（信号与信息处理专业论文）高强度聚焦超声治疗设备的水处理系统.pdf

北京交通大学硕士学位论文中文摘要 中文摘要 摘要： 本文涉及一种h i f u 水处理系统的设计，包括脱气装置设计和水槽式储水装黄 设计。 h i f u 脱气装置包括真空脱气机、水泵、压力罐、恒温机、压力传感器和电磁 阀门，可以实现脱气处理、净化处理、恒温处理和压力控制。以上处理可使介质 水脱气至4 p p m 以下，水中固体颗粒物直径小于1 0l jm ，水温在2 5 到3 5 摄氏度之 间，水压在2 b a r 到3 b a r 之间。 水槽式h i f u 储水装置设计可满足：泄洪口高，泄洪量大，不产生形变，不因 侧壁反射而影响超声波分布，皮囊设计便于运动机构带动探头在三维方向上自由 运动，皮囊与探头及水槽紧密配合。 h i f u 水处理控制电路可实现各设备的开关的控制，水压自动控制，水槽水位 自动调节，各种状态量及开关量的检测，上位机通过串行通讯检测水处理系统状 态及控制其运作。 关键词：高强度聚焦超声；水处理系统；脱气装置；储水装置 分类号：t p 2 0 5 ；t p 2 0 6 + 3 北京交通人学硕士学位论文 a b s t r a c t ： a b s t r a c t 1 1 1 i sp a p e ri n v o l v e saw a t e rp r o c e s s i n gs y s t e md e s i g n e di nh i g hi n t e n s i t yf o c u s e d u l t r a s o u n d ( h i f u ) t r e a t m e n ts y s t e m ，w h i c hi n c l u d e st w op a r t s ：t h ew a t e rc o n t a i n e r d e s i g na n dw a t e rp r o c e s s i n ge q u i p m e n td e s i g n h i f uv a c u u md e a e r a t i o ne q u i p m e n ti n c l u d e sav a c u u md e g a s s i n gm a c h i n e ，a p u m p ，ap r e s s u r et a n k ，at h e r m o s t a t i cm a c h i n e ，p r e s s u r es e n s o r sa n de l e c t r o m a g n e t i c v a l v e s t h o s ee q u i p m e n t sd ow e l li nd e g a s s i n gp r o c e s s i n g ，p u r i f i c a t i o np r o c e s s i n g , t h e r m o s t a t i cc o n t r o la n dp r e s s u r ec o n t r 0 1 t h r o u g ha c t i n gw i t ht h ep r o c e d u r ea b o v e ，t h e w a t e ra st h em e d i u mc a nb ed e g a s s e db d o w4 p p m ，d i a m e t e rs o l i dp a r t i c l e sb e c o m el e s s t h a nlo 岬，a n dt h et e m p e r a t u r ei ss t a b l eb e t w e e n2 5 0 ca n d3 5 0 c ，a n dt h ep r e s s u r e b e t w e e n2 b a ra n d3 b a r h i f uw a t e rc o n t a i n e re q u i p m e n ti saw a t e rt a n k f i r s t ，t h et a n kh a st h r e eh i g h f l o o dc a r r y i n gc h a n n e l sa n db i gf l o o dc a r r y i n gc a p a c i t y s e c o n d ，t h es t a i n l e s ss t e e lt a n k c a l la v o i dd e f o r m a t i o n n i r d t h et a n k sf o u rs i d e sa f f i x i n g 、) i r i t hm a t e r i a lw h i c hc a l l a b s o r bu l t r a s o u n dw a v eg u a r a n t e e su l t r a s o u n dd i s t r i b u t i o nt ob eu n a f f e