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基于msp430单片机的皮肤病加热治疗系统的设计与实现_图文

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基于MSP430单片机的皮肤病加热
治疗系统的设计与实现
冯礼,唐劲天 (清华大学上鞋物邪系医学物耶与上科研究所北京L00084)

摘要:皮肤病种类繁多.州扰苻诸多人群.治,,方法多种多样.加热治j,皮肤病的技术在凼内外'亢受剑位州.我{fj以¥SP430 一.fI片机为·I-心,设计m'套埂什利软件系统.使州PID等算法实现功率调甘和温度控制,丌发出便携式的皮肤病加热治,, 系统.它测温和控温精度商,馒Hi方便.有较好的应川价值. 关键词:皮肤病·.fI片机化物传热温度控制

1引



皮肤病患者众多,以痤疮(俗称"粉刺")为例,大约85%的青春期和青中年人群受到它的困扰.除 了药物治疗,紫外线,微波和激光等都可以治疗某些皮肤病.它们有一个共同点:使治疗部位升温来抑 制,杀灭病菌等,达到治疗效果.加热治疗某些皮肤病的优点是见效快,副作用小.国内外都有一些古
代流传下来的一些加热治疗皮肤病的方法,虽然原理并没有彻底研究清楚,但它们或多或少有一定效果. Reenee等人提出,45℃或者更低的温度对皮肤瘙痒和皮疹没有疗效,反而会加重病情;至少49℃的温度

才能发挥治疗作用.但持续时间不能超过3秒钟,否则对皮肤有害,甚至会对血管等造成危害….S.Bruce 等人的实验和研究证明,针对痤疮丙酸杆菌(引发粉刺的一种主要病菌),使用一定的温度手段,可以
有效杀灭该种病菌,取得很好的治疗效果"'.

2系统功能设计
根据国内外的研究趋势,我们决定开发一套便携式的温度控制系统.它可以方便地应用到粉刺,牛 皮癣等疾病的治疗中.类似的温度控制系统,一般以单片机为电路核心,结合一定的控制算法,即时调 整加热功率,实现需要的功率(温度)输出.同时.结合其它器件可以实现温度的实时显示,指示灯的 提示和蜂鸣器报警等功能.参考国外产品的性能指标,系统的控温精度设定在±0.5℃左右.考虑使用对
.93.

象,使用部位和环境条件等诸多不确定因素,对温度控制算法的要求较高.作为便携式的系统,系统使 用充电电池.电池选择需兼顾容量,体积,成本和充放电的控制难易度等因素.除了治疗模式,系统还
有测温模式,可以检测室温和体温等,这时候要求它的功耗很低.

3硬件设计
3.1单片机选择

系统要求选用的单片机体积小,功能丰富,功耗低.德州仪器公司(TI)的MSP430F412单片机基本 可以满足这些要求.它的供电电压为1.8V至3.6V:自身功耗很低,在活动模式下电流仅为几百毫安,在
休眠模式下电流降为几微安甚至更低;采用16位RISC结构,运算能力强:集成了FLL+锁相环,自身可

提供稳定的时钟信号源;集成了96段LCD驱动器,可以直接驱动段式液晶元件;集成有模拟比较器.可
间接实现AD转换. 3.2温度传感器选择 系统的加热探头体积小,同时对测温和控温的要求都较高,这对温度传感器件提出了较高要求.和

热敏电阻,热电偶,二极管,三极管和压电晶体等常见测温器件相比,Maxim公司的DSl8820集成温度传
感器的性能更好.它体积很小,供电电压为3.0'5.5V,管脚只有三个,不需要附加电路,通过一根数据 线即町读取数据,还可设定非易失性报警上下温度阈值.它的测温范围为一55'125"C,在一lO'85"C范围内 精度为±0.5"C,提供9'12位数字输出,最高分辨率为0.0062513,典型测温时间不到200毫秒. 3.3电源和加热器件选择 常见的充电电池有镍镉电池,镍氢电池和锂电池等.相对镍镉电池,镍氢电池无记忆效应,不含污

染金属,不需定期进行小电流充放电保护;相对锂电池.镍氢电池的体积能量比相当,成本更低,而且
充放电控制电路简单,安全可靠.系统使用四节镍氢电池组成一个电池组,通过Dc—Dc转换得到稳定的 3.6v电压,作为整个系统的电源. 系统采用最原始的电阻发热来产生热量.为了减小加热探头的体积,采用贴片电阻. 3.4外围电路 系统还包括一些外围电路.为了实现用户输入选择(开机,关机和开始治疗等),系统提供几个按 钮来获取使用者的输入信息.系统选用三位半段式液晶显示温度,可以显示正,负温度,显示分辨率为
O.1℃.

