便携式可穿戴的超声理疗仪的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种便携式可穿戴的超声理疗仪，包括供电模块（1）、人机交互模块（2）、主控模块（3）、DDS模块（4）、功放模块（5）、治疗头模块（6）、频率跟踪模块（7）；供电模块包括可充电的聚合物电池，其治疗头模块（6）具有多个治疗头，且具有吸附结构，治疗头的吸附部件为近似锥形的吸附罩，超声治疗头有效辐射面积为3-9cm2，有效输出声强≤3W/cm2。该治疗仪器可输出具有多个中心频率的超声波，且在0.5-3.5MHz范围内连续可调，用于器质性心血管病患者、运动创伤性患者的治疗。本理疗仪具有结构简单、频率自动跟踪、稳定度高、多频、输出功率高、易操作等优点，可广泛用于对器质性心血管病患者、运动创伤类患者的体外物理治疗。
【专利说明】便携式可穿戴的超声理疗仪
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种智能超声理疗仪，具体涉及一种用于器质性心血管病患者、运动创伤性患者体外物理治疗的高科技超声理疗仪。
【背景技术】
[0002]超声波作用于人体组织会产生一定的生物效应，如机械效应、温热效应、空化效应等，利用这些效应可以达到某种治疗目的，也就是所谓的超声理疗。
[0003]超声波在生物组织中的衰减值随频率近乎线性增加，即频率越大，衰减系数越大，衰减越快，不同的超声频率将会导致超声信号进入人体深度有所不同；另一方面，过量的超声波辐射会对人体造成伤害，针对不同的治疗部位应考虑采用不同剂量的超声信号。
[0004]目前国内市场上较为流行的超声治疗仪大多数结构相似，存在自动化程度低，操作繁杂，可调节声功率范围窄，自动保护功能弱等共同缺陷。
[0005]超声理疗仪目前多采用单频、固定频率的技术方案，这种频率是固定的，不可变的。单一频率其治疗部位有限，患者需要多个部位治疗时，就需要另外的设备来完成。在治疗过程中，由于温度、环境等不同，导致超声治疗头的谐振频率发生改变，由于目前的超声理疗设备不具备频率自动跟踪功能，就会出现频率失调，从而会导致阻抗失配，降低效率，严重的不能正常工作。 [0006]现有的超声理疗仪大多操作繁杂，没有专家疗方功能，治疗频率多为单一且固定的IMHz或3MHz，输出声功率在2W/cm2以内，单一治疗头，治疗头有效面积比较小。偶见双频双治疗头的理疗仪，其IMHz和3MHz治疗头的有效治疗面积相差较大，输出声功率较小，不具备自动频率跟踪功能。
【发明内容】
[0007]为克服现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种智能双频或多频率的超声理疗仪，该智能超声理疗仪可以有效避免现有技术中的缺点。
[0008]为了解决上述技术问题，实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现:
一种智能超声理疗仪，包括供电模块、人机交互模块、主控模块、DDS模块、功放模块、治
疗头模块、频率跟踪模块、和/或温度控制模块；
所述供电模块包括一 220V交流转直流15V电源模块，所述220V交流转直流15V电源模块分别连接有一电平转换模块和推挽功放电路；220V交流转直流15V电源模块将交流220V转换成直流15V用于给推挽功放电路提供电源；电平转换模块，将直流15V电压转换为主控模块和人机交互模块所需的各种电压。在另一实施方式中，供电模块可包括可充电的聚合物电池。
[0009]所述人机交互模块包括触摸屏和状态显示灯；通过触摸屏可以设定各种治疗参数，同时还可以调用专家疗方功能，操作方便、直观、简洁；状态指示灯用于实时显示理疗仪的运行状态。
[0010]所述主控模块包括一微处理器，所述微处理器连接有一 DDS电路、占空比调节电路、数字电位计、频率切换与匹配电路、相位差检测电路、温度采样电路和过温保护电路；微处理器主要根据用户设定的治疗参数，在设备的总体技术指标范围内，控制超声治疗头模块输出满足要求的超声波信号，并使其稳定、可靠地工作；
