劉偉， 張曉蘭， 張蘭蘭

　　（河南科學技術大學 醫工學院，河南 洛陽 471003）

　　摘要：基于超聲促滲的雙氯芬酸鈉體外透皮正交實驗研究，在前期實驗數據積累的基礎上，提取了復合促滲的有效實驗參數組合。為了適應后期臨床測試的需要，在比對和分析目前超聲給藥系統結構的基礎上，提出了模塊化超聲給藥系統的設計方案，并完成了各部分主要模塊電路的設計，實現了超聲給藥系統結構的優化和可持續升級，為后續工作的展開提供了基礎。

　　關鍵詞：超聲促滲；經皮給藥；模塊化； 低頻超聲

0引言

　　雙氯芬酸鈉作為一種主要的外敷用抗炎類藥物，應用非常廣泛，療效也較佳。本文將介紹基于雙氯芬酸鈉復合促滲的超聲給藥的實驗和理論研究。雙氯芬酸鈉適合采用局部緩釋給藥，其藥效作用集中，但需要有效避開臟器和消化道的代謝排出。超聲給藥作為一種外用物理促滲方法，較好地滿足了雙氯芬酸鈉的給藥需求，這是開展實驗設計的基礎。超聲給藥主要是利用超聲波的機械、溫熱和空化效應等綜合作用于表皮，使皮膚組織的通透性增加，有效增強藥物透入效率。超聲給藥優點突出，為雙氯芬酸鈉應用的推廣提供了廣闊的前景［1］。

1系統總體設計要求

　　超聲給藥的基礎實驗研究主要是以單位時間的有效滲透量做為評價指標，通過有效調整超聲促滲參數，以實驗驗證來求解最適合于雙氯芬酸鈉透皮給藥的超聲參數組合。超聲給藥實驗對雙氯芬酸鈉體外經皮滲透率進行數據分析對照，如果采用全參數進行覆蓋實驗，很難得出有效評估。本文采用正交試驗設計來研究多因素多水平的綜合對照，根據正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗驗證，這些有代表性的點均勻分散，規范可比較，能較好地滿足實驗測定的需要。實驗數據如表1所示。根據實驗選擇水平組合，完成了正交實驗數據表格，給藥系統設計依據該標準，構建靈活便攜的超聲實驗平臺，為后期實驗的重復開展和臨床驗證提供便利。

　　需要構建的系統包括四個獨立工作通道，單通道的激勵電壓的頻率調整范圍為20～50 kHz，這樣可以保證每一通道的覆蓋性和替代性，有利于后期的對照。對超聲換能器的激勵采用脈寬調制波，要求輸出頻率包含21 kHz，28 kHz，32 kHz，38 kHz四檔可調。選用超聲探頭有效輻射面積為5～7 cm2的海納系列換能器，由聲壓換算出有效超聲輸出功率并留出調節余量。還需要對換能器的工作時間進行控制，實時采集探頭諧振時的電壓和電流信號，建立對其頻率和功率的自動跟蹤和調節，此外系統還需要提供過壓、過流、過溫保護和用戶接口等。基于以上設計要求完成了四通道獨立可調的超聲驅動電路系統的模塊化構建。

2系統模塊化電路設計

　　目前的超聲給藥系統實現的基本功能單元很多［2］，在對比和分析了目前超聲給藥系統結構的主要實現方式和優缺點的基礎上，提出滿足當前系統功能需要的模塊化設計結構，將系統分為數字邏輯控制模塊、功率放大驅動模塊、可控電源模塊、反饋模塊和匹配輸出模塊五部分，構建的模塊化系統能夠完成超聲給藥需要的驅動頻率、脈寬、功率和時間參數的實時調整，可根據不同換能器需要更換匹配輸出，有效解決了功率電源、功率放大和反饋回路的獨立調試問題，且各部分結構可獨立調整和升級，滿足了超聲給藥系統的通用性設計。

