（信号与信息处理专业论文）高强度聚焦超声系统中设备控制子系统的设计与实现.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：高强度聚焦超声( h i g hi n t e n s i t yf o c u s e du l t r a s o u n d ，是近年来发 展较快的无刨肿瘤治疗技术。它利用超声波良好的组织穿透性、方向性及聚 焦性能，将超声波聚焦于靶区组织，使靶区组织温度在短时间内上升到6 5 以上，最终导致组织凝固性坏死，从而达到肿瘤治疗的目的。但是这种治疗 方式对正常组织及靶区周围组织不损伤或损伤很小。因此，超声治疗法越来 越受到人们的重视，国内外竞相在这一领域开展大量的研究。 高强度聚焦超声治疗系统是一个集自动控制、机械、医学图像处理、计 算机技术和生物医学效应等多种技术为一体的综合系统它包括计算机分析 与控制系统、超声功率转换系统、机械运动系统、水处理系统等部分。 本文在查阅大量文献的基础上对h i f u 系统的发展现状做出了分析，提 出了当前h i f u 控制特点和不足。h i f u 系统是一个高强度、高精度的治疗系 统，在对肿瘤进行有效治疗的同时，如果不能精确实时的控制，会给正常组 织和病人带来巨大损伤。因此，对系统的实时性和故障处理能力提出了很高 的要求。本文的研究重点就是如何能够提高系统的实时性具体内容如下： 1 、提出当前国内外h i f u 系统在系统控制方面存在的缺点不足，改进了系统 的控制结构，引入一个基于单片机的控制器子系统协助p c 机进行管理， 完成了该系统的硬件设计； 2 、对上下位机间的通讯协议进行研究，制订了详细的控制协议并加以软件 实现，实验证明系统的实时性和控制精度得到了提高； 3 、针对改进后的系统，对系统的功能和抗干扰能力进行了测试，验证了方 案的可行性。 实践证明，通过以上方案在提高系统实时性和紧急故障处理能力方面取 得了较好的效果，这些研究成果对h i f u 技术的迸一步成熟和发展具有一定的 参考价值。 关键词：高强度聚焦超声；实时控制；通信协议 分类号： a b s t r a c t ：h i g hi n t e n s i t yf o c u s e du l t r a s o u n d ( h i f u ) i so n eo ft h ep r o m i s i n gr e s u l t s i nn o n i n v a s i v et h e r m a la b l a t i o nt e c h n i q u e so ft u m o ri nr e c e n ty e a r s s i n c eu l t r a s o u n d c a n p e n e t r a t ci n t os o f tt i s s u e s ，h i f ui sa m e t h o do ff o c u s i n gu l t r a s o u n dw a v e s ( i n t e n s i t y o fh u n d r e d so rt h o u s a n d sw e r a 2 ) o nap a r t i c u l a ra r e a , i n d u c i n gs h a r pi n c r e a s ei n t e m p e r a t u r e ( a b o v e6 0 ) t h i sh e a tc a n b eu s e dt oc r e m el 髓i a n sa n dt i s s u ed e a t hd u et o c o a g u l a t i v en e c r o s i sa n dt h es u r r o u n d i n gt i s 甜l e sd on o tb ed a m a g e d t h eh f ut h e r a p ys y s t e mi sai n t e g r a t e ds y s t e mw h i c hi n c l u d i n ga u t o m a t i c , m e c h a n i c a l , m e d i c a li m a g ep r o c e s s i n g , c o m p u t e ra n db i o m e d i c a lr e a c t i o nt e c h n i q u e s i t c o n s i s t so fs e v e r a lm a i nc o m p o n e n t s ：ac o m p u t e ra n a l y s i sa n dc o n t r o ls y s t e m ，ah i f u a p p l i c a t o r , p o w e ra m p l i f i e ra n dt r a n s i t i o n ，f l u i d i ca n dd r i v i n gh y d r a u l i c s t h ec u r r e n td e v e