c t e d l a s t ，a r u b b e rb l a d d e ri sd e s i g n e dt of i xt h ep r o b ea n dt h et a n kc l o s e l y , a n ds u p p l yt h ep r o b e f r e em o v e m e n t si nat h r e e d i m e n s i o n a ld i r e c t i o n h i f uw a t e rp r o c e s s i n gc o n t r o lc i r c u i ti sa b l et os w i t c ht h ee q u i p m e n t ， a m o m a t i c m l ya d j u s tw a t e rp r e s s u r ea n dl e v e l ，a n dt e s tt h es t a t e sa n dt h es w i t c h e si nt h e s y s t e m c o n t r o ls e r v e rc o n t r o l sw a t e rp r o c e s s i n gs y s t e ma n dg e t st h es t a t u st h r o u g hs p i 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 d ；w a t e rp r o c e s s i n gs y s t e m ；v a c u u m d e a e r a t i o ne q u i p m e n t ；w a t e rc o n t a i n e re q u i p m e n t c l a s s n o ：t p 2 0 5 ：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：t 鼬i 1 一 签字日期：砷弓年月必日 新躲协 签字r 期：渖6 年占月卢e t 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： ；晶 签字同期： 如8 年乡月么日 4 9 北京交通大学硕士学位论文 致谢 致谢 本论文的工作是在我的导师胡秉谊教授的悉心指导下完成的，在学习上和生 活上，胡教授都给予了我很大的关心和帮助，胡教授严谨的治学态度和科学的工 作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢多年来胡老师对我的关心和指导。 生物医学工程系的教授们及论文开题答辩组的教授们对于我的科研工作和论 文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，刘起芳、张如彩、李莹、盛艳、李源、王叔 洋、尹梓颖、彭大静等同学对我论文中的研究工作给予了热情的帮助，在此向他 们表达我的感激之情。 感谢河南迈松医用设备制造有限公司的管理人员和工程技术人员，为本文的 工作提供优良的实验环境及技术支持。 由衷感谢我的家人，特别是我的祖父、父母、舅姨、兄弟姐妹、孙阳及其家 人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业，他们一直不断的鼓励、 不计回报的付出，让我始终保持前进的动力。 最后，祝福所有帮助过我的人们身体健康、平安快乐! 北京交通大学硕士学位论文第1 章综述 第1 章综述 本章将介绍高强度聚焦超声( 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 简称h i f u ) 的概 念、物理机理，并以北京交通大学生物医学工程系研发的h i f u 治疗设备为例，简 单介绍h i f u 治疗设备的结构。另外，本章简述了h i f u 技术及h i f u 治疗设备的 国内外现状。h i f u 治疗设备采用水作为聚焦超声与人体耦合的介质，介质水对聚 焦超声声场分布有一定的影响，如何制备符合治疗要求的介质水，就是本文的主 要研究工作，在本文研究内容一节中将简单介绍本文设计的水处理系统的原理、 构造等。 1 1 医学超声概述 从应用角度，医学超声可分为诊断超声和治疗超声。 诊断超声主要以提取生物体信息为目的，要求分辨率尽量高，一般使用的频 率在1 m h z 以上，超声强度一般都足够小，不会对生物组织造成损伤。 与诊断超声相反，治疗超声是以低频高能量形式作用于生物组织。当一定强 度的超声波在生物体内传播时，它们与生物组织之间发生相互作用，引起生物体 功能或结构发生变化，这是治疗超声的生物学基础【l 】。治疗超声传统上可分为理疗 超声和热疗超声【2 j ，理疗超声使用的能量较低，其目的是：在超声辐照的组织内产 生有益的、通常是可逆的变化，从而促进组织伤口愈合或激发某类活性细胞使机 体恢复正常功能。