　　2.1數字邏輯控制模塊電路實現

　　數字邏輯控制模塊部分主要完成激勵源的產生、開關功率電源控制、反饋信號采集和系統流程控制等功能。數字邏輯器件目前可以選擇的種類很多，系統設計初期采用圖1數字邏輯控制模塊結構功能單片機作為數控的核心器件，選用增強的8位AVR CMOS微控制器ATmega 16來實現，充分利用其內部集成的邏輯功能單元來簡化電路實現，其主要功能描述如圖1所示。

     2.2功率放大驅動模塊

　　功率放大驅動模塊系統采用專用驅動芯片IR21844構建，數控單元輸出的脈寬調制信號經光耦隔離和調理以后，經由IR21844增益輸出驅動MOS（Meta Oxid Semiconductor）半橋功放，輸出經變壓器隔離和變換，驅動換能器工作。

　　IR21844作為IR公司的專用電源驅動芯片，性能表現優異。該芯片是雙通道、柵極驅動、高壓高速功率器件的單片式集成驅動模塊。芯片中采用了高度集成的電平轉換技術，可以滿足對工作頻率和電壓等主要參數的要求，只需要單脈沖輸入就能驅動雙管橋臂，大大簡化了邏輯電路對功率器件的控制要求，同時自身帶有死區調整腳，提高了電路驅動的可靠性。

　　功率開關管采用了單片集成MOSFET（Metallic Oxide Semiconductor Field Effecttransistor）器件。功率驅動采用半橋結構來實現，半橋輸出功率較低，但開關管數量少，驅動調節簡單，且抗電壓不平衡能力很強，總體適合當前需求。IR21844增益輸出的PWM（PulseWidth Modulation）調制信號驅動半橋結構的MOSFET管輪流導通，在變壓器的副邊得到交變信號，實現逆變輸出［3］。

　　為了保證功放開關管使用時的可靠性，主電路中還包含相關保護電路，限制電壓電流變化，減少器件開關損耗等。系統對功放管的過壓保護采用穩壓管實現，要求低于功放管閾值電壓下限，實現對過沖峰值電壓的保護。過流保護采用RC組合的緩沖吸收電路，電阻選取滿足限流需要。主體電路如下圖2所示。

　　2.3可控電源模塊

　　該模塊集中提供其他電路需要的直流電源和功放開關管的驅動電壓。全系統電路模塊用到的電源電壓有：數控邏輯模塊的+5 V，功率放大驅動模塊的+12 V；反饋模塊的隔離、調理運放和乘法器等需要的+5 V；匹配輸出模塊譯碼器和SSD（Static Sensitive Device）器件需要的+5 V電源。采用220 V轉15 V變壓器輸出15 V交流電壓，采用兩片7805產生+5 V直流分別供應數控單元和其他部分，一片LM7812產生+12 V供應IR21184，這樣保證了主要模塊基本電源的獨立穩定。

　　系統采用降壓斬波電路改變開關管的驅動電壓，從而改變輸出功率進行調功。PWM通過改變占空比來實現對驅動電壓的調節，即采用不控整流加斬波的直流側降壓調功方式來實現。直流斬波的電壓調節方式具有效率高、諧波少、工作可靠等優點［4］。直流斬波調功方式目前比較成熟，相關軟開關電路的應用很多，這里采用脈寬調制方式完成對控制開關電源的電壓調節，以滿足功率調整的需要。集中電源供應簡化了電路的電源實現，方便調試。其結構流程如圖3所示。

　　2.4反饋模塊

　　換能器在實際工作時，振蕩會引起探頭發熱，此外其他許多因素如老化、接觸不良等，都會改變換能器原有的負載參數，使換能器失去諧振狀態，從而降低功率轉化效率和促滲效果。因此系統需要能夠對換能器的工作狀態進行實時跟蹤和調整。反饋模塊主要完成換能器諧振工作時的頻率、功率和溫度等信號的實時采集，形成有效的閉環控制，在一定范圍內實現跟蹤調整，使換能器工作在最佳狀態。

　　換能器在諧振時，其兩端電壓、電流的相位差為零，提取電壓和電流的相差信號可以作為頻率的誤差反饋信號，電流和電壓的乘積可以作為功率信號，因此需要實時采集換能器諧振時的電壓、電流信號。電壓電流的檢測方法較圖4匹配接口模塊切換電路

