基于低強度脈沖超聲波的軟骨康復刺激裝置及其控制方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于生物電子技術和生物醫(yī)學工程領域，具體是一種基于低強度脈沖超聲 波的軟骨康復刺激裝置及其控制方法。
【背景技術】
[0002] 隨著科技的迅速發(fā)展，和醫(yī)療水平相關的電子技術應用越來越廣泛，醫(yī)療電子儀 器在家庭和醫(yī)院的應用也越來越多。每年都有數(shù)百萬例的骨折及軟骨損傷病例發(fā)生，對用 于治療或促進骨折及軟骨損傷修復的醫(yī)療儀器的需求越來越大，同時對其穩(wěn)定性及功耗的 要求也越來越高。因此，開發(fā)專用的超聲軟骨康復治療電子設備具有非常重要的應用價值。
[0003] 軟骨在人體結(jié)構(gòu)中發(fā)揮著承重負荷、減少關節(jié)間骨骼摩擦等重要的作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于低強度脈沖超聲波的軟骨康復刺激裝置及其控 制方法。
[0005] 本發(fā)明的技術方案是：
[0006] 一種基于低強度脈沖超聲波的軟骨康復刺激裝置，包括：處理器模塊、信號發(fā)生器 模塊、PWM模擬開關模塊、可控增益放大模塊、功率放大器、電感電容匹配電路和超聲波換能 器；
[0007] 處理器模塊的控制輸出端分別連接信號發(fā)生器模塊的控制輸入端、可控增益放大 模塊的控制輸入端和PWM模擬開關模塊的控制輸入端，信號發(fā)生器模塊的輸出端連接可控 增益放大模塊的輸入端，可控增益放大模塊的輸出端連接功率放大器的輸入端，功率放大 器的輸出端連接PWM模擬開關模塊的輸入端，PWM模擬開關模塊的輸出端連接電感電容匹 配電路的輸入端，電感電容匹配電路的輸出端連接超聲波換能器的輸入端，超聲波換能器 輸出的低強度脈沖超聲波作用于軟骨。
[0008] 所述信號發(fā)生器模塊包括正弦信號發(fā)生器和前級濾波器；
[0009] 處理器模塊控制正弦信號發(fā)生器產(chǎn)生I. 5MHz的正弦信號，處理器模塊通過串行 接口連接正弦信號發(fā)生器和PWM模擬開關模塊，正弦信號發(fā)生器的輸出端連接前級濾波器 的輸入端，前級濾波器的輸出端連接可控增益放大模塊的輸入端。
[0010] 所述正弦信號發(fā)生器包括相位累加器、波形ROM和D/A轉(zhuǎn)換器；相位累加器的輸入 端連接處理器的輸出端，相位累加器的輸出端連接波形ROM的輸入端，波形ROM的輸出端連 接D/A轉(zhuǎn)換器的輸入端，D/A轉(zhuǎn)換器的輸出端連接前級濾波器的輸入端。
[0011] 所述超聲波換能器輸出的低強度脈沖超聲波參數(shù)為A，即超聲波的強度為30mW/ cm2、頻率為I. 5MHz，脈沖寬度為200 μ s，重復頻率為IKHz，采用參數(shù)為A的低強度脈沖超聲 波對軟骨進行刺激，進而促進軟骨的生長或延緩軟骨退化速度。
[0012] 所述可控增益放大模塊用于根據(jù)信號發(fā)生器模塊的輸出信號獲得峰值為7. 6V且 峰峰值為15. 2V的I. 5MHz的正弦波信號。
[0013] 所述信號發(fā)生器模塊用于產(chǎn)生頻率I. 5MHz的正弦波信號。
[0014] 所述PWM模擬開關模塊用于對信號發(fā)生器模塊產(chǎn)生的正弦波信號進行脈寬調(diào)制， 得到重復頻率為ΙΚΗζ，脈沖寬度為200 μ s且占空比為20%的超聲波信號。
[0015] 所述可控增益放大模塊根據(jù)處理器通過其D/A轉(zhuǎn)換電路輸出可變的電壓值來進 行正弦信號的增益放大。