超声热疗是将大块组织加温至4 3 - 4 5 摄氏度，加热时间至少为 3 0 分钟，使被加热组织中的病变组织( 如肿瘤) 由于其结构特点导致死亡，而正常组 织由于血流散热等影响，在超声辐照后一段时间内自行恢复其生理功能而基本不 受影响。通常热疗不单独使用，而是与放疗或化疗结合。当被加热病变组织( 如肿 瘤) 中存在大血管时，大血管周围病变组织难以达到良好热疗效果，这主要是因为 大血管散热较快的缘故。 直到1 9 4 2 年，l y n n t 3 j 曾提出并尝试用聚焦超声治疗脑疾病，在治疗p a r k i n s o n 综合症方面进行了临床实验( 开颅，耗时1 4 小时) ，结果令人鼓舞，这一研究丌启 了治疗超声的新篇章，自此，h i f u 技术引起世界各国众多工程技术人员和医学工 作者的极大关注。 1 2 h i f u 治疗系统 h i f u 属于治疗超声范畴，其机理是：对低m h z 量级频率的超声束在人体外 北京交通大学硕士学位论文第1 章综述 进行聚焦，使焦点的声强高达几千至几万瓦每平方厘米。声束以体表可以接受的 低声强进入人体，使焦点置于靶组织( 如肿瘤) 上，短时间( o 5 s - - 一5 s ) 辐照使靶组织温 升到6 0 摄氏度以上致其急性热坏死又不伤及周围的正常组织【4 j 。这项技术的诱人 之处在于：一定强度照射下，如果辐照时间足够短，则组织内的热场分布与热扩 散没有关系【5 】【6 】，正常组织几乎不受影响【3 1 。c h e r t t 7 】等建议：辐照时间最好保持在 3 秒以内，这与h i l l 的理论预测是一致的1 6 l 。 1 2 1h i f u 对组织损伤的物理机制 h i f u 技术对组织的损伤具有很高的精确性。研究表明：焦斑与未受损伤组织 之问有明显的分界线，英国伦敦皇家医院超声治疗科8 1 发现：在完全被杀死的细胞 和未损伤的细胞之间只隔6 个细胞的宽度。 超声源 目标组织 皮肤表面 图1 1 h i f u 治疗示意图 f i 9 1 it h ep i c t u r eo f h i f ug e a t m e n t h i f u 技术对组织的损伤的物理机制主要包括：热效应、机械效应、空化效应 等。 热效应：一定强度的超声波在组织内传播时，不断被组织吸收而转变为热量， 使组织温度升高。以软组织为例，其温升公式为： a t = 0 0 1 2 i t f 1 一( 1 1 ) 由上式可见，组织升温取决于超声的频率、声强、组织吸收系数等因素。声 强越大、频率越高、组织吸收系数越大，超声能量越容易转化为热量，组织温度 上升越快。h i f u 技术可以使聚焦区域声强达到几百瓦每平方厘米或更高，在如此 高的强度下，焦区组织在短时间内就能上升到6 0 摄氏度以上，使细胞蛋白持凝固 性坏死，达到治疗的目的。 机械效应：超声波同时也是机械振动的传播，那么描述波动过程的各有关力 学参数，如质点位移、振动速度或加速度及声压等都可能与声波的生物效应有关。 可以设想，当声波频率为1 m h z 时，生物体系中的大分子、细胞及组织结构处在 2 北京交通大学硕士学位论文第1 章综述 激烈的机械运动场中，其功能、生理过程及至整个结构都有可能受到影响。 空化效应：高强度聚焦超声辐照组织时，常常伴有空化效应。研究p j 表明：当 超声辐照强度超过一定值时，焦斑中通常含有小“孔 ，这些孔的产生主要由空化 效应所引起。冲击波研究发现，如果空化机制参与作用，会对细胞的急性损伤程 度增加，经冲击波和空化效应联合作用后，细胞的繁殖能力和d n a 合成能力均明 显低于受冲击波作用者【10 1 。但是，由于空化效应可能使焦斑位置难以预测】【1 2 】， h i f u 过程中应避免发生空化效应。 1 2 2h i f u 技术发展现状 h i f u 技术在上世纪五、六十年代有过较快的发展，在动物实验以及应用研究 方面做了许多工作，但是由于当时成像和定位技术的局限，该技术没有能够迅速 发展起来。进入8 0 年代，随着相关技术问题逐步得到解决，尤其是高精度成像技 术的飞速发展，该技术又引起众多工程技术人员和医学工作者的极大关注【l3 1 。9 0 年代初，高强度聚焦超声外科技术在国际上兴起，研究工作迅速在美、英、德、 日等国展开，目前国外比较活跃的研究小组有：u n i v e r s i t yo fm i n n e s o t a , e l e c t r i c a l a n dc o m p u t e re n g i n e e r i n g ，b i o m e d i c a ld e v i c e sa n ds y s t e m s ，e m a ds e b b i n i | 1 4 j 领导的 小组； u n i v e r s i t yo fh a r v a r d ，d e p a r t m e n to fr a d i o l o g y , b r i g h a ma n dw o m e n s h o s p i t a l ，h a r v a r dm e d i c a ls c h o o l ，h y n y n e n 1 5 j 【1 6 】教授领导的小组；u n i v e r s i t yo f w a s h i n g t o n ，d e p a r t m e n to fb i o e n g i n e e r i n g ，l a w r e n c eac r u m 【1 7 】1 1 8 】领导i m a g e - g u i d e d h i f ut h e r a p y 小组；t h er o y a lm a r s d e nh o s p i t a li nl o n d o n ，g a i lt e rh a a r t l 9 】【2 0 】领导 的小组。