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。微波治療疾病的原理比較復雜，由國內外目前研究結果可見微波治療疾病主要是通過熱效應和生物效應來實現的。由于極性分子間存在磁阻對振蕩產生阻尼作用，從而消耗微波能量而生熱，利用這些熱量達到治病之目的，這就是微波治療的熱效應。 通過研究和實驗表明，用微波照射病變部位，其治療效果遠遠超過其它熱敷方法。人體的組成成分大部分是碳水化合物，碳水化合物的分子都是極性分子，極性分子在微波場作用下，隨微波頻率改變其極性稱作極性振蕩，極性振蕩的頻率與微波頻率相同，其振幅與微波強度成正比。大家知道，中醫通過熱敷、針灸可以治療寒癥和局部炎癥；通過人體自身發熱，可以達到自身免疫功能。微波是指頻率為300MHz-300GHz的電磁波，是無線電波中一個有限頻帶的簡稱，即波長在1米（不含1米）到1毫米之間的電磁波，是分米波、厘米波、毫米波和亞毫米波的統稱。微波頻率比一般的無線電波頻率高，通常也稱為“超高頻電磁波”。微波作為一種電磁波也具有波粒二象性。微波的基本性質通常呈現為穿透、反射、吸收三個特性。對于玻璃、塑料和瓷器，微波幾乎是穿越而不被吸收。對于水和食物等就會吸收微波而使自身發熱。而對金屬類東西，則會反射微波。

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、顯示不直觀的缺點生物電磁學作為一門新興的邊緣學科，已愈益受到中國外有關專家和學者的重視。，對高頻電磁波的研究已經拓展到毫米波段，并被視為研究的重點內容。毫米波生物醫學工程的研究，始于六十年代，1968年，加拿大學者Webb發表了第一篇關于毫米波可抑制細菌生長的生物效應文章，隨后他又報道過微生物對毫米波存在類似諧振的能量吸收諧振點，指出了正常細胞和癌細胞對毫米波具有不同的吸收諧振點。此后，俄、美、德、法和中國等許多科學家都做了大量的基礎實驗研究和臨床驗證工作。結果表明低能量密度的毫米波照射能引起明顯的生物效應，同時在毫米波臨床應用上也積累了大量有價值的資料。 微波作為毫米波的一種，除了具有毫米波的共有特性外，還有一些區別于其他毫米波的獨特性質。微波的主要特點是它的似光性、穿透性和非電離性。

ARM（Advanced RISC Machines）是微處理器行業的一家知名企業，設計了大量高性能、廉價、耗能低的RISC處理器、相關技術及軟件。技術具有性能高、成本低和能耗省的特點。適用于多種領域，比如嵌入控制、消費/教育類多媒體、DSP和移動式應用等。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、配置WINCE.NET操作系統的微波熱療儀。

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。

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，嵌入式系統是“控制、監視或者輔助裝置、機器和設備運行的裝置”（devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。從中可以看出嵌入式系統是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機械等附屬裝置。目前國內一個普遍被認同的定義是：以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟件硬件可裁剪、適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。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。嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬件可裁剪，適用于應用系統，對功能、對可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。