l o p m e n ts t a m so fh i f us y 甜e mh a sb e e na n a l y z e da n dc u r r e n t q u e s t i o ne x i m e di nc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mh a sb e e np u tf o r w a r db a s e do nt h er e a d i n g o fal a r g en u m b e ro fr e f e r e n c e s t h eh i f us y s t e mn e e d sh i g h i n t e n s i t y a n d i n s t a n t a n e o u s ，w h i l et h et u m o ri si nt h e r a p y ，h u g ed a m a g ew i l lh a p p e nt on o r m a lt i s s u e i ft h ec o n t r o li sn o tp r e c i s e s o ，t h es t u d ye m p h a s i so ft h ed i s s e r t a t i o ni sf o c u s e d0 1 1h o w t oi m p r o v et h ea b i l i 哆o fr e a l t i m ec o n t r 0 1 t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 a n a l y z et h ec u r r e n td e v e l o p m e n ts t a t u so fh i f us y s t e m ，a n dc u r r e n tq u e s t i o n s e x i s t e di nc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m i nt h i sp a p e r , am i c r o - c o n t r o l l e ra t m e g a l 2 8 b a s e ds u b s y s t e mi sd e v e l o p e dt oc o n t r o ls u b o r d i n a t es y s t e ma n dc o o p e r a t i o nw i t h s e r v e r 2 t h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo fp r i n c i p a la n ds u b o r d i n a t ec o m p u t e rs y s t e mh a sb e e n a n a l y z e di nd e t a i l t h r o u g hd e s i g n i n gp a r t i c u l a rc o n t r o lp r o t o c o l ，h i g hc o n t r o l p r e c i s i o na n dh i g hr e a l t i m es y s t e mc a nb ea c q u i r e d 3 m a d et h ef u n c t i o nt e s ta n dp c f f o r m a n c ea n a l y s i s k e y w o r d s ：h i g hi n t e n s i t yf o c u s e du l t r a s o u n d0 - i i f u ) ；r e a l t i m ec o n t r o l ； c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l c i a s s n o ：t p 2 0 6 + 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索。 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 多移 签字r 期：7 司年i 月i 譬同 导师签名：铷绐 签字同期：川年，纱月f 参同 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：荡枷 签字吼 砷年 j 月莎日 致谢 本论文的研究工作是我在北京交通大学信息科学研究所两年半的工作成果。 在硕士学习生活完成之际，我衷心的感谢在过去两年多的时间中帮助过我的老师， 朋友和同学。 首先，我要衷心感谢我的导师胡秉谊副教授。在硕士学习生涯中，胡老师对 我的科研工作自始至终进行了悉心的指导，从科研的选题、论文研究到每一项研 究成果的发表都倾注了他大量的心血。同时胡老师为我提供了良好的研究氛围， 使我有机会参与国际前沿课题的研究，有机会了解并掌握相关研究领域的最新研 究动向。