小型低频超声治疗仪的设计_柯常青
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临床工程
CLINICAL ENGINEERING
小型低频超声治疗仪的设计
Design of Small Low-Frequency Ultrasound Therapeutic Device
柯常青 郧西县人民医院，湖北 十堰 442600
[摘 要] 目的 本课题设计的低频超声治疗仪主要是用于对软骨损伤的治疗。利用超声波的机械效 应、热效应、理化效应等生物物理特性促进骨蛋白多糖和Ⅱ型胶原的合成从而加速软骨损伤的愈 合。方法 主要技术路线为：先用一个12 V变压器将220 V的交流电变成12 V的交流电，再用全波 桥式整流电路、滤波电路及稳压电路把12 V交流电变成稳定的12 V的直流电，然后由振荡电路产 生0.8 MHz、1 MHz、1.2 MHz这三种频率，最后经过一个0.8 MHz到1.2 MHz的带通滤波电路输出 给换能器。结果 根据以上原理，本课题设计出一个有0.8 MHz、1 MHz、1.2 MHz三种频率可以选 择，并有0~60 min的定时范围的小型低频超声治疗仪。 [关键词] 低频超声波；超声治疗仪；骨折；关节软骨
[参考文献] [1] 林志金,沈锋,黄建明,等.低强度脉冲式超声治疗骨及关节软
骨损伤的研究进展[J].骨科,2010,(3):41-42. [2] 唐进,黄良库,李东,等.低频脉冲超声治疗膝骨关节炎疗效分
析[J].第三军医大学学报,2010,(23):91-93. [3] Huang MH,Yang RC,Ding HJ,et a1.Ultrasound effect on
KE Chang-qing Yunxi County People’s Hospital, Shiyan Hubei 442600, China
[中图分类号] R197.39；TH789 [文献标志码] A doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2014.01.044 [文章编号] 1674-1633(2014)01-0126-03
图7 1300 kHz一阶低通滤波电路 2.2.4.2 一阶高通滤波器
所谓高通滤波器（HPS ：high pass filter）是允许高频信 号通过，而不允许低频信号通过的滤波器。此次设计的一 阶高通滤波电路，如图 8 所示。
图8 700 kHz一阶高通滤波电路 2.3 系统总电路
综合以上电源模块、振荡电路模块及滤波电路模块的 电路结构，对所有模块进行整合并由 prptues 软件设计仿真 得到了系统总电路原理图，如图 9 所示。
交流电变成 12 V 的交流电，再用全桥式整流电路、滤波电路、 稳压电路进行整流、滤波、稳压，把 12 V 交流电变成稳定 的 12 V 的直流电。然后用振荡电路产生 0.8 MHz、1 MHz、1.2 MHz 这三种频率，然后经过一个 800 K~1200 K 的带通滤波 电路输出给换能器。此外，还有电源开关、保险丝、定时器、 塑料外壳等组成整体 [6]。根据以上原理来设计出一个有 0.8 MHz、1 MHz、1.2 MHz 三种频率可以选择并有 0~60 min 的
2.2.4.1 一阶有源低通滤波器(LPF)
一阶低通滤波器的电路如图 6（a）所示，其幅频特性
见图 6（b），图中虚线为理想的情况，实线为实际的情况。
特点是电路简单，阻带衰减太慢，选择性较差 。 [11-12]
Hale Waihona Puke Baidu
图3 三端集成稳压器稳压电路
图6（a）一阶有源LPF 的电路图
图6（b）一阶有源LPF电 路的幅频特性曲线
图5 LC振荡电路 2.2.4 滤波电路
因为这里的设计对滤波的要求不高，所以本设计采用 了较简单的一阶高通滤波电路和一阶低通滤波电路 [10]。考 虑到理论值与实际值的误差，所以本设计允许通过 700
K~1.3 M 的频率。根据截止频率的计算公式 f 果如表 1 所示 ：
，结
表1 滤波电路频率计算
频率f f=700 kHz f=800 kHz f=1 MHz f=1.2 MHz f=1.3 MHz
中国医疗设备 2014年第29卷 01期 VOL.29No.01 127
临床工程
CLINICAL ENGINEERING
一阶低通滤波器的传递函数如下
其中
。
此次设计的一阶低通滤波电路，如图 7 所示。
, 3 总结与体会
此次设计的小型超声治疗仪只有 0.8 MHz、1 MHz、1.2 MHz 三种频率可以选择，且在硬件调试的过程因没有理想 的电容、电阻，带来了一系列误差从而导致成品没有设计 中的精确，并且没有完成定时器定时以及芯片的智能化控 制。未来可以通过添加控制模块、屏幕显示、集成芯片来 实现更加精准的定时功能。
2πf 4398229.71502570 5026548.245743669 6283185.307179586 7539822.368615503 8168140.89933345