[0016] 所述電感電容匹配電路用于實現(xiàn)超聲波換能器的變阻功能，采用串聯(lián)電感到超聲 波換能器達到阻抗匹配的目的，進而使超聲波換能器產(chǎn)生I. 5ΜΗΖ超聲波。
[0017] 所述的基于低強度脈沖超聲波的軟骨康復刺激裝置的控制方法，其特征在于，包 括以下步驟：
[0018] 步驟1 :由處理器模塊產(chǎn)生控制信號，正弦信號發(fā)生器產(chǎn)生所需頻率I. 5MHz的正 弦波信號；
[0019] 步驟2 :正弦信號發(fā)生器產(chǎn)生的正弦信號經(jīng)過前級濾波器濾波后進入可控增益放 大器，由處理器通過D/A轉(zhuǎn)換電路輸出可變的電壓值來控制正弦信號的增益放大；
[0020] 步驟3 :經(jīng)增益放大后的信號再經(jīng)過功率放大電路進行功率放大；
[0021] 步驟4 :由處理器內(nèi)部定時器產(chǎn)生頻率為ΙΚΗζ、脈沖寬度為200 ys且占空比為 20%的PWM脈沖信號控制PWM模擬開關模塊，使得輸出信號為重復頻率為ΙΚΗζ、脈沖寬度為 200 μ s、信號頻率為I. 5MHz的脈沖正弦波信號；
[0022] 步驟5 :脈沖正弦波信號經(jīng)過電感電容匹配電路傳遞給超聲波換能器后，輸出參 數(shù)為A的低強度脈沖超聲波，該超聲波刺激受損傷的軟骨進而促進軟骨生長，或?qū)夏耆?的膝關節(jié)軟骨進行刺激，進而延緩其軟骨退化。
[0023] 有益效果：
[0024] 本發(fā)明結(jié)合相關動物實驗結(jié)果，確定設計強度為30mW/cm2,頻率為I. 5MHz，脈沖寬 度為200 μ S，重復頻率為IKHz的低強度脈沖超聲波軟骨康復刺激裝置，對受損軟骨進行刺 激治療。在此參數(shù)低強度脈沖超聲刺激下可以促進受損軟骨的康復，延緩老年性膝關節(jié)軟 骨退化?？梢圆捎帽景l(fā)明為不同年齡和病因的軟骨損傷患者制定刺激方案，即確定刺激的 位置和時長，以便幫助軟骨損傷病人康復或達到延緩老年性膝關節(jié)軟骨退化的目的。需要 說明的是，本發(fā)明的直接目的并不是獲得診斷結(jié)果或健康狀況，而只是提供一種低強度脈 沖超聲刺激下可以促進受損軟骨的康復的裝置及其控制方法，并未進行醫(yī)療診斷。
【附圖說明】
[0025] 圖1為本發(fā)明一種實施方式的基于低強度脈沖超聲波的軟骨康復刺激裝置結(jié)構(gòu) 框圖；
[0026] 圖2為本發(fā)明一種實施方式的超聲波信號發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027] 圖3為本發(fā)明一種實施方式的DDS產(chǎn)生波形過程示意圖；
[0028] 圖4為本發(fā)明一種實施方式的DSP與AD9833硬件連接電路圖；
[0029] 圖5為本發(fā)明一種實施方式的有源低通濾波器電路原理圖；
[0030] 圖6為本發(fā)明一種實施方式的AD603內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖；
[0031] 圖7為本發(fā)明一種實施方式的產(chǎn)生OdB到+40dB、30MHz帶寬的AD603芯片接法 圖；
[0032] 圖8為本發(fā)明一種實施方式的信號發(fā)生器模塊原理圖；
[0033] 圖9為本發(fā)明一種實施方式的功率放大模塊原理圖；
[0034] 圖10為本發(fā)明一種實施方式的PWM模擬開關模塊原理圖；
[0035] 圖11為本發(fā)明一種實施方式的PWM模擬開關輸出波形示意圖；