自1 9 9 7 年底起，我国h i f u 进入临床治疗，并取得了极其可喜的成绩： 重庆医科大学医学超声工程研究所目前已研制出“海扶”聚焦超声刀；西安交大 生物医学工程系研制出2 5 6 相控阵的高强度聚焦超声治疗设备；北京大学人民医 院应用碎石研究所与北京源德公司合作成功研制无创高强度聚焦超声治疗机；上 海交通大学研制出计算机辅助体外高强度聚焦超声无创伤性外科治疗设备；北京 交通大学生物医学工程系研究成功高强度聚焦超声治疗设备【2 2 1 。目前，有实验证 明【2 1 h i f u 可治疗的有：肝癌、乳腺癌、恶性骨肿瘤、软组织肉瘤、肾癌、胰腺癌、 盆腔肿瘤、转移性肿瘤、乳腺纤维瘤、子宫肌瘤及肝血管瘤等实体肿瘤，临床疗 效令人满意。 1 2 3h i f u 治疗系统设备 北京交通大学设计研发的h i f u 治疗设备包括：医护工作站、控制子系统、定 3 北京交通大学硕士学位论文第1 章综述 位系统、聚焦超声源及水处理系统。 图l - 2 一台高强度聚焦超声治疗设备 f i 9 1 2a k i n do f h i f ue q u i p m e n t 医护工作站包括p c 机及服务器，主要进行整个治疗过程中图像截取、图像处 理和治疗计划制定，以及在治疗过程中的温度等数据监测，治疗效果确认等工作。 控制子系统受医护工作站控制，通过r s 2 3 2 串口与服务器连接，同时通过差 分总线控制各下位机( 即：定位系统、聚焦超声源及水处理系统等) 。采用该种控制 方式，由控制子系统承担下位机状态轮询、紧急故障检测等实时性要求比较高的 任务，这样，设备控制子系统分担了p c 机的部分工作，节约了主芯片的资源，减 轻了p c 机的负担。 定位系统包括三维运动机构及其控制设备，由若干电机协作完成，该系统可 以使聚焦超声换能器运动到合适位置，开始聚焦治疗过程，并且以一定的速度对 某一立体区域生物组织进行辐照。 聚焦超声源包括聚焦超声换能器及其控制设备，北京交通大学生物医学工程 系研发的h i f u 治疗设备采用对称分区的多元高强度聚焦超声换能器【2 2 1 ，其示意 图见图1 3 ，图中只显示了一个分区的超声振子，该换能器已经申请了实用新型专 利。这种实用新型提供了一种利用对称式超声换能器片阵列实现入射方向和焦域 形状的精确高速，且能够组合b 超换能器和排水孔实现图像引导和水位控制的高 强度聚焦超声换能器。 图1 3 一种对称分区的多元高强度聚焦超声换能器 f i 9 1 3h i f ut r a n s d u c e rw i t hm u l t i p l ed i s t r i c t s 4 一 北京交通大学硕士学位论文第1 章综述 水处理系统包括储水装置、脱气装置及其各自的控制设备。北京交通大学生 物医学工程系研发的h i f u 治疗设备分别对水处理系统的脱气装置及储水装置申 请了实用新型专利，本文作者是这两项发明的发明人之一。h i f u 治疗设备的脱气 装置( 图1 - 4 ) 包括脱气处理、净化处理、恒温处理和压力控制四个环节，能使介质 水达到含氧量在4 p p m 以下，固体颗粒物直径小于1 0 1 a m 水温在2 5 。c 到3 5 。c 之间， 水压在2 b a r 到3 b a r 之间。新型的水槽式h i f u 治疗设备的储水装置( 图1 5 ) 包括 水槽和皮囊两个部分，该实用新型具有泄洪口高度合理、排水量大、与运动控制 系统及探头完全配合、可自动水位调节、不影响超声波分布等特点。这些内容是 本文的重点，将在以后的章节中具体说明。 图1 _ 4 h i f u 治疗设备的脱气装置 f i 9 1 4h i f uv a c u u md e a e r a t i o ne q u i p m e n t 图l - 5 水槽式h i f u 治疗设备的储水装置 f i 9 1 5t a n k - s t y l eh i f uw a t e rc o n t a i n e re q u i p m e n t 定位系统、聚焦超声源及水处理系统的连接方法是：超声换能器底部固定在 三维运动机构上，顶部固定在皮囊顶部，皮囊底部固定在水槽底部，这样，受三 维运动机构控制，超声换能器可以在水槽内的空间中自由运动，以实现治疗的目 的。 5 北京交通大学硕士学位论文第1 章综述 1 2 4h i f u 电气设备安全要求 人们对现在医疗仪器设备的安全性越来越关注，医用电子仪器设备如果设计 不当，可能会造成电击事故，这种事故不但威胁医护人员的人身安全，更威胁着 处于麻醉状态的病人。