除此之外，胡老师以其渊博的知识，严谨的治学，谦虚的品格，敏锐的 洞察力以及对科学事业孜孜以求的献身精神时时影响着我。并将永远激励我在今 后的科学研究与工作中不断地探索和前进。 其次，我要感谢研究生学习期间的朋友和同学在实验室工作及撰写论文期 间，张如彩、李莹、王叔洋、王晶、李源、尹梓颖等同学对我论文中的研究工作 给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情，感谢他们陪我度过难忘的硕士 学习生涯 最后，特别感谢我的父母在我读硕士期间的全力支持，感谢他们的关怀与无 私的爱，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业，希望这篇论文能 带给他们欣慰与欢笑。 序 序 工业化的加快，自然环境的恶化，恶性肿瘤的发病率逐年增加，严重威胁着 人类生命健康和生存。肿瘤的防治问题成为当今预防医学和临床医学所面临的重 大课题和难题，一直受到全世界学者和人们的密切关注高强度聚焦超声( h i g h i n t e n s i t yf o c u s e du l t r a s o u n d ，h u ) 治疗手术，是一种具有广泛临床应用前景的微创 型肿瘤治疗手术，其治疗特点正好与当今肿瘤治疗的发展趋势相吻合，因此受到 广泛的关注和重视。 本文在参阅大量文献的基础上，仔细研究了当前h i f u 系统的控制技术，分析 了计算机集中控制方式和普通分布式控制方式的缺点和不足，在此基础上提出了 在分布式控制中引入以单片机为核心的设备主控制器，实时控制h i f u 系统各下位 机的方法，提高了系统的实时控制能力。 此课题集生物医学、机械工程学及计算机应用学的新技术、新思路于一体， 是多学科紧密结合的一种新技术的应用，对h i f u 系统的控制技术研究具有一定的 参考价值。 1 1 引言 1 绪论 高强度聚焦超声( h i g hi n t e n s i t yf o c u s e du l t r a s o u n d ，h i f u ) ，是近年来发展起 来的一项新技术“埘。它的基本原理是通过一定聚焦方式将超声能量汇聚到病变组 织的一个较小区域，使该区域内病变组织在高强度超声作用下发生不可逆转的凝 固性坏死，而该区域外的组织由于作用强度低、时间短而基本无损。组织内超声 聚焦形成的强度相对较高的区域称为“焦区”( f o c a lz o n e ) ，焦区内组织在超声照 射下形成的坏死区称为“焦斑”( 1 e s i o n ) ，一般超声源为1 m h z 以上。其基本治 疗原理如图1 - 1 所示。 超声源 目标组织 皮肤表面 图1 1h i f u 的基本原理 f i g 1 - 1t h eb a s i ct h e o r yo fh i f u 超声生物学效应是超声治疗学的生物物理基础，总的说来，高强度聚焦超声对 人体组织产生的生物效应主要包括：热效应、机械效应和空化效应。 ( 1 ) 热效应 一定强度的超声波在人体组织内传播时，与人体组织相互作用，其声能不断 被组织吸收而转变成热能，使组织温度升高 ( 2 ) 机械效应 超声波是一种机械波，因此当超声波在人体中传播时，不论其强度大小都将 产生机械振动治疗用的超声频率一般为兆赫级的，这意味着人体受到超声作用 处的组织质点每秒要作上百万次的高速来回振动人体细胞及组织在如此强烈变 化的力学环境中振动，其功能和状态都会受到很大的影响 ( 3 ) 空化效应 超声空化是指生物组织及其液体中的微小气泡核在超声波的作用下被激活， 它表现为微小气泡( 空化核) 酌振荡、生长、收缩及崩溃等一系列动力学过程。 当声波声强足够大时，声压幅值很大，作用于物质微元之间的拉力会把组织撕破， 造成空化泡，而在声波正压期间又使刚刚形成的空化泡压缩而使之崩溃。在空化 泡崩溃的瞬间会迅速产生高温、高压，促使附近组织受到严重损伤。 正是由于高强度聚焦超声这些显著的优点，它已经成为治疗超声领域新的研 究热点o 嗣。在国外，高强度聚焦超声己经被证明可以应用于脑、眼、心脏、肝脏、 肾脏、胰脏、直肠、前列腺等部位的肿瘤和疾病的治疗口卜n 们。在国内，上海交通 大学超声研究室“”1 哪、重庆医科大学医学超声研究所“叭魄也是进行该项技术研究 较早的单位，他们在动物实验和临床研究方面取得了丰富的成果。 1 2 f u 系统的总体结构 h i f u 肿瘤热疗机是一个集自动控制、机械、生物信号处理、医学图像处理、计 算机技术和生物医学效应等多种技术为一体的综合系统。该系统包含了计算机分 析与控制系统、机械运动系统、定位成像系统、h i f u 发生系统和永处理系统等多 个子系统，一般由治疗床、超声组合探头、循环水装置、扫描装置、治疗计划系 统、监视系统和控制系统组成，如图卜2 所示。 图卜2l t i f u 系统结构图 f i g , l - 2t h es t r u c t u r eo f h i f us y s t e m 2 超声组合探头是由一组超声治疗探头和超声诊断探头组合而成。超声治疗探 头发射的超声波通过聚焦用于产生足够强度的聚焦斑，以便对肿瘤组织进行“烧 蚀”治疗。