0 引言

    高強(qiáng)度聚焦超聲（High Intensity Focused Ultrasound，HIFU）治療中，由于空氣和人體組織聲阻抗具有較大的差異，因此需要通過介質(zhì)水耦合到靶向組織以實(shí)現(xiàn)超聲波的有效傳播。同時(shí)為了避免不可控的空化效應(yīng)以及水中雜質(zhì)對(duì)超聲波的反射，必須將水中的氣泡、顆粒雜質(zhì)以及離子去除。國家標(biāo)準(zhǔn)YY0592-2005中要求HIFU用水含氧量<4 mg/L，IEC62127標(biāo)準(zhǔn)中要求超聲用水電導(dǎo)率<=5 μS/cm。此外，HIFU治療中介質(zhì)水還起到散熱降溫作用?，F(xiàn)有的HIFU水處理設(shè)備多采用真空泵脫氣等方法，其體積較大，出水效率低，且不能定量地控制治療水箱中的水量，不能滿足快速循環(huán)用水的制備需求^[1]。本文設(shè)計(jì)的高強(qiáng)度聚焦超聲治療水處理系統(tǒng)采用循環(huán)脫氣方式，對(duì)水路壓力、流速實(shí)時(shí)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了聚焦超聲用水的脫氣、去離子和流量的控制。整個(gè)循環(huán)水路各個(gè)部分有電磁閥控制，并具有良好的密封性，保證水質(zhì)量達(dá)到預(yù)期的效果，系統(tǒng)各部分狀態(tài)通過ARM實(shí)時(shí)傳輸至上位機(jī)，可達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的效果。

    水處理系統(tǒng)分為3個(gè)部分：水凈化處理部分、水脫氣處理部分和流量控制部分?？傮w設(shè)計(jì)如圖1所示。水凈化處理部分主要去除水中的顆粒雜質(zhì)、氯氣、細(xì)菌以及離子等。水脫氣部分用于去除水中溶解的氧氣等氣體。流量控制選用Microchip公司的單片機(jī)PIC18f46k22為核心控制芯片，通過編寫控制系統(tǒng)主程序，實(shí)現(xiàn)觸摸串口屏控制和動(dòng)態(tài)檢測水量、水壓和制水速度等，同時(shí)在Qt軟件環(huán)境下編寫了上位機(jī)界面，對(duì)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了多種方法控制，使操作變得靈活。

1 水處理系統(tǒng)水路連接設(shè)計(jì) 

    水凈化處理部分主要去除水中的顆粒雜質(zhì)、氯氣、細(xì)菌以及離子等。如圖1所示，預(yù)置濾芯1-5分別裝有1 μm聚丙烯(polypropylene，pp)棉、顆?；钚蕴?、結(jié)型活性炭、軟水樹脂、1 μm pp棉等預(yù)過濾處理裝置。pp棉用于濾除顆粒雜質(zhì)，活性炭用于濾除自來水中的氯氣，軟水樹脂用于去除水中的鈣鎂等陽離子，防止結(jié)垢。預(yù)制過濾部分主要功能是保護(hù)水脫氣RO膜。混合離子交換柱裝有陽離子和陰離子交換樹脂，進(jìn)一步去除水中的離子。后置活性炭過濾濾芯進(jìn)一步過濾水中雜質(zhì)，更加徹底地吸附水中的異色、異味，同時(shí)抑制水中細(xì)菌再生。

    水脫氣部分用于去除水中溶解的氧氣等氣體。真空泵用于抽除脫氣膜中的氣體，提供脫氣膜工作所需的真空環(huán)境。脫氣膜裝置用于增大氣液接觸的表面積，提高脫氣效率。壓力桶用于緩存制備的HIFU用水，可以提供一定的壓力以完成向聚焦超聲水箱的進(jìn)水操作，同時(shí)壓力桶的結(jié)構(gòu)可確保所制備的水與空氣隔離。