RC 2.27364204417×10-7 1.9894367886486834×10-7 1.5915494309189535×10-7 1.3262911924324613×10-7 1.22426879301×10-7
MHz、1 MHz、1.2 MHz 三个频率。
图4 频率选择开关 2.2.3 振荡电路
振荡电路是自动地将直流能量转换为具有一定波形参 数的交流信号的装置。它也是一种能量转换器，但它与放 大电路的区别是不需要外加信号的激励，其输出信号的频 率、幅度和波形仅仅由电路本身的参数决定 。 [7-8]
采用 LC 谐振回路作为选频网络的振荡电路称为 LC 振 荡电路，如图 5 所示。它主要用来产生高频正弦振荡信号， 一般在 1 MHz 以上。根据反馈形式的不同，LC 振荡电路可 分为变压器反馈式和三点式振荡电路 [9]。
单相桥式整流电路的组成，如图 2 所示。负载上和整 流二极管上的电压和电流分析。负载电压 VL ：VL=0.9U2 ，负
载电流 IL ：IV
，极管的平均电流 IV ：IV
，
二极管承受反向峰值电压 VRM ：VRM= U 2，优点 ：输出电
压高，纹波小，VRM 较低，应用广泛。
2.2.2 选择器 图 4 为频率选择开关。此选择器有三个档，分别对应 0.8
三端集成稳压器稳压电路如图 3 所示。因为三端集成 稳压器电路内部实际上包括了串联型直流稳压电路的各个 部分，另外还加上了保护电路和启动电路，所以选用了较 常用的 W7800 系列稳压器。考虑到在滤波电路中要用到 ±5 V、在振荡电路中要用到 +12 V，所以本设计分别用了 W7805、W7905 和 W7812 来产生 ±5 V 和 12 V 的直流电。
图2 单相桥式整流电路的组成 2.2.1.2 LC滤波电路
LC 滤波又称为倒 L 型滤波，它由一只电容和一只电感 组成。它比单个的 L，C 滤波效果更好，但在 LC 滤波电路中， 如果电感 L 值太小，或负载电阻 RL 太大，都将呈现妯电容 滤波的特性，反之则将呈现电感滤波的特性。 2.2.1.3 三端集成稳压器稳压电路
Abstract: Objective This paper introduces the design of small low-frequency ultrasound therapeutic device, which is used for the treatment of cartilage damage. Based on the mechanical effects, thermal effects, physical and chemical effects of ultrasonics, this device can promote the synthesis of bone proteoglycans and collagen Ⅱ to accelerate the healing of cartilage damage. Methods Firstly, converted 220 VAC to 12 VAC by using a 12 V transformer, then converted 12 VAC to 12VDC by using full-wave bridge rectifier circuit, filter circuit and regulator circuit. 0.8 MHz, 1 MHz, 1.2 MHz oscillation circuits were generated and transferred to a transducer by a 0.8 MHz~1.2 MHz band-pass filter. Results A kind of small low-frequency ultrasound therapeutic device, which has 0.8 MHz, 1 MHz, 1.2 MHz frequencies and regular range of 0 ~ 60 min, was designed. Key words: low-frequency ultrasound; ultrasound therapeutic device; fracture; articular cartilage
126 中国医疗设备 2014年第29卷 01期 VOL.29No.01
CLINICAL ENGINEERING
临床工程
定时范围的小型低频超声治疗仪。 2.2 各个功能模块 2.2.1 电源模块
直流电源由电源变压器、整流、滤波和稳压电路四部 分组成，如图 1。
图1 直流电源的组成部分 2.2.1.1 单相桥式整流电路