超声诊断探头发射的超声用于获得肿瘤组织的结构，定位和治疗过程 监视。 循环水处理装置提供去气后供超声传播用的耦合介质，使超声波能够通过人 体，直达肿瘤部位。同时提供对人体的保护，降低耦合区的温度，以避免人体体 表受到烧伤。 扫描装置接受控制系统的指令，遥过坐标轴的相互配合提供超声聚焦斑更大 的运动空间，使得聚焦斑可以按照既定的治疗路线，对肿瘤进行多层次、多次数 的治疗。该部分必须能够提供足够的运动精度，通过机械运动支持肿瘤的定位和 治疗。 综上所述，h i f u 系统主要包含了机械运动系统、超声发生系统和水处理系统 等多个子系统，要使系统获得更优良的工作性能，必须对系统的各个子系统进行 精确高效的控制。因此，h i f u 系统控制方式的研究对h i f u 技术的发展以及i | 缶床应 用有非常重要的意义。 1 3 川f u 系统控制结构研究的意义 当前，h i f u 技术在系统控制领域主要应用两种控制方式伽 川： ( 1 ) 计算机集中控制方式。在该控制系统中，计算机作为系统主控制器采取 集中控制的方式直接与各下位子系统相连从而完成系统的控制。这种控制方式因 其结构简单，容易实现而被许多h i f u 系统所采用。但是，计算机集中控制方式也 存在着许多问题：系统接线工作特别繁重，因为每个现场设备都需要用线缆连 至控制器，因而为以后的查线、维护带来许多不便；信号可靠性、抗干扰能力 差；不同子系统在与计算机互相通讯上往往有些麻烦。 ( 2 ) 分布式控制方式。分布式控制方式采用现场总线技术，将各子系统按 照一定的方式挂接在总线上，采用全数字信号通讯。分布式控制方式由于其现场 设备的智能化与功能自治性，所以较集中控制方式具有更高的可靠性，而且在布 线和维护上带来许多便利。 分布式控制方式虽然较集中控制方式有所改善，但仍然使用计算机作为主控 制器，p c 机通过控制总线与各下位子系统连接以达到控制通信的目的。p c 机处理 实时数据时的响应速度侵，系统工作时，p c 机要轮询各下位子系统的运行状态， 对子系统进行实时控制和故障监测与处理。这样，c p u 资源被大量占用，可能产 生系统延时，降低了系统的实时监控性 由此可见，无论是计算机集中控制方式还是普通的分布式控制方式都存在其 缺陷和不足，无法满足h i f u 系统对控制可靠性和实时性的需求。因此，为了完善 h i f u 系统的控制性能，提高系统的实时处理能力，需要对h i f u 系统的控制结构进 行改进。 1 4 本文的研究工作 前面的叙述表明，当温度高于7 0 c 时，细胞的灭杀时间在0 0 1 0 1 秒左右。 因此，超声手术对时间的要求很高，必须在短时间内完成手术，否则超声刀会对 人体正常组织造成烧伤损害h i f u 系统性能的提高关键在于要有一个优异的控制 结构和高效可靠的控制系统，而目前无论是计算机集中控制结构还是分布式控制 方式都不能h i f u 满足系统的需求，因此，本文的研究重点是从系统控制结构方面 出发，改进h i f u 系统的控制结构，提高系统的实时性。 本文的研究主要从以下几个方面展开： 1 、针对当前国内外的h i f u 系统大多使用p c 机作为设备主控制器控制所存在 的缺点和不足，改进了系统的设备控制结构，引入一个基于单片机a t m e g a l 2 8 的 设备控制子系统，完成该子系统的硬件电路设计和单片机编程，以提高系统的实 时控制能力： 2 、对p c _ 2 与设备主控制器以及设备主控制器与各下位控制子系统的通讯要求 和控制指令进行分析研究，制订了详细高效的通信控制协议，并用软件对其加以 实现； 3 、针对改进后的h i f u 系统，对其进行功能测试和抗干扰能力测试，并在此基 础上对设备控制子系统的控制性能进行了分析。实验证明，系统的实时性和控制 精度得到了提高，能够达到系统的设计要求。 1 5 论文安排 本文共分五章，遵循h i f u 系统控制器的研究框架层次展开。 第一章，介绍了h i f u 技术的治疗原理和h i f u 系统的总体结构，同时回顾并分 析了h i f u 领域系统控制结构的研究状况以及面临的急需解决的问题，最后概括叙 述了本文的工作重点。 第二章，提出本文的h i f u 系统控制结构，并与目前国内外相同领域的技术进 行比较分析；同时提出了设备控制子系统的总体设计方案，并对其各部分进行了 详细地说明。 4 第三章，重点介绍了删系统的控制协议设计。首先详细地介绍了本文提出 的控制系统的总体控制流程，在此基础上对控制协议和控制指令的制定、通信的 软件实现以及系统调试时出现的问题进行了具体分析。 第四章，详细介绍了h i f u 系统设备控制子系统的硬件设计硬件电路设计主 要包括微处理器单元的设计、通信方式的选择和设计、外部存储模块的设计和电 源模块的设计；此外，还对硬件调试中出现的抗干扰问题做了具体阐述，并提出 了详细的解决办法。 第五章，将设备控制子系统运行于整个h 日系统，并对系统的性能和控制实 时性进行了测试，测试数据表明设备控制子系统的设计能够达到系统的需求。 5 h i f u 系统控翻子系统总体设计方案 2h if u 系统控制子系统总体设计方案 2 1 川f u 系统控制结构设计 当前，h i f u 技术在系统控制领域主要应用计算机集中控制方式和分布式控 制方式两种控制结构。