所述DDS模块包括一 DDS发生电路，所述DDS发生电路的输出端连接一低通滤波电路，所述低通滤波电路的输出端连接一占空比调节电路，所述占空比调节电路与微处理器相连；DDS发生电路用于产生原始的超声激励信号，采用直接数字频率合成器实现，具有频率调整方便、分辨率高、频率转换时间短、输出相位连续、全数字化和控制方便等优点；低通滤波电路用于滤除DDS发生电路输出的谐波干扰，谐波干扰主要来自参考时钟，选择7阶巴特沃兹低通滤波器，巴特沃兹滤波器在通频带内具有最平坦的幅频特性，且衰减速率比较快；占空比调节电路用于控制输出超声波信号的占空比，微控制器通过控制占空比调节电路调节超声激励信号的占空比，从而实现对输出超声信号占空比的控制。
[0011 ] 所述的功放模块包括一级放大电路，所述一级放大电路的同相输入端连接占空比调节电路的输出端，实现对占空比调制后的激励信号进行初步放大；所述一级放大电路的反相输入端连接一数字电位计，通过调整接入反相端电阻的大小，控制输出信号的大小，经过后续放大以最终实现对治疗强度的控制，所述的数字电位计与微处理器相连，所述一级放大电路的输出端连接二级放大电路，所述二级放大电路输出端连接一推挽功放电路；DDS发生电路产生的激励信号很微弱，需要经过功率放大才能驱动超声换能器；一级放大电路实现对激励信号的初步放大，二级放大电路对一级放大电路输出进行进一步放大，输出几W功率，最终再通过推挽功放电路进行放大，输出功率驱动信号，推动换能器工作；微控制器通过控制一级功放的放大倍数(反相端接入电阻大小),来实现对输出功率的调整。
[0012]所述治疗头为一个或多个，优选为2-8个，且具有吸附部件，用于将治疗头吸附在治疗部位。吸附部件为近似锥形的吸附罩，吸附区域可以为圆形或椭圆形。通过负压作用使超声治疗头与治疗部位密切接触，并且可通过调节吸附力的大小来调控治疗头与人体的作用压力。
[0013]每个超声治疗头由2-5个超声发射头组合而成，且每个发射头由主控模块独立控制，每个发射头的面积为1- 2cm2，。多个发射头可组合成一字型、多边形、十字交叉等形状。
[0014]所述治疗头模块包括一频率切换与匹配电路，所述频率切换与匹配电路的输入端连接推挽功放电路的输出端；所述频率切换与匹配电路的输入端还连接微处理器；所述频率切换与匹配电路的输出端连接一换能器；频率切换与匹配电路的作用有两个:一是用于实现多个中心频率的切换，如lMHz、2MHz、3MHz ;二是阻抗匹配，使换能器工作在串联谐振纯阻态，提高设备的效率；换能器用于将电能(超声驱动信号)转换成机械能(超声波)输出。
[0015]所述治疗头上可以设置有回波传感器，用以监测超声的传输聚焦深度，便于用户进行调试，进而选择适当的治疗频率。
[0016]所述频率跟踪模块包括一电流电压采样电路，所述电流电压采样电路的输入端连接换能器；所述电流电压采样电路的输出端连接一相位差检测电路，所述相位差检测电路的输出端连接微控制器；电流电压采样电路用于获取换能器中电压和电流的相位大小；相位差检测电路用于判断电压电流信号的相位差，微控制器根据相位差的大小，调整频率，从而实现频率的自动跟踪。
[0017]所述温度控制模块包括一温度采样电路，所述温度采样电路连接过温保护电路和微控制器；温度采样电路采用热敏电阻，安装在超声治疗头模块内，靠近换能器，微处理器采集温度后，判断是否超过设定的安全阈值，如果超温，控制过温保护电路切断输出，确保使用者安全。
[0018]所述的电平转换模块连接所述的微处理器，所述的220V交流转直流15V电源模块连接推挽功放电路。
[0019]所述触摸屏和状态指示灯分别连接在所述的微控制器上。
[0020]专家控制模块包括预先设置的专家疗方，可通过人机交互模块进行调用，专家疗方针对不同的疾病预设置不同的频率或频率组合、功率大小、治疗时间参数。