超声波治疗具有方向性强，能量集中，穿透力强的三大 特点，所运用的声波能量是纯粹的机械波，绝无任何辐射。 本文按照超声波产生的原理，利用较简单的元件，以较低的 成本设计出一个有 0.8 MHz、1 MHz、1.2 MHz 三种频率可以选 择，并有 0~60 min 的定时范围的小型低频脉冲超声治疗仪。
收稿日期：2013-10-12 作者邮箱：32659146@qq.com
本设计利用超声波的机械效应、热效应、理化效应等 生物物理特性，可促进受伤关节软骨的愈合，为临床上治 疗关节软骨损伤提供有效的治疗方法 。 [3-5]
2 系统功能电路设计
2.1 设计总思路 本次设计的思路为 ：先用一个 12 V 变压器将 220 V 的
level of stress proteins and arthritic histology in experimental arthritis[J].Arch Phys Medl Rehabil,1999,80(50):551-556. [4] Pilla A A,Mont MA,Nasser PR,et al.Norr invasive low-intensity pulsed ultrasound acceletatesbone healing in the rabbit[J].J O rthop Trauma,1990,4(3):246-253. [5] Jia XL,Chen WZ,Zhou K,et al.Effects of low-intensity pulsed ultrasound in repairing injured articular cartilage[J].Chin J Traurnatol,2005,8(3):175-178. [6] Cook SD,Salkeld SL,Popiclr Patron LS,et al.Improved cartilage repair after treatment with low-intensity pulse ultrasound[J]. Clin Orthop Relat Res,2001,(391):S231- S243. [7] 贾小林,陈文直,司海鹏,等.超声对兔关节软骨损伤的修复作 用[J].中华创伤杂志,2004,20(2):97-99. [8] 汪方.低强度脉冲式超声波对关节软骨修复的实验研究[D]. 上海:第二军医大学,2005. [9] 王小红,王洪,杨述华,等.低强度脉冲式超声对实验性兔骨关节 炎软骨损伤修复的影响[J].国际骨科学杂志,2009,30(3):65-68. [10] 洪文学,张旭.基于变频原理的超声波治疗仪设计[J].北京生 物医学工程,2006,25(2):84-88. [11] 符晓,殷樱,宋琦等.低频超声治疗急性软组织损伤的实验研 究[J].临床超声医学杂志,2008,10(4):87-90. [12] 于海霞,栗大超,孙岳,等.基于低频超声和真空负压的微创血糖
1 研究内容和意义
由于超声波特殊的物理特性，可以通过与人体的各种组 织相互作用产生一定的生理效应。但是高强度的超声会破碎 细胞，使酶失活，而低强度的超声在组织中穿透力强，相同 声压下进入组织更深，可以促进细胞生长，增加酶活性 [1]。 低频超声治疗骨关节炎可明显减轻关节局部的症状，缓解关 节肿胀，增加关节的活动度，减轻关节炎症，疗效优于单用 口服药物和单纯低频超声治疗，二者可能有协同作用 [2]。
CLINICAL ENGINEERING
小型低频超声治疗仪的设计
Design of Small Low-Frequency Ultrasound Therapeutic Device
柯常青 郧西县人民医院，湖北 十堰 442600
[摘 要] 目的 本课题设计的低频超声治疗仪主要是用于对软骨损伤的治疗。利用超声波的机械效 应、热效应、理化效应等生物物理特性促进骨蛋白多糖和Ⅱ型胶原的合成从而加速软骨损伤的愈 合。方法 主要技术路线为：先用一个12 V变压器将220 V的交流电变成12 V的交流电，再用全波 桥式整流电路、滤波电路及稳压电路把12 V交流电变成稳定的12 V的直流电，然后由振荡电路产 生0.8 MHz、1 MHz、1.2 MHz这三种频率，最后经过一个0.8 MHz到1.2 MHz的带通滤波电路输出 给换能器。结果 根据以上原理，本课题设计出一个有0.8 MHz、1 MHz、1.2 MHz三种频率可以选 择，并有0~60 min的定时范围的小型低频超声治疗仪。 [关键词] 低频超声波；超声治疗仪；骨折；关节软骨
[参考文献] [1] 林志金,沈锋,黄建明,等.低强度脉冲式超声治疗骨及关节软
骨损伤的研究进展[J].骨科,2010,(3):41-42. [2] 唐进,黄良库,李东,等.低频脉冲超声治疗膝骨关节炎疗效分
析[J].第三军医大学学报,2010,(23):91-93. [3] Huang MH,Yang RC,Ding HJ,et a1.Ultrasound effect on