    流量控制部分用于控制聚焦超聲水箱中入水和出水的體積和速度，通過流量計(jì)計(jì)算出入水體積。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

    硬件控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)PC監(jiān)控部分、PIC18f46k22主控板部分組成^[2-3]。主控系統(tǒng)以PIC18f46k22控制器為核心，外圍硬件連接時(shí)鐘計(jì)時(shí)電路、帶光電隔離電磁閥驅(qū)動(dòng)電路、固態(tài)繼電器驅(qū)動(dòng)電路、流量計(jì)、真空壓力傳感器、RO膜壓力傳感器、高壓開關(guān)、觸摸串口屏和電源模塊。以PIC18f46k22為主控板，通過RS232串口與7寸觸摸串口屏連接，觸摸屏按固定的幀格式動(dòng)態(tài)地與單片機(jī)信息交互；同時(shí)擴(kuò)展另一路RS232串口通過ARM與上位機(jī)PC連接，上位機(jī)PC基于Qt軟件編寫操控界面，通過ARM與單片機(jī)信息交互。該系統(tǒng)既可以通過觸摸屏現(xiàn)場操控水處理系統(tǒng)，又可通過PC遠(yuǎn)程操控，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.1 電源控制電路

    單片機(jī)采用直流24 V模塊電源供電，需要將24 V轉(zhuǎn)換為12 V直流供觸摸串口屏，5 V直流供單片機(jī)。電源轉(zhuǎn)換電路采用TPS5410芯片和ML2940CT芯片，分別轉(zhuǎn)換為直流12 V和5 V。

2.2 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路

    采用光電隔離芯片LTP521、MOS管STF19NF20開關(guān)，能安全穩(wěn)定地提供直流電壓、打開和關(guān)閉電磁閥，且開關(guān)切換過程由于電路具有光電隔離特性，使得電路系統(tǒng)穩(wěn)定地切換。

2.3 固態(tài)繼電器驅(qū)動(dòng)電路

    固態(tài)繼電器和增壓泵、脫氣泵相連，在常態(tài)下，固態(tài)繼電器處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)打開驅(qū)動(dòng)增壓泵固態(tài)繼電器時(shí)，外接24 V模塊電源提供24 V電壓驅(qū)動(dòng)增壓泵工作。打開驅(qū)動(dòng)脫氣泵固態(tài)繼電器時(shí)，外接220 V交流電直接供給脫氣泵工作。

2.4 時(shí)鐘計(jì)時(shí)電路

    時(shí)鐘芯片通過IIC與單片機(jī)連接，時(shí)鐘線IIC_SCL、時(shí)鐘應(yīng)答線IIC_SDA，通過鋰電池給時(shí)鐘芯片供電。時(shí)鐘電路能校準(zhǔn)時(shí)鐘，并且PIC控制電路實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)檢測電池電壓功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)，將各個(gè)功能進(jìn)行分解，便于移植。水處理系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要由上位機(jī)基于Qt軟件操控界面設(shè)計(jì)和主控板PIC控制部分組成^[4-6]。在控制板的主程序中，將各個(gè)功能模塊化，其中包括時(shí)鐘計(jì)時(shí)模塊、中斷模塊、流量控制模塊、觸摸串口屏模塊和遠(yuǎn)程PC操控界面模塊。在主程序開始時(shí)，軟件配置PIC單片機(jī)基本設(shè)置，包括系統(tǒng)時(shí)鐘、看門狗分頻、電壓低壓檢測參考標(biāo)準(zhǔn)電壓、關(guān)閉寫保護(hù)、打開在線調(diào)試模式功能等。初始化過程包括系統(tǒng)時(shí)鐘、定時(shí)器、IO端口、(uart)串口和端口中斷的初始化，并使能中斷優(yōu)先級(jí)，時(shí)鐘芯片初始化并獲得時(shí)間。緊接著單片機(jī)向串口屏發(fā)送固定格式的指令，使觸摸屏進(jìn)入主控界面。接下來系統(tǒng)進(jìn)入循環(huán)，通過掃描各個(gè)中斷標(biāo)志位的變化，實(shí)時(shí)響應(yīng)串口屏、上位機(jī)命令和各類傳感器的中斷請(qǐng)求，顯示水處理設(shè)備狀態(tài)，并將信息上傳到串口觸摸屏，動(dòng)態(tài)交互。水處理系統(tǒng)通過定時(shí)器配合流量計(jì)動(dòng)態(tài)顯示出入、循環(huán)水量，既可以定量控制出入水量，又可連續(xù)出入水^[5-6]。各個(gè)傳感器實(shí)時(shí)顯示水路的狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)處理異常，并實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地更新到觸摸串口屏和上位機(jī)操控系統(tǒng)^[7]。串口屏或者上位機(jī)可以發(fā)送消息來控制進(jìn)出水電磁閥的打開、關(guān)斷，電磁閥和傳感器的狀態(tài)也會(huì)實(shí)時(shí)更新到觸摸串口屏和上位機(jī)操控系統(tǒng)。PIC控制程序如圖3。

