节其他各个模块，并存储实时信息；

所述DDS数控频率源模块用于产生超声频方波信号；

所述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电平的控制信号；

所述阀门模块，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；

所述高频功率发生器模块，将超声频方波信号转换成超声换能器相匹配的高频交流电信号；

所述超声换能器，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。

所述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。

2.如权利要求1所述的血压信号控制的智能超声波理疗装置，其特征在于：本装置还包括电路保护模块，所述保护电路模块包括温度检测电路和报警电路，温度检测电路用于检测超声换能器的温度。

3.如权利要求2所述的血压信号控制的智能超声波理疗装置，其特征在于，所述系统控制模块包括键盘、单片机、显示器、存储器和存储器的无线采集器，所述键盘用于输入超声输出功率控制的相关参数数据；单片机用于控制DDS数控频率源模块产生超声频方波信号、调制超声输出功率以及电路的安全，显示器用于同步显示实时监控的信息和输入有关的提示信息，且将输入的参数数据存储在存储器中。

4.如权利要求3所述的血压信号控制的智能超声波理疗装置，其特征在于，所述脉搏血压采集和处理模块包括血压计、脉搏传感器、放大器、滤波器、数字处理器和蓝牙输出端；所述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。

5.如权利要求4所述的血压信号控制的智能超声波理疗装置，其特征在于，所述系统控制模块包括还包括蓝牙接收端，所述蓝牙接收端接收脉搏血压采集和处理模块中蓝牙输出端发送来的血压参数，并将其显示在液晶屏上和存储在存储器中。

6.如权利要求1所述的血压信号控制的智能超声波理疗装置，其特征在于，所述高频功率发生器模块包括驱动电路、时间和功率控制电路、功率放大器和阻抗匹配网络，所述时间和功率控制电路用于设定治疗时间和超声发生器的输出功率；驱动电路用于推动功率放大管工作，提高它的输出功率与效率；所述阻抗匹配网络用传输线变压器实现超声换能器的宽带阻抗匹配。

7.一种血压信号控制的智能超声波理疗装置的实现方法，该方法基于权利要求1-6所述的装置，其特征在于，频率监控模块的实现方法为：

所述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，然后将检测结果送入单片机，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，实现高精度的频率实时控制。

8.如权利要求7所述的血压信号控制的智能超声波理疗装置的实现方法，其特征在于：DDS数控频率源模块产生超声频方波信号的方法为：

1)所述DDS数控频率源模块将要产生的波形数据存入波形存储器中

2)在参考脉冲的作用下，对输入的频率数据进行累加，并将累加器输出的一部分作为读取波形存储器的地址；

3)将读出的波形数据经D/A转换为相应的电压信号，D/A转换器输出的一系列的阶梯电压信号经低通滤波器波后便输出了光滑的合成波形的信号

4)由用施密特触发器将正弦信号转换成高低电平的方波信号。

9.如权利要求8所述的血压信号控制的智能超声波理疗装置的实现，其特征在于：单片机调制超声输出功率的方法为：

1)单片机获取人体高低血压平均值BP；

2)单片机获取通过键盘输入的超声输出功率控制的相关参数K和Q；

3)高频功率发生器模块根据单片机所获取的数据计算超声输出功率P_i：

$P_i=K\frac{\mathrm{BP}\×40\×Q\×N}{300\×60}---\left(1\right)$

4)根据超声换能器的功率转换率α计算高频功率发生器需调制功率P₀：

$P_0=\frac{P_i}{\mathrm{\α}}---\left(2\right)$

其中：N为一分钟内脉搏跳动的次数；Q为每次心跳的血流量；K为调整的功率系数。