计算机集中控制方式系统接线工作特别繁重、信号可靠性、 抗干扰能力差、不同子系统在与计算机互相通讯上往往有一些麻烦；分布式控制 方式使用计算机作为设备控制系统，p c 机通过控制总线与各下位子系统连接以 达到控制通信的目的，p c 机处理实时数据时的响应速度慢，降低了系统的实时 性。 为了减轻p c 机的负担，提高h i f u 系统的实时处理能力，需要设计一个具 有快速数据响应能力的设备控制子系统，与p c 机协同操作，由子系统快速管理 系统设备，再由p c 控制子系统完成设备操作。基于上述分析，h i f u 系统控制 结构的整体设计方案如图2 - 1 所示。 摩务罂 图2 1h i f i j 系统控制结构图 h g2 - 1c o n t r o ls y s t e m 加m eo fh i f u 7 圆圆洄 卿系统控制子系统总体设计方案 本方案在传统的分布式控制结构的基础上引入了一个基于单片机微处理器的 设备主控制器，设备主控制器通过串口与服务器( p c 机) 通信，由医生对p c 机的 界面操作完成控制指令的传达；同时，设备主控制器通过差分总线与各下位子系 统通信，完成设备操作。这种系统控制方式，与计算机集中控制方式和传统的分 布式控制结构相比存在很多优势： ( 1 ) 减轻服务器的负担，提高系统的实时处理能力。单片机具有实时数据处 理响应能力强、快速以及容易控制的特点。h ：p c 机处理能力强，但实时性不高， 用p c 机对各下位子系统进行状态扫描的实时性差，为此，本系统引入基于单片机 的设备控制子系统。由设备控制子系统承担轮询各下位控制器的状态、实时故障 检测和紧急故障处理等实时性要求高的任务，服务器只在需要的时候访问主控制 器就能了解各下位控制子系统的状态。这样，设备控制子系统分担了服务器的部 分任务，与普通的用p c 机完成所有控制任务相比，不仅节约了服务器的c p u 资源， 减轻了服务器的负担，设备控制子系统的高实时数据处理响应能力也提高了h i f u 系统的实时性和故障处理能力。 ( 2 ) 差分总线的设计结构，提高了系统的通信速率和通信可靠性，系统的 紧急故障处理能力也得到加强。计算机集中控制方式的通信链路存在很大的干扰， 系统的通信效率不高；一般的控制总线，比如说4 8 5 总线虽然在通信抗干扰能力 上有所改善，但其采用的是主从式的控制结构，每一次通信只能由主机发起，各 下位机没有主动发送通信数据的权力因此，当下位机出现紧急故障时无法主动 通过4 8 5 总线向主机报告故障，使得系统故障无法及时得到解决，从而对精确控 制产生影响。 h i f u 系统是一个实时性要求很高的系统，各下位子系统的故障必须立即告知 设备控制系统，以便设备控制系统及时采取措施排除故障，因此，普通的总线控 制结构无法满足h i f u 系统的控制要求。差分总线是一个包括4 8 5 总线、复位总线 和报警总线的总线结构。正常运行时，系统通过4 8 5 总线完成对下位子系统的控 制与数据传输。若下位子系统出现紧急故障或者4 8 5 总线无法正常通信，下位子 系统利用报警总线主动向设备控制子系统传达故障信息；设备主控制器则在接收 到故障报告后通过复位总线立即复位各下位控制子系统。报警总线和复位总线的 设计，提高了系统紧急故障的处理能力，保证了系统的可靠运行。 ( 3 ) 系统抗干扰能力强，并且易扩展。系统在总线接口上采用了光电隔离技 术，避免了各个控制器和外界对控制总线的干扰，提高了系统的通信效率。此外， 任何其它控制器只要拥有该总线结构就能方便地接入到此控制网络，系统具有很 强的扩展性。 综合以上分析，采用差分总线的设备控制子系统的设计在h i f u 系统控制结构 8 h i f u 系统控制子系统总体设计方案 和控制方式上作了很大的改进，与计算机集中控制方式和普通的总线控制相比， 设备控制子系统的引入使得系统的控制精度、控制实时性和系统抗干扰能力都有 很大的提高。 2 2 设备控制子系统设计 本系统设计的目标是提高系统的实对性，实时的含义是指在规定的时限内传 递正确的结果，迟到的结果就是错误。实时系统并非是“快速”的系统，而是具 有可预测性的系统，它具有限定的响应时间。实时系统可以分为“硬实时系统” 和“软实时系统”：前者如果不满足响应时限、响应不及时或者过早响应，会导 致系统产生灾难性的后果，比如航天航空系统；而后者不满足时限的条件，则只 会引起系统的退化，不会产生更严重的后果，如一般的交换系统。 实时系统是指具有实时性，能够支持实时工业控制系统工作的系统。实时系 统的首要任务是调用一切可以利用的资源来完成实时控制的任务，其次才是考虑 如何提高嵌入式计算系统的使用效率。它的一个很明显的特点就是通过任务调度 来实现重要的事件在规定的时间内做出正确的响应。 本文所述控制方案的实现，是建立在设备控制子系统的基础上，因此设备控 制子系统的实现是系统性能提高的关键。 2 2 1 微处理器的选择 h i f u 技术将高强度的超声能聚焦于治疗区域，加热时间仅需0 1 - 1 秒，组织温 度就可达到6 5 c 以上，在此温度下细胞只要在0 0 1 0 1 秒左右，其细胞蛋白质就 能迅速出现凝固性坏死。