[0021]所述的专家疗方可对每个超声发射头的输出频率和功率进行不同的设置，以使得围绕中心治疗部位作用的深度、截面、截面大小最优化。如，针对所需治疗的深度不同，超声的频率设置不同，3.5MHz频率适合0.5cm左右的治疗深度，2MHz频率适合1.5cm左右的治疗深度，IMHz频率适 合2.5 cm左右的治疗深度。针对病灶部位的深度范围，可设置不同发射头采用不同频率的组合进行治疗。治疗截面大小配合不同发射头的功率大小进行调节。
[0022]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
Cl)输出超声波可具有多个中心频率，且在0.5-3.5MHz范围内连续可调，可输出连续波和脉冲波，脉冲波形占空比10-100%可调，多个治疗头输出，使用方便；
能够产生多个中心频率的超声激励信号，且在0-3.5MHz范围内连续可调，可以输出连续波形和脉冲波形，脉冲波形占空比10-100%可调，治疗时间0-30分钟可调；
(2)超声治疗头有效辐射面积为3-9cm2，优选为5cm2，有效输出声强≤3W/cm2 ;输出声功率高，用户可选择范围大；超声治疗头具有多个，可进行多个部位同时治疗；
(3)具有频率自动跟踪功能，使换能器始终工作在谐振点附近，提高设备效率和使用者舒适度；
(4)在线温度监测，过温保护功能；根据使用对象的不同，可以对温度安全阈值进行微调，提闻治疗效果；
(5)具有专家疗方功能，采用触摸屏进行人机交互，简单、方便、直观。
[0023]上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的【具体实施方式】由以下实施例及其附图详细给出。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1为本发明的总体框架图。
[0025]图2为本发明的DDS模块的电路原理图。
[0026]图3为本发明的功放模块的电路原理图。 [0027]图4为本发明的治疗头模块构造框架图。
[0028]图5为本发明的治疗头模块的电路原理图。[0029]图6为本发明的频率跟踪模块的电路原理图。
[0030]图7为本发明的频率跟踪模块的电路原理图。
【具体实施方式】
[0031]下面结合附图和实施例对本发明的技术实施过程做进一步说明。
[0032]实施例1:
参见图1所示，一种智能双频超声理疗仪，包括供电模块1、人机交互模块2、主控模块
3、DDS模块4、功放模块5、治疗头模块6、频率跟踪模块7和温度控制模块8 ；
所述供电模块I包括一 220 V交流转直流15V电源模块101，所述220V交流转直流15V电源模块101连接有一电平转换模块102 ；220V交流转直流15V电源模块101将交流220V转换成直流15V用于给推挽功放电路503提供电源；电平转换模块102，将直流15V电压转换为主控模块3和人机交互模块2所需的各种电压。
[0033]所述人机交互模块2包括触摸屏201和状态显示灯202 ;通过触摸屏201可以设定各种治疗参数，例如治疗时间、治疗频率、治疗强度和占空比等；同时还可以调用专家疗方功能，操作方便、直观、简洁；状态指示灯202用于实时显示理疗仪的运行状态。
[0034]所述主控模块3包括一微处理器301，所述微处理器301连接有一 DDS电路401、占空比调节电路403、数字电位计504、频率切换与匹配电路601、相位差检测电路702、温度采样电路801和过温保护电路802 ;微处理器主要根据用户设定的治疗参数，在设备的总体技术指标范围内，控制超声治疗头模块输出满足要求的超声波信号，并使其稳定、可靠地工作；