    通過配置串口觸摸屏的配置文件和單片機(jī)動(dòng)態(tài)信息交互，系統(tǒng)開機(jī)初始化之后串口屏主控界面如圖4所示。

4 上位機(jī)控制界面設(shè)計(jì)

    水處理系統(tǒng)主控板與上位機(jī)通過ARM相連。主控板通過RS232接口與ARM相連，同時(shí)ARM與上位機(jī)通過以太網(wǎng)接口相連。上位機(jī)控制界面是由軟件Qt編寫，基于TCP/IP的socket編程，依據(jù)觸摸屏與主控板的交互模式和現(xiàn)有的數(shù)據(jù)幀格式，自定義以太網(wǎng)、串口解析協(xié)議。上位機(jī)軟件根據(jù)現(xiàn)有的框架進(jìn)行合理科學(xué)的布局，形成一個(gè)美觀的儀表界面。上位機(jī)實(shí)現(xiàn)和觸摸屏類似的功能，可以發(fā)出控制命令給單片機(jī)主控板，主控板將水處理系統(tǒng)實(shí)時(shí)工作狀態(tài)反饋給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)水處理系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操控和狀態(tài)監(jiān)測^[8]。上位機(jī)界面如圖5所示。

5 測試

    水處理系統(tǒng)出水的含氧量和電導(dǎo)率是鑒定是否滿足HIFU用水的兩個(gè)重要指標(biāo)。

    水處理系統(tǒng)開機(jī)5分鐘之后采樣1.5 L水，送至深圳市計(jì)量質(zhì)量檢測研究院進(jìn)行檢驗(yàn)。含氧量測試依據(jù)HJ 506-2009標(biāo)準(zhǔn)，電導(dǎo)率測試依據(jù)GB/T 6682-2008標(biāo)準(zhǔn)，測試結(jié)果如圖6所示，系統(tǒng)出水的含氧量是3.3 mg/L，電導(dǎo)率為0.7 μS/cm，滿足HIFU用水的指標(biāo)。

6 結(jié)論

    本文介紹了水凈化和脫氣設(shè)備的水路連接設(shè)計(jì)，基于PIC18f46k22控制主板進(jìn)行硬件和軟件設(shè)計(jì)，基于Qt上位機(jī)界面設(shè)計(jì)，并配合觸摸串口屏具體說明了工作流程。該設(shè)備體積小，操作簡單，出水速度快，實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度聚焦超聲治療系統(tǒng)水處理設(shè)備的自動(dòng)化、小型化和智能化。經(jīng)測試該設(shè)備制備水的含氧量、電導(dǎo)率指標(biāo)滿足HIFU用水的條件，高強(qiáng)度聚焦超聲治療的水處理設(shè)備在聚焦超聲治療領(lǐng)域?qū)⒌玫礁鼜V泛的應(yīng)用。

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