电气设备的电击危险来自漏电流，电流损伤人体组织的主 要形式有三种：一是电流以热能形式灼伤或烧坏人体组织；二是电流刺激易兴奋 组织，在电流强度足够大时，肌肉纤维挛缩而产生肌肉强直；三是电化学烧伤使 皮呋金属化或产生电烙印痕。若电击刺激心脏，可造成心肌完全收缩，使心脏停 止搏动，从而中断血液循环，几分钟内脑组织会因缺氧而受损，直接危害患者生 命。如果漏电流过大，还会导致电气设备产生故障，一些故障若发生在手术中， 也是非常可怕的【2 3 】。因此，作为医疗仪器设备的设计者，应充分考虑到医用电气 设备的安全性能，以确保医护人员和病人的人身安全。 1 9 9 5 年，国家技术监督局发布了新版g b 9 7 0 6 1 1 9 9 5 医用电气设备第一部 分：安全通用要求标准，该标准等同采用了国际标准i e c 6 0 1 1 8 8 ( ( m e d i c a l e l e c t r i c a le q u i p m e n tp a r l ：g e n e r a lr e q u i r e m e n tf o rs a f e t y ) ) 及其第一号修订( 1 9 9 1 1 1 ) 。 本文设计的h i f u 治疗设备的水处理设备严格按照该标准及其并列标准 g b 9 7 0 6 1 5 1 9 9 9 进行电气电子设计。 本文设计的h i f u 治疗设备的水处理系统将严格按照以上标准进行实施，将医 疗安全放第一位。 1 3 介质水对超声声场分布的影响 高强度聚焦超声治疗设备采用纯净水作为超声与人体耦合的介质，介质水的 含气量和洁净程度直接超声治疗作用，其作用主要分为两方面：空化作用及衰减 作用。 超声容易在纯净度低或非脱气水中产成空化效应。空化效应的大致过程是： 布超声的作用下，液体在受到负压时，发生了局部断裂，产生小空腔。这种断裂 易发生在液体有气泡或杂物的地方，因为这些地方的液体强度较低，容易被拉断。 这些小空腔在负压转正压时，在一定条件下突然闭合起来，发生空腔爆炸【2 4 】。 在气液混相介质中，气泡对声波的衰减主要有以下两个方面的原因 2 5 1 1 2 6 】： ( 1 ) 散射现象：当超声波在混相介质中传播时，有一部分超声波将被气泡散射， 不再沿原来的方向前进，仅有余下的一部分沿原来的方向前进，这就形成了散射 衰减。散射衰减对超声波作用的大小，随气泡的平均直径d 和波长九的关系而变 化其散射规律可分为三种不同的情况：在入 d 的情况下，即在瑞利散射范 6 北京交通大学硕士学位论文 第l 章综述 围内，qs o l d 3 f 4 ，as 为散射衰减系数，f 为超声波频率在入d 的情况下， 即在任意相位( 随机的) 散射范围内，qs o c d i p 。在入 d 的情况下，即在扩散 范围内，as o c l d 。 ( 2 ) 吸收现象：小气泡对超声波吸收的原因有二：一是其形变过程中热传导损 耗；二是气泡振动时，液体对气泡面振动产生黏性阻力作用，因而在小气泡振动 过程中会把部分入射波的能量转变成液体分子的无规则热运动。当超声波频率为 气泡的共振频率时，气泡处于共振状态，对声波衰减最强。超声波穿过气泡群时， 衰减系数取决于气泡半径的概率分布，当最大概率半径所对应的气泡固有频率与 入射波的频率相近时，大部分气泡处于共振状态。声波在其中传播时，衰减也最 强。 除了气泡对超声波的散射和吸收外，液相物质也会对超声波产生与声波频率 平方成正比的热传导吸收和黏性吸收。 非脱气水对h i f u 探头声场分布的影响的测量方法是：将水听器和h i f u 探头 固定在三维移动装置中，整套系统置于吸声水槽中。水听器可在三个方向进行移 动。水听器的测量值从由专用单片机系统给出。 相关实验证吲27 1 ，气液混相介质中的声透射损失随含气量的增加急剧增大， 频率越高，声透射损失越大，当含气量为5 时，1 m h z 超声透射损失只有5 d b 左 右，但是当含气量达到1 0 时，同样频率的超声透射损失达近4 0 d b 。另外一个实 验证吲2 7 】：在较低的驱动电压( 小于3 0 0 v ) 下，声场分布曲线比较平滑，接近理论 值，随着驱动电压升高( 3 0 0 - 一4 0 0 v ) ，声场分布曲线不再保持良好的连续性；当驱 动电压升高到6 0 0 v 时，水听器由于灵敏度降低或被连续声场打偏，使轴向声场在 峰值附近变化极为缓慢，纵向声场分布的对称性被破坏。 所以，在高强度聚焦超声治疗设备的水处理过程中，必须有脱气处理及净化 处理，根据高强度聚焦超声( h i f u ) 治疗系统( 行业标准) ，水中氧溶解量不大于 4 m g l ；另外，水中颗粒杂质应该尽可能小，要求直径小于l o um 。 目前，对h i f u 的研究仍然处于探索和发展阶段。由于它的无创性，尤其给那 些晚期肿瘤或是不能耐受手术的患者提供了除放疗、化疗、免疫治疗外的一种安 全的治疗手段，h i f u 己经引起世界各国学者的广泛关注。为了使h i f u 声波在水 中更有效的传播，一套完整的、有效的h i f u 水处理系统有待于进一步的开发，期 待能生产出空气含量小、纯净度高、流速稳定和温度恒定的介质水。 