所述DDS模块4包括一 DDS发生电路401，所述DDS发生电路401的输出端连接一低通滤波电路402，所述低通滤波电路402的输出端连接一占空比调节电路403，所述占空比调节电路与微处理器301相连；DDS发生电路401用于产生原始的超声激励信号，采用直接数字频率合成器实现，具有频率调整方便、分辨率高、频率转换时间短、输出相位连续、全数字化和控制方便等优点；低通滤波电路402用于滤除DDS发生电路输出的谐波干扰，谐波干扰主要来自参考时钟，选择7阶巴特沃兹低通滤波器，巴特沃兹滤波器在通频带内具有最平坦的幅频特性，且衰减速率比较快；占空比调节电路403用于控制输出超声波信号的占空比，微控制器301通过控制占空比调节电路403调节超声激励信号的占空比，从而实现对输出超声信号占空比的控制。
[0035]所述的功放模块5包括一级放大电路501，所述一级放大电路的同相输入端连接占空比调节电路403的输出端，实现对占空比调制后的激励信号进行初步放大；所述一级放大电路的反相输入端连接一数字电位计504，通过调整接入反相端电阻的大小，控制输出信号的大小，经过后续放大以最终实现对治疗强度的控制，所述的数字电位计504与微处理器相连301，所述一级放大电路的输出端连接二级放大电路502，所述二级放大电路502输出端连接一推挽功放电路503 ；DDS发生电路401产生的激励信号很微弱，需要经过功率放大才能驱动超声换能器；一级放大电路501实现对激励信号的初步放大,二级放大电路502对一级放大电路输出进行进一步放大，输出几W功率，最终再通过推挽功放电路503进行放大，输出功率驱动信号，推动换能器工作；微控制器301通过控制一级功放的放大倍数(反相端接入电阻大小)，来实现对输出功率的调整。[0036]所述治疗头模块6包括一频率切换与匹配电路601，所述频率切换与匹配电路601的输入端连接推挽功放电路503的输出端；所述频率切换与匹配电路的输入端还连接微处理器301 ;所述频率切换与匹配电路601的输出端连接一换能器602 ;频率切换与匹配电路601的作用有两个:一是用于实现多个中心频率的切换；二是阻抗匹配，使换能器602工作在串联谐振纯阻态，提高设备的效率；换能器602用于将电能(超声驱动信号)转换成机械能(超声波)输出。
[0037]所述频率跟踪模块7包括一电流电压采样电路701，所述电流电压采样电路701的输入端连接换能器602 ;所述电流电压采样电路701的输出端连接一相位差检测电路702，所述相位差检测电路702的输出端连接微控制器301 ;电流电压采样电路701用于获取换能器中电压和电流的相位大小；相位差检测电路702用于判断电压电流信号的相位差，微控制器301根据相位差的大小，调整频率，从而实现频率的自动跟踪。
[0038]所述温度控制模块8包括一温度采样电路801，所述温度采样电路801连接过温保护电路802和微控制器301 ;温度采样电路801采用热敏电阻，安装在超声治疗头模块内，靠近换能器，微处理器采集温度后，判断是否超过设定的安全阈值，如果超温，控制过温保护电路802切断输出，确保使用者安全。
[0039]所述的电平转换模块102连接所述的微处理器301，所述的220V交流转直流15V电源模块101连接推挽功放电路503。
[0040]所述触摸屏201和状态指示灯202分别连接在所述的微控制器301上。
[0041]具体的:
人机交互模块2中， 触摸屏201包括用户参数的输入和显示，采用串口真彩屏，用微处理器301的串口来控制；状态指示灯202主要用来实时显示设备的运行状态，通过微处理器301的I/O控制。
[0042]主控模块3中，微处理器301采用ST公司的基于ARM核心的32位微处理器STM32F103芯片，最高72MHz工作频率，其内置2个12位模/数转换器A/D，2个12位数/模转换器D/A，多达7个定时器，具有SP1、USB、CAN、IIC、USART等通信接口。微处理器301主要根据用户设定的治疗参数，在设备的总体技术指标范围内，控制超声治疗头模块输出满足要求的超声波信号，并使其稳定、可靠地工作。
[0043]供电模块I中，采用赛思德隔离电源SAS100-15-K，功率100W，输入交流电压范围165-265VAC,输出直流15V电压信号，给推挽功放模块和电平转换模块提供电源；电平转换模块采用多个 DC-DC模块，分别完成 DC15V-DC12V、DC12V-±9V, DC9V-DC5V, DC5V-DC3.3V 等电平的转换。