由于生物活体内存在热传导问题，在对肿瘤进行治疗的 同时，也会使周围正常组织受到影响，当正常组织的能量积累到定程度将会引 起正常组织的损伤。因此，系统要求其控制时间在l o o m s 以内，即要求设备主控制 器能在l o o m s 内完成对各下位子系统的一次状态轮询并对故障做出及时的响应，以 而减少超声对正常组织造成的损伤。 研究表明，p c 机的数据处理响应时间一般在0 2 - 2 秒之间，其平均响应时间大 于l o o m s ，无法满足h i f u 系统的设计要求为解决p c 机实时监控性差和资源占用较 多的问题，本文引入了一个基于单片机微处理器的设备控制子系统。单片机是整 个设备控制子系统的核心，其性能直接影响到整个设计方案的实现。 本系统选用的是a t m e g a l 2 8 单片机，它是一款基于a v rr i s c 结构的8 位低功耗 c m o s 微处理器，其特点是速度快、时钟频率高。作为高速单片机，该处理器可以 9 h f u 系统控制子系统总体设计方案 达到一个时钟周期执行一条指令，绝大部分指令都为单周期指令：此外，a t m e g a l 2 8 支持多种外部时钟源，其最高可达到1 6 m 也。因此，该单片机完全能够达到h i f u 系统对控制时间的需求。 2 2 2 通信方式的选择 在本文所述h i f u 系统中，设备主控制器与p c 机( 服务器) 通信，接收医生 的手术操作命令，产生相应的控制指令控制各下位子系统按照要求协调运行，并 向服务器返回各下位子系统的状态信息；设备主控制器也要与各下位子系统的通 讯，以完成控制指令的转发、各下位子系统状态查询等任务。通信的效率和质量 直接影响h i f u 系统的控制性能，因此，必须选择合适的数据通信方式o ”吖“。 1 2 5 v 之前，r s t 必须保持低电平。只有在s c l k 为低电平时，才能将r s t 置为高电平。i ，o 为串行数据输入输出端( 双向) ，s c l k 始终是输入端。 4 1 4 电源模块设计 电源模块电路为整个系统提供电源，本系统中需要稳定的直流5 v 电压。如图 4 - 1 2 所示，本系统采用l m 2 5 7 6 作为电压转换器件，输入2 4 v 直流电压经过l m 2 5 7 6 转换成5 v 直流。另外，通过d c - d c 变换器件产生隔离后的5 v 直流电压，分别给系 统单片机、光耦等各部分供电。 4 2 硬件抗干扰设计 4 2 1 硬件干扰的来源 图4 12 电源模块电路 f i g4 - 1 2c i r c u i td i a l - a mo fp o w e r 设备控制子系统用于通信控制时，要求具有较强的抗干扰能力和较高的稳定 性。抗干扰的能力主要表现在抗高频干扰上，高频干扰一般可分为外部干扰和内 部干扰两类。外部干扰源主要是由其他物体和没有辐射的电磁波产生的强电场和 设备控制子系统硬件设计 强场，以及通过保护装置端子从外界引入的浪涌；内部干扰源是指由系统结构布 局和生产工艺等决定的串扰。它主要包括杂散电容、电感结合引起的不同信号感 应、长线传输造成电磁波的反射、各点接地造成的电位差干扰等。对于其内部干 扰，应通过合理的系统结构设计、元件布局和生产工艺来克服。 本系统中由于单片机自身的抗干扰比较差，尤其是在一些条件比较恶劣，噪 声大的场合，单片机常常会因外界干扰发生死机等意外状况，造成系统不能正常 工作。此外，还需要考虑的干扰源是伺服电机运行时的高频干扰和超声探头功率 驱动器作用所产生的干扰对总线通信的影响。 4 2 2 硬件抗干扰措施 本系统在硬件设计中主要采取以下抗干扰措施： ( 1 ) 总线上的抗干扰措施 总线上的干扰主要采用光电耦合对信号进行绝缘隔离传输的方法来抑制各种 干扰。在单片机部分和总线部分分别采用隔离前后的电源供电，并且隔离前后的 电源和地线不能相连。电源隔离电路如图4 1 3 历示。 图4 - 1 3 电源隔离电路如图 f i g4 - 1 3c i r c u i td i a g r a mo fd c d c ( 2 ) 电路板本身的抗干扰措施 在结构布局上，数字电路、模拟电路、大电流器件和噪声源器件分开放置。 对于频率很高的c p u 时钟电路，尽量靠近管脚放置，使时钟线尽量短。特别注意使 时钟信号线和数据总线尽量远离模拟部分模拟部分和数字部分应采用分离的电 源系统和接地系统。模拟部分接地采用单点接地法，即每个电压电流通道自成系 统，有各自的电源线和地线。电源线和地线最后连接到装置的电源端，减小公共 接地元件接地阻抗不同造成各模拟信号之间的耦合 数字电路信号电平转换过程中会产生很大的冲击电流，这一冲击电流在电源 内阻抗和公共传输导线阻抗上将产生压降，使供电电压跳动，从而形成一个干扰 源。为了减小这一千扰，在每个集成电路芯片的电源和地线之间加了去耦电容。 去耦电容一方面提供和吸收该集成电路逻辑门开关瞬间的充放电能量，另一方面 旁路掉该器件的高频噪声。 4 3 本章小结 本章重点介绍了h i f u 系统中设备主控制器的硬件电路设计，主要包括单片机 模块、电源模块、数据通信模块、外部存储模块和电源模块的电路设计。