KE Chang-qing Yunxi County People’s Hospital, Shiyan Hubei 442600, China
[中图分类号] R197.39；TH789 [文献标志码] A doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2014.01.044 [文章编号] 1674-1633(2014)01-0126-03
图7 1300 kHz一阶低通滤波电路 2.2.4.2 一阶高通滤波器
所谓高通滤波器（HPS ：high pass filter）是允许高频信 号通过，而不允许低频信号通过的滤波器。此次设计的一 阶高通滤波电路，如图 8 所示。
图8 700 kHz一阶高通滤波电路 2.3 系统总电路
综合以上电源模块、振荡电路模块及滤波电路模块的 电路结构，对所有模块进行整合并由 prptues 软件设计仿真 得到了系统总电路原理图，如图 9 所示。
交流电变成 12 V 的交流电，再用全桥式整流电路、滤波电路、 稳压电路进行整流、滤波、稳压，把 12 V 交流电变成稳定 的 12 V 的直流电。然后用振荡电路产生 0.8 MHz、1 MHz、1.2 MHz 这三种频率，然后经过一个 800 K~1200 K 的带通滤波 电路输出给换能器。此外，还有电源开关、保险丝、定时器、 塑料外壳等组成整体 [6]。根据以上原理来设计出一个有 0.8 MHz、1 MHz、1.2 MHz 三种频率可以选择并有 0~60 min 的
2.2.4.1 一阶有源低通滤波器(LPF)
一阶低通滤波器的电路如图 6（a）所示，其幅频特性
见图 6（b），图中虚线为理想的情况，实线为实际的情况。
特点是电路简单，阻带衰减太慢，选择性较差 。 [11-12]
Hale Waihona Puke Baidu
图3 三端集成稳压器稳压电路
图6（a）一阶有源LPF 的电路图
图6（b）一阶有源LPF电 路的幅频特性曲线
图5 LC振荡电路 2.2.4 滤波电路
因为这里的设计对滤波的要求不高，所以本设计采用 了较简单的一阶高通滤波电路和一阶低通滤波电路 [10]。考 虑到理论值与实际值的误差，所以本设计允许通过 700
K~1.3 M 的频率。根据截止频率的计算公式 f 果如表 1 所示 ：
，结
表1 滤波电路频率计算
频率f f=700 kHz f=800 kHz f=1 MHz f=1.2 MHz f=1.3 MHz
中国医疗设备 2014年第29卷 01期 VOL.29No.01 127
临床工程
CLINICAL ENGINEERING
一阶低通滤波器的传递函数如下
其中
。
此次设计的一阶低通滤波电路，如图 7 所示。
, 3 总结与体会
此次设计的小型超声治疗仪只有 0.8 MHz、1 MHz、1.2 MHz 三种频率可以选择，且在硬件调试的过程因没有理想 的电容、电阻，带来了一系列误差从而导致成品没有设计 中的精确，并且没有完成定时器定时以及芯片的智能化控 制。未来可以通过添加控制模块、屏幕显示、集成芯片来 实现更加精准的定时功能。
2πf 4398229.71502570 5026548.245743669 6283185.307179586 7539822.368615503 8168140.89933345
RC 2.27364204417×10-7 1.9894367886486834×10-7 1.5915494309189535×10-7 1.3262911924324613×10-7 1.22426879301×10-7
MHz、1 MHz、1.2 MHz 三个频率。
图4 频率选择开关 2.2.3 振荡电路
振荡电路是自动地将直流能量转换为具有一定波形参 数的交流信号的装置。它也是一种能量转换器，但它与放 大电路的区别是不需要外加信号的激励，其输出信号的频 率、幅度和波形仅仅由电路本身的参数决定 。 [7-8]
采用 LC 谐振回路作为选频网络的振荡电路称为 LC 振 荡电路，如图 5 所示。它主要用来产生高频正弦振荡信号， 一般在 1 MHz 以上。根据反馈形式的不同，LC 振荡电路可 分为变压器反馈式和三点式振荡电路 [9]。
单相桥式整流电路的组成，如图 2 所示。负载上和整 流二极管上的电压和电流分析。负载电压 VL ：VL=0.9U2 ，负
载电流 IL ：IV
，极管的平均电流 IV ：IV
，
二极管承受反向峰值电压 VRM ：VRM= U 2，优点 ：输出电
压高，纹波小，VRM 较低，应用广泛。
2.2.2 选择器 图 4 为频率选择开关。此选择器有三个档，分别对应 0.8
三端集成稳压器稳压电路如图 3 所示。因为三端集成 稳压器电路内部实际上包括了串联型直流稳压电路的各个 部分，另外还加上了保护电路和启动电路，所以选用了较 常用的 W7800 系列稳压器。考虑到在滤波电路中要用到 ±5 V、在振荡电路中要用到 +12 V，所以本设计分别用了 W7805、W7905 和 W7812 来产生 ±5 V 和 12 V 的直流电。