1 4 现有水处理装置存在的问题 现有h i f u 水处理装置存在着以下的问题： 北京交通大学硕十学位论文第l 章综述 传统的h i f u 储水装置一般是水囊，聚焦超声换能器放置在水囊下端，通过脱 气水将超声耦合到需要治疗的组织。使用水囊可以使聚焦超声换能器在三维运动 机构上自由的运动，但是随着运动，水囊会产生一定的形变，此类形变将阻挡一 部分的超声，由于水囊表面对超声有一定的反射作用，此类反射往往会影响到超 声波的分布，导致诊断与治疗的误差。另外，传统水囊式储水装置由于泄洪口偏 矮，常会有脱气水溢出到手术台上的情况发生。 目前常用的h i f u 脱气装置各阀门由人工控制；采用一次脱气方法，为达到一 定脱气效果，对脱气机设备脱气能力要求很高；水经过一次恒温处理，很难达到 规定范围；水处理设备缺少稳压设备，水压难以控制，导致手术时水流速不恒定， 水位难以控制。 1 5 本文主要研究内容 本文的主要工作是设计一种新型的h i f u 水处理系统，该系统包括储水装置、 脱气装置，两套装置需要靠各自的控制电路实现运作。本文水处理系统设计针对 现有水处理装置存在的问题设计了解决方案。 1 5 1 水处理系统设计目标 h i f u 治疗设备的脱气装置需要实现四个指标：空气含量小、纯净度高、温度 恒定和流速稳定。介质水若未脱气至4 p p m 以下或水中固体颗粒物过大，超声波会 在气泡或颗粒物周围因空化效应而产生大量的小气泡，使超声波反射增强，水温 迅速升高，达不到治疗目的，并且会灼伤患者皮肤，给患者带来很大的痛苦；介 质水的水温必须稳定在2 5 - - 3 5 摄氏度之间，这个温度会让患者最为舒适，并且有 利于真空脱气机更好的进行脱气处理；介质水必须通过压力控制既而控制流速， 这样有助于储水装置水位控制。于是h i f u 治疗设备的脱气装置必须有以下四个功 能：脱气处理、净化处理、恒温处理和压力控制。 h i f u 治疗设备的储水装置作用是在手术过程中盛放介质水。怎样让水充分的 接触人体，怎样让超声换能器在水中自由移动又不会漏水，怎样保持水槽中介质 水的不断更新，都是储水装置的设计难点。本文设计了一种新型的水槽式h i f u 治 疗设备的储水装置可以很好的解决这些问题。为使储水装置的功能自动化，系统 要求：当其控制电路接到上位机进水的命令，将脱气装置中已脱气好的介质水注 入水槽中，水槽底面的压力传感器自动检测水位高度，当水位达到指定高度，控 制电路自动关闭入水电磁阀门。手术过程中，由于超声换能器在三维运动机构上 北京交通大学硕士学位论文第l 章综述 运动，会导致水位的变化，储水装置必须保证：水不可以溢出到手术台上；水 与人体之间不允许有空气层。当手术结束后，接到上位机命令，水槽中的水需要 清空。 两套装置需要与上位机进行通讯，通讯内容包括状态显示及手动控制。本文 采用r s - 4 8 5 通讯协议。其中，状态显示包括水位信息、水温信息、氧含量信息和 报警信息四个部分。本文设计的h i f u 治疗设备的水处理系统的特点是，尽可能的 自动控制，实现多数功能，但必要的时候，上位机希望手动控制脱气装置和储水 装置的状态，于是，通讯过程中，上位机手动控制也是通讯设计的要求之一。 总之，水处理系统作为h i f u 治疗设备的四大子系统之一，占有非常重要的作 用，其设计方案直接影响到设备治疗效果及治疗安全，需要严密、谨慎及新颖的 设计方案。 1 5 2 本文工作内容 本文着重介绍了一种新的h i f u 治疗设备的水处理系统的设计方法，包括脱气 装置和储水装置的机械设计、电路设计和程序设计。 本文用三维设计软件进行机械设计。脱气装置设计创新性的使用了循环管路 结构，通过脱气处理、净化处理、恒温处理、压力控制四个环节，实时检测各部 分的压力值，实现了手术要求的脱气效果、恒温效果、压力范围和自动化控制。 水槽式h i f u 储水装置与传统的水囊式储水装置相比，其优点在于，可有效的防止 脱气水溢出到手术台上，吸声材料可保证超声波分布不受影响，皮囊设计使探头 及水槽紧密配合，便于运动机构带动探头在三维方向上自由运动，皮囊固定环的 阶梯孔设计有效的防止漏水。 水处理系统的电路设计和程序设计统称为自动化设计。本文选用a t m e g a 系列 芯片作为单片微控制器。脱气装置的电路控制可以实现自动控制各电磁阀、恒温 机、水泵等设备的通断，实时检测各传感器的值，检测各设备通断是否正常，程 序设计时，利用检测到的压力值来控制脱气状态的转换，比传统的仅利用等时间 隔的脱气机效率更高。储水装置可以实现低噪音地自动控制各电磁阀的通断，实 时检测水位传感器、温度传感器及氧含量传感器的值，检测摄高、最低水位开关 的信号，并利用检测到的水位值智能化的对水槽内水位进行调节，避免水面与人 体产生空气层，并保持水槽内脱气水不断更新。 总之，高效率脱气和脱气水不断更新是本文水处理系统自动化设计的最大特 色。 9 北京交通大学硕士学位论文第2 章水处理系统的整体设计方案 第2 章水处理系统的整体设计方案 北京交通大学设计研发的h i f u 治疗设备包括：医护工作站、控制子系统、定 位系统、聚焦超声源及水处理系统。