此外， 还对硬件设计中的干扰问题进行了分析和介绍，提出了解决干扰问题的方法。 结构与讨论 5 1 系统功能测试 5 结构与讨论 本系统应用于m s h i f u 一1 型h i f u 系统并针对系统的通信质量和控制实时性 两个方面进行了功能测试。测试中服务器、设备控制子系统和各下位子系统的排 列结构和通信线长度如图5 - 1 所示； 4 2 m 2 m0 2 s m 0 2 5 m 2 4 m 1 s i n1 0 m 图5 - 1 通信线路及长度 f i g5 - 1s t a t u so fc o m m u n i c a t i o n 在通信误码率测试中，要求p c 机以1 0 m s 的问隔不断向设备控制子系统发送 中断数据包，下位子系统响应设备控制子系统并返回操作结果。测试在无电机和 超声干扰，电机和探头工作两种不同环境下进行，测试数据及结果如表5 - 1 所示。 结构与讨论 数据显示，在没有伺服电机和超声探头的干扰下，系统的误码率接近为零；在伺 服电机工作而超声探头不工作的情况下，系统的误码率为1 0 1 0 一；在伺服电机 匀速运动且超声探头工作的情况下，系统的误码率为1 7 i 0 ；在伺服电机变速 工作且超声探头工作的情况下，系统的误码率为1 9x1 0 总体看来，在没有伺服电机和超声探头的强干扰下，本系统通信基本不存在 误码率；伺服电机和超声探头分别对系统通信存在不同程度的干扰，并且伺服电 机的速度和超声探头的强度的改变对系统通信的质量存在一些影响，但影响不是 很明显，系统的总体通信误码率仅为1 0 一。 表5 - 1 误码率测试结果 1 ：l b l e5 1e r r o rr a t eo fc o m m u n i c a t i o n 测试环境 发送数据包个数正确接收数据包个数 误码率 无电机、 1 0 0 2 8 9 6 71 0 0 2 8 9 6 7 0 超声干扰 电机工作 1 4 2 7 5 2 4 01 4 2 7 3 8 1 3 1 0 1 0 4 探头不工作 电机匀速 1 0 0 6 3 0 1 5 1 0 0 6 1 3 1 5 ， 1 7 1 0 - 4 探头工作 电机变速 1 0 4 6 2 8 1 6 1 0 4 6 2 8 1 6 1 9 1 0 4 探头工作 在实时控制方面，首先根据系统的数据通信速率、控制指令的长度计算出系统的 轮询周期，然后实验验证其可行性，结果如表5 - 2 所示。 表5 - 2 轮询周期测试 t a b l e5 - 2c y c l eo fi n q u i r y 查询方式 时间( m s ) 单次单个下位机( 最快) 5 单次单个下位机( 最慢)1 6 单次轮询( 最快)2 6 单次轮询( 平均)3 0 结构与讨论 测试数据显示，系统完成单个下位子系统状态查询最快仅需5 m s ；系统完成 单次下位子系统轮询最快仅需2 6 m s ，考虑误码重发，其轮询周期小于3 0 m s 。前文 已经分析过系统的实时性要求是l o o m s ，因此本设计完全能满足系统要求。 测试结果表明，该子系统能够快速管理各下位机，并与p c 协同操作完成设备 控制。该设计提高了系统的实时处理能力，减轻了c p u 的负担，达到了系统的设 计要求。 5 。2 工作总结 高强度聚焦超声技术优越于传统的外科手术，使病人无需接受开刀治疗，因 而吸引了众多研究人员的关注，但大多数研究员将精力集中在焦域生成上的研究， 对设备的控制系统研究较少。同对，由于目前h i f u 设备的控制系统的针对性比较 强，大都实现了现代化，涉及到了知识产权问题，并不公开相关技术，对每个系 统的优劣评价都各有立场。因此，为了促进我国在该领域的发展，设计了一个基 于单片机的设备控制子系统用于提高h i f u 系统的实时性，并通过实验证明该方案 是可行的。本文的工作主要集中在以下几点： 系统的研究了当前国内外h i f u 系统的控制结构，总结了各种控制结构在 时间性能、抗干扰能力、操作可行性方面的优劣，提出了基于设备控制子系统的 h i f u 系统控制方案。 完成设备控制子系统的硬件设计与调试，在通信总线设计上引入了复位总 线和报警总线，解决了普通现场总线在系统控制上的缺陷，提高了系统的实时性 和紧急故障处理能力。 在仔细研究了h i f u 系统的控制需求的基础之上，制定并优化了系统的通 信协议，并对系统协议的可行性进行了分析，完成了协议的软件实现和测试，从 而实现了系统的精确控制。 对改进后h i f u 系统进行了功能测试，并对系统控制能力和控制实时性进 行分析，验证了本设计方案的可行性。 实践证明，通过以上方案在提高系统实时性和紧急故障处理能力方面取得了 较好的效果，这些研究成果对h i f u 技术的进一步成熟和发展具有一定的参考价值。 