综合以上选择和电路设计思想,系统的电路结构如下图l所示.

I冬|I系统硬什水罔

4算法设计和软件实现
..94..

4.1皮肤传热分析和温度控制算法设计

1948年Pennes分析了静止状态下人体前臂组织和血液温度的单圆柱模型,提出了至今仍在沿用的微 分方程,该方程第一次将生物组织与一般工程材料从根本上区分开来:
a7'

pc杀2 V(kVT)+%C6(艺一丁)+鼋聊+9,

(1)

除了皮肤的传热外,方程还考虑了血液和组织的换热,代谢产热pJ.此外,还有一些其他模型,总体
说来,Pennes方程形式简单,应用广泛,效果良好.

刘静等人提出了针对皮肤的三层传热模型,把皮肤从内到外分为深部组织层,中间层和外层.在深层组
织仍采用Pennes方程,在中间层忽略血液换热和代谢产热;在外层,考虑汗液的流动换热和凝固放热等

冈素,结合生物传热多孔体模型【4J.通过求解该模型,可以看到在深部组织层.温度输出主要与两个指数 项相关;在中间层,温度成线性变化:在外层,温度由指数项和一个线性项组成.数值模拟发现温度从
内到外并不是一直降低,而是在外层有所回升.这与直观感觉相异,但和精确实验的结果一致,说明该 模型有实用价值. 系统的工作过程包括自由升温阶段和治疗阶段.在自由升温阶段使用模糊.PID控制策略,当温度和 设定温度偏差较大时,使用模糊控制;当和设定温度偏差较小时,采用PID控制,PID参数根据发热电 阻的传输函数得到.在加热治疗阶段.使用PID控制算法.但这时控制对象的温度特性已经不同.根据 前面介绍的三层传热模型,我们通过实验得到简化了的皮肤的传输函数,再结合发热电阻的传输函数, 确定新的PID参数.同时,考虑到环境情况,加热对象的复杂性,以上参数并不一成不变,系统会根据 实际情况对它们进行修正. 4.2软件设计

程序的功能包含温度的获取与显示,温度控制算法实现,按钮输入响应和指示灯输出等.程序的结
构框图如图2所示.

..95..

图2系统软什水罔

5系统性能
在硬件设计和软件调试工作都完成后,系统基本实现了预期的目标:升温时间短,温度控制稳定.系统 开发成功后,又进行了多次实验,进行算法的修正和完善.目前,在室内环境下,系统的测温精度为±

O·3℃,控温精度为±O.f'C.图3为该系统在室内自由升温后加热手臂皮肤的时间一温度曲线.

..96..

冈3系统自山升温和控温lllf线

6总结和展望
该系统构成简单,测温和控温精度高,响应速度快.利用该系统的医学实验研究正在进行中.我们相信 在将来,该系统可以为治疗皮肤病提供一种新的选择.
参考文献 【l】Reenee
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磁感应肿瘤治疗设备电磁辐射安全性评价
王旭飞1李运智2唐露新'唐劲天". (1清华大学一L科物卯系医学物邪与J二科研究所北京100084
2

r尔上qp大学信息上种学院广州510006)

摘要:埘丈!蛉窜研制的·I·频磁感应肿瘤加温治疗实验设备的上作区域磁场利环境磁场进行了测景.根据因际非电离辐射酗 护委员会(ICNIRP)《芙丁瞅制时变电场,磁场和电磁场暴露的导则》和《电磁辐射暴露瞅伉和测黾乃'法》圆家标准(草 案),刈磁感应肿j由治,,实验设备的电磁场安仝性进行了初步评价. 关键词:·I-频磁场,肿瘤治,,.电磁辐射.安全性,ICNIRP
-97.

基于MSP430单片机的皮肤病加热治疗系统的设计与实现
作者: 作者单位: 冯礼, 唐劲天 清华大学工程物理系医学物理工程研究所 北京 100084

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