基于ARM内核的嵌入式肿瘤热疗系统

　　1　引　　言

　　超声辐射热疗是利用超声热效应进行组织加温以治疗人体肿瘤的医疗手段,要求能精确地把癌瘤组织加热到有效治疗温度范围内(41～45℃),并维持一定时间,以有效杀灭癌细胞,同时不造成周围正常组织的损伤[1]。该技术相对成熟,成本低廉,对正常组织损伤小,因此在肿瘤治疗技术领域占有一定地位,而且经与放疗、化疗、免疫疗法或基因疗法结合对疗效有明显的　　增强作用,临床意义显著[2 4]。传统的肿瘤辐射热疗系统普遍采用上位机/下位机的控制方式,上位机使用工控机或通用计算机作为人机交互界面接口,下位机采用单片机等微控制器作为智能控制中心[5 6]。然而,近年来随着微电子与嵌入式技术的发展,32/64位微处理器的性能得到了很大的提高,这种常规的上位机/下位机的控制方式正逐渐被性能价格比高的嵌入式系统控制所取代。

　　文中采用基于ARM7内核的嵌入式片上系统S3C44B0X为核心开发新型的小型化超声肿瘤热疗系统,运用ARM内核及嵌入式SOC在热疗领域的实用开发技术,对热疗中最重要的组织温度控制方法实施了改进与优化。

　　2　系统原理及构成

　　嵌入式肿瘤热疗系统包括以下功能子系统模块,分别完成特定的逻辑功能:组织温度采集与转换系统、超声辐射功率控制信号发生系统、系统存储管理模块、人机界面接口系统(包括液晶屏显示控制驱动模块及键盘)以及其他基本功能模块(如图1所示)。现场温度信号通过温度采集和模数转换后,实时反馈回PID闭环机制的输入端,经PID运算,得到占空比自动调整的脉宽调制(PWM)信号,控制超声输出功率的能量,达到温度控制目的。

　　2.1　组织温度采集转换系统

　　该子系统包括温度传感器探头、接口电路、放大电路及A/D转换4部分。温度传感器采用T型热电偶材料,外层涂覆绝缘橡胶放入小型钢管内严格封装制成传感器探头。接口电路负责将探头采集的微压信号无损地引入放大电路。放大电路由2级构成:第一级是带内置冰点补偿的热电偶放大电路,可将微电压放大到毫伏级;第二级采用高精度运算放大电路,负责将毫伏级电压放大到系统A/D标准输入电压范围。A/D转换器集成在嵌入式SOC内部,负责将前端现场采集来的温度模拟信号转换成CPU可以识别的数字信号,作为数字PID闭环温度控制系统的输入,因此温度模块中A/D转换器的设计应用至关重要。该A/D转换器包括1个8通道模拟输入多路复用开关、自动调零比较器、时钟发生器、1个10位连续逼近寄存器(SAR)以及输出寄存器。转换开始时,SAR最高位置1,模拟输入信号与参考信号进行比较。由于A/D转换器采用差分结构设计,转换器内部产生2个差分信号,其中一个信号为输入信号同正参考电压之差,另一个信号为共模信号与负参考电压之差,这两个信号同时送入比较器进行比较。如果输入信号高于参考电压,则SAR最高位保持高电平的同时下一位置1,如此一直比较下去,使得SAR值逐步逼近输入信号值,实现从模拟电压到数字信号的转换。