引言

隨著科學技術的發展，各種醫療設備相繼問世并得到廣泛應用。其中，微波治療[1][2]以其優越的止血效果、微小的組織損傷等優點，在醫療行業推廣應用了多年，其療效已得到醫務界的肯定。微波作用于機體組織時，它會引起組織細胞中離子、水分子和偶極子的高頻振蕩。當使用小劑量微波時，它會產生低熱效應，增強患者患處的血液循環，加快新陳代謝，增強免疫能力，因此能促進水腫吸收，消炎止痛;當使用大劑量微波時，它會產生高熱效應，使蛋白質變性、凝固、壞死，此時，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特性對各種疾病進行治療的醫療設備，它綜合了微波、傳感器、自動控制、計算機軟件和硬件等高科技技術。市場上的微波治療儀的控制系統多數采用單片機實現，普遍存在操作繁瑣、無圖形化操作界面、顯示不直觀的缺點。而采用PC機作為控制端的熱療儀又增大了設備的成本。這些因素都制約著該應用的迅速普及推廣。

由于ARM嵌入式技術能使控制系統小型化，并且開發出來的產品功能強大，成本低廉，具有較高的性價比。因此，我們根據微波熱療儀的市場需要，開發了一種新型的基于ARM嵌入式系統[3][4]、配置WINCE.NET操作系統[5]的微波熱療儀。本應用采用Embedded Visual C++工具[6]進行開發，該產品能實時監測人體溫度，具有微波刀，消融針的功能。該系統具有控制集成度高，運行穩定，操作方便以及直觀的圖形化界面顯示等特點。

1 硬件系統

1.1 硬件功能簡介

微波刀是一種將微波能量用來進行外科手術的微波手術刀。它由頻率為2000～10000 MHz，功率70～150 W連續可調的微波功率源，通過傳輸線與手術刀具相連組成。微波源產生的能量經傳輸線，沿手術刀具進入患者手術部位，實現手術目的。它具有止血效果好,刀口不碳化,滅菌,防止手術感染等特點，并且體積小,操作靈活。消融技術是使微波治療源經過人體自然腔道，準確定點的介入到人體的局部病變部位，自動精確的控制其治療功率、時間和治療范圍的技術。采用消融針能夠在不開腹的情況下對病癥進行有效治療，痛苦小。

本系統的微波發射器可外接微波刀和消融針，工作情況如下：

（1）微波刀：手術中微波刀在使用時，用戶通過人機交互界面控制微波刀的輸出功率，同時系統自動累計微波刀的運行時間，便于病歷記錄。

（2）消融針：消融針應用于熱療時，用戶可預先設置消融針運行功率、時間和警戒溫度，系統采用倒計時方式計算消融針運行時間，時間歸零后，系統自動切斷功率輸出。治療過程中，為了防止患者治療部位的溫度過高而造成組織損壞，系統還可以監視患處的溫度變化情況，當檢測到的溫度高于警戒溫度時，系統自動調低消融針的輸出功率;當檢測到的溫度恢復正常后，系統恢復消融針的輸出功率為預先設置值。

1.2 硬件組成

整個硬件系統分為三大部分，即嵌入式系統模塊、溫度采集及控制模塊以及微波源。圖1是系統的硬件結構圖。

圖1 硬件系統結構圖

圖2 嵌入式系統模塊結構圖

1.2.1 嵌入式系統模塊

嵌入式系統模塊的結構如圖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，作為系統的人機交互平臺供用戶操作使用。

嵌入式系統模塊是整個系統的核心控制部分，它提供友好的人機交互界面供用戶設定功率、時間和警戒溫度等參數，然后通過串口與單片機通信以控制微波源的輸出功率，并在液晶顯示器上顯示實時的溫度曲線。

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和溫度采集電路組成：

（1） 單片機。單片機采用Silabs公司的C8051F005芯片，該芯片內嵌12位A/D和12位D/A轉換器。它通過A/D采集8路溫度信號并經串口發送到嵌入式系統模塊中，同時將嵌入式系統模塊傳來的功率值通過D/A轉換成電壓以驅動微波源。此外，考慮到實際應用的方便性，模塊外接一腳踏開關，這樣用戶可直接用腳踏開關控制微波輸出功率。

（2）溫度采集電路。在熱療過程中，為了檢測人體患處的溫度變化情況，系統配置了溫度采集電路。它由8路熱敏電阻和信號放大電路組成，熱敏電阻先與固定電阻分壓，經信號放大電路放大后接到單片機的A/D轉換器。單片機再通過串口將溫度信號傳遞給嵌入式系統模塊，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，當磁控管的工作點設置合理、內部振蕩穩定時，微波可由諧振耦合器和同軸電纜耦合到專門設計的圓形輻射器輸出。該微波源主要由微波驅動電路和微波輻射器組成。它可外接手術刀和消融針（見圖3），為不同部件提供微波輸出。