4 3 参考文献 参考文献 1 寿文德，用于肿瘤治疗的高强度聚焦超声( h i f u ) 技术，中国医疗器械杂志， 2 0 0 2 2 6 ( 5 ) ：3 1 3 3 1 5 2 冯若，高强聚焦超声( h i f u ) 无刨外科2 1 世纪治疗肿瘤的新技术，应用声学， 2 0 0 1 ，2 0 ( 2 ) ：3 8 4 2 3 w j f r y ，j w b a r n a r d ，f j f r y ，p r o d u c t i o no ff o c a ld e s t r u c t i v el e s i o n s i n t h ec e n t r a ln e r v o u s s y s t e mw i t hu l t r a s o u n d ，j n e u r o s u r g ， 1 9 5 4 ，11 ，4 7 1 4 7 8 4 j g l y n n ，r l z w e m e r ，a j c h i c k ，丸f m i l l e r ，an e wm e t h o df o rt h e g e n e r a t i o na n du s eo ff o c u s e du l t r a s o u n di ne x p e r i m e n t a lb i o l o g y ， j g e n p h s i 0 1 1 9 4 2 ，2 6 ，1 7 9 1 9 3 5 k h y n y n e n , r e v i e wo fu l t r a s o u n dt h e r a p y , i e e eu l t r a s o n i c ss y m p o s i u m , 1 9 9 7 ，1 3 0 5 1 3 1 3 6 c j d i e d e r i c h ，k h y n y n e n ，u l t r a s o u n dt e c h n o l o g yf o rh y p e r t h e r m i a ， u l t r a s o u n di nm e d b i 0 1 ，1 9 9 9 ，2 5 ( 6 ) ，8 7 1 8 8 7 7 配h y n y n e n ，j s u n ，t r a n s - s k u l lu l t r a s o u n dt h e r a p y ：t h ef e a s i b i l i t yo f u s i n gi m a g e d e r i v e ds k u l lt h i c k n e s si n f o r m a t i o nt oc o r r e c tt h ep h a s e d i s t o r t i o n ，i e e e t r a n s a c t i o no n u l t r a s o n i c s ，f e r r o e l e c t r i c s ，a n d f r e q u e n c yc o n t r o l ，1 9 9 9 ，4 6 ( 3 ) ，7 5 2 7 5 5 8 n t s o n g h v i ，k h y n y n e n ，f l - l i z z i ，n e , d e v e l o p m e n t si nt h e r a p e u t i c u l t r a s o n i cu l t r a s o u n d ， i e e e e n g i n e e r i n g i nm e d i c i n ea n d b i o l o g y ，1 9 9 6 ，8 3 9 2 9 n b s m i t h ，k h y n y n e n ，t h ef e a s i b i l i t yo fu s i n gu l t r a s o u n df o r t r a n s m y o c a r d i a l r e v a s c u l a r i z a t i o n ，u l t r a s o u n d i r $ t e d b i 0 1 ，1 9 9 8 ，2 4 ( 7 ) i o d r d a u m , 亿h y n y n e n ，c u t t i n ge d g ea c o u s t i c s - n o n i n v a s i v es u r g e r yu s i n g u l t r a s o u n d ，i e e ep o t e n t i a l s ，1 9 9 9 ，1 7 2 0 1 1 3 d r d a u m , n b s m i t h ，r k i n g ，k h y n y n e n ，i nv i v od e m o n s t r a t i o no f n o n i n v a s i v et h e r m a ls u r g e r yo ft h el i v e ra n dk i d n e yu s i n gu l t r a s o n i c p h a s e da r r a y ，u l t r a s o u n di nm e d i c i n ea n d b i o l o g y ，1 9 9 9 ，2 5 ，1 0 8 7 - 1 0 9 8 1 2 a v z a i t s e v , n t s a n g h v i ，s i k e n b e r