[0036] 圖12為本發(fā)明一種實施方式的可控增益放大模塊原理圖；
[0037] 圖13為本發(fā)明一種實施方式的超聲波換能器理論上的等效電路圖；
[0038] 圖14(a)為本發(fā)明一種實施方式的超聲波換能器的等效電路圖；
[0039] 圖14(b)為本發(fā)明一種實施方式的超聲波換能器及其電感電容匹配電路圖； [0040] 圖14(c)為本發(fā)明一種實施方式的超聲波換能器諧振狀態(tài)下的等效電路；
[0041] 圖15為本發(fā)明一種實施方式的超聲波換能器及其電感電容匹配電路的仿真電路 圖；
[0042] 圖16(a)為本發(fā)明一種實施方式的超聲波換能器阻抗分析的幅頻特性圖；
[0043] 圖16(b)為本發(fā)明一種實施方式的超聲波換能器阻抗分析的相頻特性圖。
【具體實施方式】
[0044] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式作進一步詳細說明。
[0045] 一種基于低強度脈沖超聲波的軟骨康復刺激裝置，如圖1所示，包括：處理器模 塊、信號發(fā)生器模塊、PWM模擬開關模塊、可控增益放大模塊、功率放大器、電感電容匹配電 路和超聲波換能器；
[0046] 處理器模塊的控制輸出端分別連接信號發(fā)生器模塊的控制輸入端、可控增益放大 模塊的控制輸入端和PWM模擬開關模塊的控制輸入端，信號發(fā)生器模塊的輸出端連接可控 增益放大模塊的輸入端，可控增益放大模塊的輸出端連接功率放大器的輸入端，功率放大 器的輸出端連接PWM模擬開關模塊的輸入端，PWM模擬開關模塊的輸出端連接電感電容匹 配電路的輸入端，電感電容匹配電路的輸出端連接超聲波換能器的輸入端，超聲波換能器 輸出的低強度脈沖超聲波作用于軟骨，進而促進軟骨的生長或延緩軟骨退化速度。
[0047] 信號發(fā)生器模塊包括正弦信號發(fā)生器和前級濾波器；采用TMS320F2812控制 AD9833芯片并在后級加入MC34071芯片，如圖8所示；
[0048] 處理器模塊控制正弦信號發(fā)生器產(chǎn)生I. 5MHz的正弦信號，處理器模塊通過串行 接口連接正弦信號發(fā)生器和PWM模擬開關模塊，正弦信號發(fā)生器的輸出端連接前級濾波器 的輸入端，前級濾波器的輸出端連接可控增益放大模塊的輸入端。
[0049] 正弦信號發(fā)生器采用由ADI公司生產(chǎn)的低功耗，可編程的波形發(fā)生器AD9833,它 能夠產(chǎn)生正弦波、三角波、方波輸出。工作電壓范圍是2. 3V~5. 5V，在主頻時鐘為25MHz 情況下頻率范圍可達到OMHz~12. 5MHz且頻率和相位可數(shù)字編程，滿足了低功耗、產(chǎn)生 I. 5MHz脈沖的要求，并能實現(xiàn)頻率的動態(tài)調(diào)節(jié)。
[0050] 首先，根據(jù)直接數(shù)字頻率合成（Direct Digital Synthesizer, DDS)原理，利用 TMS320F2812控制AD9833芯片設計完成了信號發(fā)生器模塊；采用AD603芯片，利用芯片的 軟件可控特性，采用兩級串聯(lián)級聯(lián)方式設計實現(xiàn)了可控增益放大模塊；采用AD811芯片，利 用其低噪聲、低失真、寬帶寬特性，設計實現(xiàn)了功率放大模塊；利用TMS320F2812產(chǎn)生PWM脈 沖調(diào)制，用模擬開關芯片設計實現(xiàn)了 PWM模擬開關模塊。最終完成了低強度脈沖超聲波康 復刺激裝置的設計。
[0051] 如圖2所示，正弦信號發(fā)生器包