基于低强度脉冲超声波的软骨康复刺激装置及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于生物电子技术和生物医学工程领域，具体是一种基于低强度脉冲超声 波的软骨康复刺激装置及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着科技的迅速发展，和医疗水平相关的电子技术应用越来越广泛，医疗电子仪 器在家庭和医院的应用也越来越多。每年都有数百万例的骨折及软骨损伤病例发生，对用 于治疗或促进骨折及软骨损伤修复的医疗仪器的需求越来越大，同时对其稳定性及功耗的 要求也越来越高。因此，开发专用的超声软骨康复治疗电子设备具有非常重要的应用价值。
[0003] 软骨在人体结构中发挥着承重负荷、减少关节间骨骼摩擦等重要的作用。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种基于低强度脉冲超声波的软骨康复刺激装置及其控 制方法。
[0005] 本发明的技术方案是：
[0006] 一种基于低强度脉冲超声波的软骨康复刺激装置，包括：处理器模块、信号发生器 模块、PWM模拟开关模块、可控增益放大模块、功率放大器、电感电容匹配电路和超声波换能 器；
[0007] 处理器模块的控制输出端分别连接信号发生器模块的控制输入端、可控增益放大 模块的控制输入端和PWM模拟开关模块的控制输入端，信号发生器模块的输出端连接可控 增益放大模块的输入端，可控增益放大模块的输出端连接功率放大器的输入端，功率放大 器的输出端连接PWM模拟开关模块的输入端，PWM模拟开关模块的输出端连接电感电容匹 配电路的输入端，电感电容匹配电路的输出端连接超声波换能器的输入端，超声波换能器 输出的低强度脉冲超声波作用于软骨。
[0008] 所述信号发生器模块包括正弦信号发生器和前级滤波器；
[0009] 处理器模块控制正弦信号发生器产生I. 5MHz的正弦信号，处理器模块通过串行 接口连接正弦信号发生器和PWM模拟开关模块，正弦信号发生器的输出端连接前级滤波器 的输入端，前级滤波器的输出端连接可控增益放大模块的输入端。
[0010] 所述正弦信号发生器包括相位累加器、波形ROM和D/A转换器；相位累加器的输入 端连接处理器的输出端，相位累加器的输出端连接波形ROM的输入端，波形ROM的输出端连 接D/A转换器的输入端，D/A转换器的输出端连接前级滤波器的输入端。
[0011] 所述超声波换能器输出的低强度脉冲超声波参数为A，即超声波的强度为30mW/ cm2、频率为I. 5MHz，脉冲宽度为200 μ s，重复频率为IKHz，采用参数为A的低强度脉冲超声 波对软骨进行刺激，进而促进软骨的生长或延缓软骨退化速度。
[0012] 所述可控增益放大模块用于根据信号发生器模块的输出信号获得峰值为7. 6V且 峰峰值为15. 2V的I. 5MHz的正弦波信号。
[0013] 所述信号发生器模块用于产生频率I. 5MHz的正弦波信号。
[0014] 所述PWM模拟开关模块用于对信号发生器模块产生的正弦波信号进行脉宽调制， 得到重复频率为ΙΚΗζ，脉冲宽度为200 μ s且占空比为20%的超声波信号。
[0015] 所述可控增益放大模块根据处理器通过其D/A转换电路输出可变的电压值来进 行正弦信号的增益放大。
[0016] 所述电感电容匹配电路用于实现超声波换能器的变阻功能，采用串联电感到超声 波换能器达到阻抗匹配的目的，进而使超声波换能器产生I. 5ΜΗΖ超声波。
[0017] 所述的基于低强度脉冲超声波的软骨康复刺激装置的控制方法，其特征在于，包 括以下步骤：
[0018] 步骤1 :由处理器模块产生控制信号，正弦信号发生器产生所需频率I. 5MHz的正 弦波信号；
[0019] 步骤2 :正弦信号发生器产生的正弦信号经过前级滤波器滤波后进入可控增益放 大器，由处理器通过D/A转换电路输出可变的电压值来控制正弦信号的增益放大；
[0020] 步骤3 :经增益放大后的信号再经过功率放大电路进行功率放大；
[0021] 步骤4 :由处理器内部定时器产生频率为ΙΚΗζ、脉冲宽度为200 ys且占空比为 20%的PWM脉冲信号控制PWM模拟开关模块，使得输出信号为重复频率为ΙΚΗζ、脉冲宽度为 200 μ s、信号频率为I. 5MHz的脉冲正弦波信号；
[0022] 步骤5 :脉冲正弦波信号经过电感电容匹配电路传递给超声波换能器后，输出参 数为A的低强度脉冲超声波，该超声波刺激受损伤的软骨进而促进软骨生长，或对老年人 的膝关节软骨进行刺激，进而延缓其软骨退化。
[0023] 有益效果：