　　多，主要采用互感器件進行檢測，減少對換能器諧振電路結構的影響。使用KA20A/P磁平衡電流傳感器對交變電流信號進行取樣。該傳感器基于霍爾效應實現，響應電流增益比較靈敏，可以有效檢測頻率波動0~50 kHz范圍內的交變信號，其輸出電壓的信號正比于交變電流信號。該傳感器簡單準確，穩定性高，滿足當前系統要求。交變電壓信號的檢測是在輸出變壓器的副端繞組上纏繞變壓比可調的線圈來獲得，在檢測電壓信號時也可以有效隔離和濾除部分諧波干擾。采樣得到的實時電壓和電流信號經隔離、調理后計算相差和功率，得到功率和頻差的反饋信號，返回數控邏輯模塊形成閉環控制。

　　此外系統采用DSl8B20實時檢測換能器工作時的溫度信號，形成溫度反饋。

　　2.5匹配輸出模塊

　　采用海納換能器的等效電路，其C0為靜態電容，R0、R1、C1、L1分別為損耗阻抗、負載電阻、動態電容和動態電感。

　　壓電換能器只有諧振輸出阻抗與變壓器驅動輸出內阻滿足合理的比例關系，才能保證功率的有效輸出，即輸出阻抗匹配；此外，換能器還必須工作在諧振頻率點，才能保證功率有效轉換成機械能，即換能器要滿足諧振匹配。由于該換能器諧振時對外主要表現出容性，所以系統主要采用串聯電感進行調諧。系統采用電感器件對壓電換能器進行電抗補償來保證電壓和電流同相，同時有利于減少電路的無功分量，提高電路工作效率，且具有濾除諧波的作用。采用L-R串聯匹配時，換能器負載等效輸出阻抗為：

　　Z=1/jω·C1+R0+R1+jω·L1+jω·Lx+Rx（1）

　　換能器工作在諧振頻率時，其電壓電流同相位，輸出呈電阻性，電抗為零，由此可以計算得到匹配電感Lx滿足：

　　Lx=1ω2C1－L1（2）

　　此時等效負載電阻為：

　　Rload=R0+R1+Rx（3）

　　通過調節Rx可以有效調節諧振時的等效輸出阻抗，以滿足換能功率輸出的阻抗匹配。

　　LR調諧電路實現簡單，性能較好［56］。匹配輸出單元采用多通道的獨立電路板結構，每通道采用單獨LR匹配，整體模塊通過接口器件與換能器配合使用，方便不同換能器實時調換。數控單元發出的通路選擇信號，通過圖4所示譯碼器和光耦可控硅復合控制，完成諧振匹配通道的選擇切換，其電路原理如圖4所示。

3結束語

　　基于正交實驗提取的有效參數組合，完成了模塊化超聲給藥系統的設計。前期在比對和分析了目前超聲給藥系統結構的實現方式、技術難點及優缺點的基礎上，依據系統的功能組合和邏輯連接關系，完成了超聲給藥系統的模塊化構建。將系統分為數字邏輯控制模塊、功率放大驅動模塊、可控電源模塊、反饋模塊和匹配輸出模塊五部分,采用模塊化結構，有效簡化了電路實現，系統的邏輯關系清晰，提高了穩定性和可靠性，各模塊易于調整和升級。后期根據臨床驗證的需要，可進一步對系統功能模塊的電路進行改進和完善。

參考文獻

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　　［2］ 郭鵬,曲波. 基于STM32的自適應智能精密電源的設計［J］.微型機與應用,2013,32(9):8184.

　　［3］ 袁燕嶺.單片機控制的脈寬調制功率放大器設計與研究［J］.電子元器件應用，2008,4(10): 3133.

　　［4］ 夏建全,陳瑞,張秀香.基于PWM技術的大功率超聲波電源系統的研究［J］．電子技術應用，2002，28（1）:3236.

　　［5］ 湯四媛.一種用于醫用高頻超聲成像設備的發射與接收裝置的研制［J］．中國醫療器械,2008,32(1):1113.

　　［6］ 楊春霞,鄭彥鋒.電路設計模塊化與設計重利用［J］．電子元器件應用,2012(Z1):6668.