[0044]实施例2:
参见附图2，微处理器控制DDS集成芯片产生超声激励信号，DDS集成芯片采用AD公司的AD9851，输出频率最高180MHz，可以产生正弦波、方波和三角波等输出信号，功耗低。通过串行总线连接微处理器，采用50MHz有源晶振作为参考时钟，输出的正弦波激励信号通过R、L、C组成的低通滤波电路；滤除谐波干扰后的信号进入占空比调节电路；占空比调节电路由高速模拟开关构成，微处理器通过调节输入B端信号的占空比实现对激励信号占空比的控制:B端高电平时，fout=fin; B端低电平时，fout=GND(0V),在一个固定周期内，调节高低电平的时间，即实现了对激励信号占空比的控制。[0045]实施例3:
参见附图3，功放模块中，U4组成一级放大电路，激励信号由同相端输入，构成同相比例放大电路，放大倍数由数字电位计的输出阻值与R3的比值确定，微处理器通过调节数字电位计输出阻值的大小，从而控制输出电压的大小，进一步实现对输出功率的控制；U4输出的功率在IW左右；C5为耦合电容；Q3构成二级放大电路，R4、R5通过分压后构成偏置电路，R6、C6作用是反馈补偿，Q3放大后输出功率达到5W左右，通过变压器Tl耦合到推挽功放电路；V_setl、V_set2用来设置Q1、Q2的静态工作电流，其大小在0-6V可调，Ql、Q2为功率MOS管，T2为输出变压器，L4为扼流线圈，滤除高频对直流电源的影响。
[0046]实施例4:
参见附图4和5，超声治疗头的模块构造框架如图4所示。图5中，U6为频率切换继电器，微处理器根据用户的参数设置，控制U6输出不同中心频率，(如IMHz或者3MHz)的超声驱动信号；匹配电路的作用是提高系统的效率。换能器发生串联谐振时，电路总阻抗不是纯阻态；匹配电路一方面加入匹配电感或电容使电路呈纯阻态，此时换能器的阻抗最小；把超声驱动电路看做一个电源，换能器作为负载，由电路理论知识可知:当电源内阻等于负载阻抗时，负载获得的功率最大。匹配电路另一方面即是进行阻抗变换，使得换能器能够获得最大的功率输人，次功能由变压器T2实现。根据治疗头的数量设置，U6可以有多个频率输出模块。
[0047]实施例5:
参见附图6和7。图5为电压、电流采样的原理图。采样电路既不能影响原来的主电路，又要能准确采集所需信号，并尽量保证信号不失真。电压采样是在高频功率变压器T2的磁心上另饶一组绕 组，绕组两端接可调电位器RV，已调整输出的采样电压大小；电流采样可由电阻、霍尔电流传感器或电流互感器来实现。电阻由于直接与换能器串联，其阻值过大时会产生额外的功率损耗及压降，而阻值过小则会使信号太弱，因此设计比较麻烦；霍尔电流传感器精度比较高，但成本很高，且应用频率较低；本发明采用电流互感器进行电流采样，电流互感器T3串联在超声驱动信号和换能器之间，功率电阻Ri将电流信号转换为电压信号输出。
[0048]参见图7所示，两个运放U7、U8组成的两个过零比较器，将输入的同频率的采样电流、采样电压信号整定成为同周期的方波信号；U9、UlO是两个反相器，提高过零比较器输出方波的前后沿陡度；U11为D触发器，整定后的电流、电压方波信号分别输入到D触发器的D端和CLK端，若电压超前电流，则D触发器的Q端输出电平Sig_hl为逻辑“O”;若电流超前电压，则D触发器的Q端输出Sig_hl电平为逻辑“I”； D触发器的Q端输出电平Sig_hl输入到微处理器，作为微处理器控制时增加或减小频率的依据。两个方波信号同时也输入到与门U12，得到体现相位差的脉宽信号输出Sig_ph，若电压和电流相位相同，则该脉宽信号Sig_ph的占空比为50% ;如果二者存在相位差，则输出的脉宽信号Sig_ph的占空比必然小于为50%，这个输出的占空比Sig_ph即反映了电流、电压相位差的大小，Sig_ph信号也输入到微处理器，这样微处理器通过不断扫描Sig_hl、Sig_ph信号，根据信号的占空比大小和电流的超前或滞后关系通过运算产生DDS发生器的频率增量，从而调整超声激励信号的频率，实现频率的自动跟踪，使得换能器始终工作在谐振状态，提高系统的效率。