[0024] 本发明结合相关动物实验结果，确定设计强度为30mW/cm2,频率为I. 5MHz，脉冲宽 度为200 μ S，重复频率为IKHz的低强度脉冲超声波软骨康复刺激装置，对受损软骨进行刺 激治疗。在此参数低强度脉冲超声刺激下可以促进受损软骨的康复，延缓老年性膝关节软 骨退化。可以采用本发明为不同年龄和病因的软骨损伤患者制定刺激方案，即确定刺激的 位置和时长，以便帮助软骨损伤病人康复或达到延缓老年性膝关节软骨退化的目的。需要 说明的是，本发明的直接目的并不是获得诊断结果或健康状况，而只是提供一种低强度脉 冲超声刺激下可以促进受损软骨的康复的装置及其控制方法，并未进行医疗诊断。
【附图说明】
[0025] 图1为本发明一种实施方式的基于低强度脉冲超声波的软骨康复刺激装置结构 框图；
[0026] 图2为本发明一种实施方式的超声波信号发生器结构示意图；
[0027] 图3为本发明一种实施方式的DDS产生波形过程示意图；
[0028] 图4为本发明一种实施方式的DSP与AD9833硬件连接电路图；
[0029] 图5为本发明一种实施方式的有源低通滤波器电路原理图；
[0030] 图6为本发明一种实施方式的AD603内部结构原理图；
[0031] 图7为本发明一种实施方式的产生OdB到+40dB、30MHz带宽的AD603芯片接法 图；
[0032] 图8为本发明一种实施方式的信号发生器模块原理图；
[0033] 图9为本发明一种实施方式的功率放大模块原理图；
[0034] 图10为本发明一种实施方式的PWM模拟开关模块原理图；
[0035] 图11为本发明一种实施方式的PWM模拟开关输出波形示意图；
[0036] 图12为本发明一种实施方式的可控增益放大模块原理图；
[0037] 图13为本发明一种实施方式的超声波换能器理论上的等效电路图；
[0038] 图14(a)为本发明一种实施方式的超声波换能器的等效电路图；
[0039] 图14(b)为本发明一种实施方式的超声波换能器及其电感电容匹配电路图； [0040] 图14(c)为本发明一种实施方式的超声波换能器谐振状态下的等效电路；
[0041] 图15为本发明一种实施方式的超声波换能器及其电感电容匹配电路的仿真电路 图；
[0042] 图16(a)为本发明一种实施方式的超声波换能器阻抗分析的幅频特性图；
[0043] 图16(b)为本发明一种实施方式的超声波换能器阻抗分析的相频特性图。
【具体实施方式】
[0044] 下面结合附图对本发明的实施方式作进一步详细说明。
[0045] 一种基于低强度脉冲超声波的软骨康复刺激装置，如图1所示，包括：处理器模 块、信号发生器模块、PWM模拟开关模块、可控增益放大模块、功率放大器、电感电容匹配电 路和超声波换能器；
[0046] 处理器模块的控制输出端分别连接信号发生器模块的控制输入端、可控增益放大 模块的控制输入端和PWM模拟开关模块的控制输入端，信号发生器模块的输出端连接可控 增益放大模块的输入端，可控增益放大模块的输出端连接功率放大器的输入端，功率放大 器的输出端连接PWM模拟开关模块的输入端，PWM模拟开关模块的输出端连接电感电容匹 配电路的输入端，电感电容匹配电路的输出端连接超声波换能器的输入端，超声波换能器 输出的低强度脉冲超声波作用于软骨，进而促进软骨的生长或延缓软骨退化速度。
[0047] 信号发生器模块包括正弦信号发生器和前级滤波器；采用TMS320F2812控制 AD9833芯片并在后级加入MC34071芯片，如图8所示；
[0048] 处理器模块控制正弦信号发生器产生I. 5MHz的正弦信号，处理器模块通过串行 接口连接正弦信号发生器和PWM模拟开关模块，正弦信号发生器的输出端连接前级滤波器 的输入端，前级滤波器的输出端连接可控增益放大模块的输入端。
[0049] 正弦信号发生器采用由ADI公司生产的低功耗，可编程的波形发生器AD9833,它 能够产生正弦波、三角波、方波输出。工作电压范围是2. 3V~5. 5V，在主频时钟为25MHz 情况下频率范围可达到OMHz~12. 5MHz且频率和相位可数字编程，满足了低功耗、产生 I. 5MHz脉冲的要求，并能实现频率的动态调节。
[0050] 首先，根据直接数字频率合成（Direct Digital Synthesizer, DDS)原理，利用 TMS320F2812控制AD9833芯片设计完成了信号发生器模块；采用AD603芯片，利用芯片的 软件可控特性，采用两级串联级联方式设计实现了可控增益放大模块；采用AD811芯片，利 用其低噪声、低失真、宽带宽特性，设计实现了功率放大模块；利用TMS320F2812产生PWM脉 冲调制，用模拟开关芯片设计实现了 PWM模拟开关模块。最终完成了低强度脉冲超声波康 复刺激装置的设计。
[0051] 如图2所示，正弦信号发生器包