如图2 1 所示，本文设计的水处理系统包括储 水装置、脱气装置及其各自的控制设备。 图2 1 h i f u 水处理系统示意图 f i 9 2 1h i f uw a t e rp r o c e s s i n gs y s t e m 本章将介绍一种新型的h i f u 治疗设备的水处理系统的设计方法，包括脱气装 置和储水装置的机械设计、自动化设计。 2 1 水处理系统的机械设计 本文设计的h i f u 治疗设备的水处理系统的机械设计包括脱气装置和储水装 置的机械设计。 f i 9 2 2t h ed e s i g na n dt h ep r o d u c t i o no fh i f uv a c u u md e a e r a t i o ne q u i p m e n t 1 0 北京交通大学硕士学位论文第2 章水处理系统的整体设计方案 本文设计的h i f u 治疗设备的脱气装置可以实现手术要求的脱气效果、恒温效 果、压力范围和自动化控制，并对水路中压力、温度实时测量。本文设计的方案 是：采用循环脱气、恒温处理可以使处理后的水空气含量小、温度恒定，超声在 这种水中不易发生空化效应，水温恒定且接近人体温度可以使患者治疗环境最为 舒适，这个温度也有利于脱气机脱水：压力传感器、控制电路及电磁阀组成的压 力控制方式，使进水和循环的切换、水泵的启动和停止实现自动控制，循环中水 路压力始终保持在规定范围；系统实时检测温度、压力状况，便于医生、护士监 控。 图2 3 h i f u 储水装置设计图与成品图 f i 9 2 3t h ed e s i g na n dt h ep r o d u c t i o no fh i f uw a t e rc o n t a i n e r 水槽式h i f u 储水装置设计方案新颖性表现在，与传统的水囊式储水装置相比， 泄洪口高，泄洪量大，可有效的防止脱气水溢出到手术台上；主水槽采用不锈钢 制造，不产生形变；皮囊固定环的阶梯孔设计有效的防止漏水；主水槽四个侧壁 设有层的吸声材料可保证超声波分布不受影响，使治疗精确度大大提高；水位 传感器及控制器可自动控制水槽水位，有效防止水面上残余空气对治疗效果的影 响；皮囊设计便于运动机构带动探头在三维方向上自由运动，并与探头及水槽紧 密配合。 北京交通大学硕士学位论文第2 章水处理系统的整体设计方案 本文设计的水处理系统，在机械设计上是创新的，在市场上没有类似的产品， 是北京交通大学生物医学工程系及合作公司合作研发的新型产品。 2 2 水处理系统的自动化需求 本文设计的h i f u 治疗设备的水处理系统包括脱气装置及储水装置两部分。脱 气装置的作用在于，高效率制备手术需要的脱气水，让水中含氧量在4 p p m 以下， 并保持水压、水温稳定，保证手术安全；储水装置的主要作用是，保持水位，实 现脱气水的自动更新，以保证水温、水氧在合理范围内。 下图为h i f u 医护工作站界面，包括b 超图像显示及对比窗口、病员信息、 检查结果、对比影像、设备状态、常规操作、复杂操作、远程操控等选项卡。通 过该界面，医护工作人员可以在手术中控制聚焦超声源，达到治疗的目的，并且 直接生成病人病历，以备存档。 壤! i 燃爨i 垮磐燃。 。，。 寰璺垒譬警贼零黜蟹嫂 d 苗口o o 聍园穹蝗 疯置信息i 楹壹结墨l 对比影像l ，柱薰一一鬟劳薯 ；槲e 结果：r 葛藕溪掰潭蓉! 状鑫：广霸攥翮断i r 一 p 嗽阿r 钳眄：硝厂_ 丽r ；r 娃名r 磊嚣匿rr 性别j ：嘛口号：r 甜，蠢找 ! 广先蘸字1 差腱字 ：，惹馐鱼：r i 荔薯两i 一 、， 壹滑 ? 停止 鬟遵，r 爱焉两曩一 ，一一= = - 一。 _ = 一一一一一一 图2 4 h i f u 医护：i = 作站界面 f i 9 2 4t h ei n t e r f a c eo fh i f ud o c t o ra n d n u r s ew o r k s t a t i o n 在设备状态选项卡中，包括水处理状态显示，即图2 - 4 中圆圈部分，将其放大， 北京交通大学硕士学位论文第2 章水处理系统的整体设计方案 得到图2 - 5 的水处理状态显示。 薰雕 氧含量 圈” 匝一p p m 搦t f i 9 2 5t h ei n t e r f a c eo f w a t e rp r o c e s s i n gs t a t u s 图2 击h i f u 主控服务器界面 f i 9 2 6t h ei n t e r f a c eo f h i f um a i ns e r v e 本文设计的h i f u 治疗设备的医护工作站，还包括一台主控制服务器，其操作 界面如图2 - 6 所 出，将其放大， 示。h i f u 治疗设备的水处理系统的控 即为图2 7 。 制界面也在其中，用方框标 水处理一 水茹楹阿氧憾陌丽 。、；- 一r 一 一 位婆。箩自动| 进水出水 状态：丽 - l 。3 图2 7 水处理的上位机控制界面 f i 9 2 7t h ei n t e r f a c eo fw a t e rp r o c e s s i n gc o n t r o l 北京交通大学硕士学位论文第2 章水处理系统的整体设计方案 结合图2 5 和图2 7 ，我们来具体分析水处理系统的自动化需要。 