[0049]以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改 进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种便携式可穿戴的超声理疗仪，其特征在于:包括供电模块(I)、人机交互模块(2 )、主控模块(3 )、DDS模块(4 )、功放模块(5 )、治疗头模块(6 )、频率跟踪模块(7 );供电模块包括可充电的聚合物电池。
2.根据权利要求1所述的便携式可穿戴的超声理疗仪，其特征在于:治疗头模块(6)具有多个治疗头，且具有吸附结构。
3.根据权利要求2任一项所述的便携式可穿戴的超声理疗仪，其特征在于:治疗头的吸附部件为近似锥形的吸附罩。
4.根据权利要求3任一项所述的便携式可穿戴的超声理疗仪，其特征在于:该治疗仪器可输出具有多个中心频 率的超声波，且在0.5-3.5MHz范围内连续可调，用于器质性心血管病患者、运动创伤性患者的治疗。
5.根据权利要求4任一项所述的便携式可穿戴的超声理疗仪，其特征在于:超声治疗头有效辐射面积为3-9 cm2，有效输出声强< 3W/cm2。
6.根据权利要求1-5任一项所述的便携式可穿戴的超声理疗仪，其特征在于:所述人机交互模块(2)包括触摸屏(201)和状态指示灯(202);所述主控模块(3)包括一微处理器(301)；所述DDS模块(4 )包括一 DDS发生电路(401)，所述DDS发生电路(401)的输出端连接一低通滤波电路(402)，所述低通滤波电路(402)的输出端连接一占空比调节电路(403)，所述占空比调节电路(403)与微处理器(301)相连。
7.根据权利要求1-5任一项所述的便携式可穿戴的超声理疗仪，其特征在于:所述功放模块(5 )包括一级放大电路(501)，所述一级放大电路(501)的同相输入端连接占空比调节电路(403)的输出端，实现对占空比调制后的激励信号进行初步放大；所述一级放大电路(501)的反相输入端连接一数字电位计(504)，通过调整接入反相端电阻的大小，控制输出信号的大小，经过后续放大以最终实现对治疗强度的控制，所述的数字电位计(504)与微处理器(301)相连，所述一级放大电路(501)的输出端连接二级放大电路(502)，所述二级放大电路(502 )输出端连接一推挽功放电路(503 )。
8.根据权利要求1-5任一项所述的便携式可穿戴的超声理疗仪，其特征在于:所述治疗头模块(6)包括一频率切换与匹配电路(601)，所述频率切换与匹配电路(601)的输入端连接推挽功放电路(503)的输出端；所述频率切换与匹配电路(601)的输入端还连接微处理器(301);所述频率切换与匹配电路(601)的输出端连接一换能器(602)。
9.根据权利要求1-5任一项所述的便携式可穿戴的超声理疗仪，其特征在于:所述频率跟踪模块(7 )包括一电流电压采样电路(701 )，所述电流电压采样电路(701)的输入端连接换能器(602)。
10.根据权利要求9任一项所述的便携式可穿戴的超声理疗仪，其特征在于:所述电流电压采样电路(701)的输出端连接一相位差检测电路(702 )，所述相位差检测电路(702 )的输出端连接微控制器(301)，微控制器根据相位差的大小，调整频率，从而实现频率的自动跟踪。
【文档编号】A61N7/00GK103977507SQ201410174790
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年4月28日 优先权日:2014年4月28日
【发明者】顾华东, 陈瑞涛, 杨杰, 郑陈琪 申请人:中国科学院苏州生物医学工程技术研究所