圖3 微波源

由于微波源輸出的功率與驅動電壓之間為非線性關系，在本設計中我們預先測出功率與驅動電壓的對應關系表，控制程序通過查表將用戶設置的功率轉換成電壓值，并通過串口發送給單片機。單片機再通過其自帶的D/A轉換器輸出模擬電壓以控制微波源的功率輸出。

2 軟件系統

2.1 嵌入式操作系統WINCE.NET

Microsoft Windows CE.NET （又稱WINCE.NET）是一個緊湊、高效和可裁減的操作系統，適用于各種嵌入式系統開發中。它擁有多線程、多任務、完全搶先式優先級的特點，是一種面向嵌入式環境的實時操作系統。

Embedded Visual C++（簡稱EVC）是Microsoft公司推出的一套基于WINCE.NET平臺的可視化開發工具，它支持MFC類庫的子集，能夠給開發者提供強大的支持，與普通Win32程序開發方法相似，基于此特點本次設計采用EVC4.0版本開發。

2.2 軟件系統設計

根據硬件平臺的特點以及實際的功能需求，軟件系統分為兩部分：手術刀控制和消融針自動控制功能，其中消融針自動控制功能提供三種功能：人體溫度監視功能，微波功率自動調節功能以及消融針運行狀態控制功能。其中人體溫度監視功能提供溫度-時間（秒），溫度-時間（分）和功率-時間（分）三波形圖，如圖4所示。具體的系統流程圖如圖5所示。

圖4 軟件結構圖

圖5 程序流程圖

2.2.1 手術刀控制功能塊

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、計算微波刀運行時間、調整微波刀輸出功率和初始化功率、時間參數。

（a） 手術刀狀態顯示

b） 消融針控制圖圖6 軟件部分功能圖

嵌入式系統模塊與溫度采集及控制模塊之間主要通過串口通訊[7]（見圖1）。應用程序需要對串口數據進行編碼/解碼以達到控制的目的。串口通訊數據格式統一如下：

（1）數模轉換器向嵌入式系統模塊發送的數據長度為每幀21字節，傳輸格式（見表1）如下：①前導碼為0x55（1字節）;②開始/停止（1字節）：0x00表示停止;0xFF表示開始③功率值（2字節）：功率值為一個范圍（0—4095）;④溫度值（16字節）：每個溫度值取值范圍為0-4095（2字節），所以共需16字節;⑤結束碼為0xAA。

表1 溫度采集及控制模塊-嵌入式模塊數據格式

（2）嵌入式系統模塊給數模轉換器發送的數據格式如表2所示，共5字節，定義同上。

表2 嵌入式模塊-溫度采集及控制模塊 數據格式

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消融針運行控制功能：所選用微波源的型號、警戒溫度 、預運行時間和預輸出功率;控制消融針啟/停狀態②微波功率自動調節功能：當被治療的患處溫度超過警戒溫度時候，系統自動調低微波輸出功率，直到溫度恢復正常。③溫度監視功能顯示三種波形圖：溫度-時間（秒），溫度-時間（分）和功率-時間（分）波形圖。

3 實驗與結論

系統整合后，于室溫17℃的條件下我們對整個儀器進行過了測試。手術刀輸出功率為35W。啟動手術刀功能后，測得系統的表示輸出功率的模擬電壓值與時間的關系如表3：

表3 手術刀輸出模擬電壓-時間表

另外，設置消融針輸出功率35W,設置警戒溫度30℃。啟動消融針熱療功能，開始時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，繼續置入11.5℃水中。在此過程中，我們測得的功率轉換后的電壓值如表4：

表4 消融針輸出模擬電壓-時間表

實驗表明，控制系統能夠精確控制微波的輸出功率。同時，通過熱敏探頭，它能夠準確監視患處溫度變化，并根據預警溫度值對輸出功率大小進行調節，以防止患處溫度過高引發灼傷事故。實驗與理論的一致說明系統性能符合設計要求，今后還要不斷努力，完善人機交互界面，提高可操作性;完善軟件模塊與不同微波發射器之間耦合的接口，提高系統的兼容性和可擴展性。

本文的創新點：利用流行的嵌入式技術改進提升微波熱療儀的控制系統，該系統使熱療儀控制系統在小型化、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上流行的微波發射器，具有較高的可擴展性，實現了很好的市場價值。

關鍵詞： 微波 熱療儀系統 ARM