状态显示包括水位信息、水温信息、氧含量信息和状态信息四个部分。储水 装置的水位信息非常重要，手术过程中， 会导致水位的变化，储水装置必须保证： 由于超声换能器在三维运动机构上运动， 水不可以溢出到手术台上；水与人 体之间不允许有空气层。所以，上位机中一定要实时显示水槽中水位的高低；介 质水的水温必须稳定在2 5 - - - 3 5 摄氏度之间，这个温度会让患者最为舒适，并且有 利于真空脱气机更好的进行脱气处理，在图中我们也可以看到，水温信息也是必 不可少的信息之一；介质水若未脱气至4 p p m 以下，超声波会在气泡周围因空化效 应而产生大量的小气泡，使超声波反射增强，水温迅速升高，达不到治疗目的， 并且会灼伤患者皮肤，给患者带来很大的痛苦，因此，水氧含量信息也是我们最 关注的重要信息；上图中状态信息反应脱气装置和储水装置的各设备是否工作正 常，如果任何设备损坏，可能都会造成致命的后果，所以，状态信息如果显示不 正常的话，水处理系统会自动停止所有动作，并且报警，上位机接到信息，会停 止一切设备的运作，如果需要，还要手动断电，以保证患者安全。 如图2 7 所示，水处理的控制按钮只有三个：自动、进水和出水。本文设计的 h i f u 治疗设备的水处理系统的特点是，尽可能的自动控制，实现多数功能，但必 要的时候，上位机希望手动控制脱气装置和储水装置的状态，于是，按键中有一 个选择是“自动”。当选择自动时，上位机只能检测到上述的四个状态，无法控制 水处理系统的运作；当选择手动时，上位机可以执行两个功能：“进水”和“出水。 这里的进水和出水主要是指水槽的进水和出水。水槽的进水由脱气装置和储水装 置协同控制，当脱气装置制备好脱气水时并且储水装置检测需要进水时，则水槽 入水口放水；当手术结束后，选则“手动”“出水，则可以将水槽中的水排净。 针对以上的自动化功能，本文自动化设计包括水处理系统的脱气装置和储水 装置进行电路、程序设计。 2 3 水处理设备与h i f u 治疗系统的通讯 北京交通大学生物医学工程系设计研发的h i f u 治疗设备包括：医护工作站、 控制子系统、定位系统、聚焦超声源及水处理系统。 医护工作站包括p c 机及服务器，主要进行整个治疗过程中图像截取、图像处 理和治疗计划制定，以及在治疗过程中的温度等数据监测，治疗效果确认等工作。 控制子系统受医护工作站控制，通过r s 2 3 2 串口与服务器连接，同时通过差分总 线控制各下位机( 即：定位系统、聚焦超声源及水处理系统等) 。采用该种控制方式， 由控制子系统承担下位机状态轮询、紧急故障检测等实时性要求比较高的任务， 1 4 北京交通大学硕士学位论文第2 章水处理系统的整体设计方案 这样，设备控制子系统分担了p c 机的部分工作，节约了主芯片的资源，减轻了 p c 机的负担。 跃护 一j l ； f l l 聚焦翘声源l l 水处理l 定位系统 l l 图2 8 h i f u 通讯控制示意图 f i 9 2 8h i f uc o m m u n i c a t i o ns y s t e m 图2 8 的示意图中，包含两组通讯协议，分别是控制子系统和医护工作站之间 的通讯协议和控制子系统和h i f u 各系统之间的通讯。本文仅针对后者进行描述， 特别是控制子系统和水处理系统之间的通讯，本节中心内容参考本项目组的盛艳【2 8 】 同学的工作。 以工作模式来说，一般的r s 4 8 5 总线工作在主从模式下。整个通信总线系统 由一个主节点、若干个从节点组成，由主节点不断地轮流查询从节点是否有通信 需求。如果有则将总线控制权交给某一个从节点，从节点发送完毕后立刻交还总 线控制权。另外，还有一种“轮主轮从”的工作方式，即让总线控制权在各个节 点之间以类似令牌环的方式传递，得到控制权的节点成为主节点，其它节点成为 从节点。一个节点在发送完数据的同时，将总线控制权交给相邻的节点，而这个 节点在处理完本节点的通信需求后再把控制权向下传递。由于在我们的上下位系 统结构中，设备控制子系统对整个治疗过程必须有绝对实时的控制权，因此，我 们采用主从轮询式的总线工作方式。 设备控制子系统与水处理系统之间的控制协议如下： 标准接口：r s 4 8 5 ： 波特率：3 8 4 0 0 b i t s ； 数据位长：9 位； 奇偶校验：无； 停止位：1 位； 字符发送顺序：由低位到高位； 北京交通大学硕士学位论文第2 章水处理系统的整体设计方案 校验码：计算校验和； 应答模式：目标地址+ 源地址+ 功能代码+ 数据+ 校验码+ 结束标志。 2 4 本章小结 本章介绍了h i f u 水处理系统的整体设计方案。包括脱气装置和储水装置的机 械、电路、程序设计。 脱气装置需要实现了手术要求的脱气效果、恒温效果、压力范围和自动化控 制。水槽式h i f u 储水装置需要有效的防止脱气水溢出到手术台上，保证超声波分 布不受影响，使探头及水槽紧密配合，便于运动机构带动探头在三维方向上自由 运动，防止漏水。 水处理系统的电路设计和