图2 单相桥式整流电路的组成 2.2.1.2 LC滤波电路
LC 滤波又称为倒 L 型滤波，它由一只电容和一只电感 组成。它比单个的 L，C 滤波效果更好，但在 LC 滤波电路中， 如果电感 L 值太小，或负载电阻 RL 太大，都将呈现妯电容 滤波的特性，反之则将呈现电感滤波的特性。 2.2.1.3 三端集成稳压器稳压电路
Abstract: Objective This paper introduces the design of small low-frequency ultrasound therapeutic device, which is used for the treatment of cartilage damage. Based on the mechanical effects, thermal effects, physical and chemical effects of ultrasonics, this device can promote the synthesis of bone proteoglycans and collagen Ⅱ to accelerate the healing of cartilage damage. Methods Firstly, converted 220 VAC to 12 VAC by using a 12 V transformer, then converted 12 VAC to 12VDC by using full-wave bridge rectifier circuit, filter circuit and regulator circuit. 0.8 MHz, 1 MHz, 1.2 MHz oscillation circuits were generated and transferred to a transducer by a 0.8 MHz~1.2 MHz band-pass filter. Results A kind of small low-frequency ultrasound therapeutic device, which has 0.8 MHz, 1 MHz, 1.2 MHz frequencies and regular range of 0 ~ 60 min, was designed. Key words: low-frequency ultrasound; ultrasound therapeutic device; fracture; articular cartilage
126 中国医疗设备 2014年第29卷 01期 VOL.29No.01
CLINICAL ENGINEERING
临床工程
定时范围的小型低频超声治疗仪。 2.2 各个功能模块 2.2.1 电源模块
直流电源由电源变压器、整流、滤波和稳压电路四部 分组成，如图 1。
图1 直流电源的组成部分 2.2.1.1 单相桥式整流电路
超声波治疗具有方向性强，能量集中，穿透力强的三大 特点，所运用的声波能量是纯粹的机械波，绝无任何辐射。 本文按照超声波产生的原理，利用较简单的元件，以较低的 成本设计出一个有 0.8 MHz、1 MHz、1.2 MHz 三种频率可以选 择，并有 0~60 min 的定时范围的小型低频脉冲超声治疗仪。
收稿日期：2013-10-12 作者邮箱：32659146@qq.com
本设计利用超声波的机械效应、热效应、理化效应等 生物物理特性，可促进受伤关节软骨的愈合，为临床上治 疗关节软骨损伤提供有效的治疗方法 。 [3-5]
2 系统功能电路设计
2.1 设计总思路 本次设计的思路为 ：先用一个 12 V 变压器将 220 V 的
level of stress proteins and arthritic histology in experimental arthritis[J].Arch Phys Medl Rehabil,1999,80(50):551-556. [4] Pilla A A,Mont MA,Nasser PR,et al.Norr invasive low-intensity pulsed ultrasound acceletatesbone healing in the rabbit[J].J O rthop Trauma,1990,4(3):246-253. [5] Jia XL,Chen WZ,Zhou K,et al.Effects of low-intensity pulsed ultrasound in repairing injured articular cartilage[J].Chin J Traurnatol,2005,8(3):175-178. [6] Cook SD,Salkeld SL,Popiclr Patron LS,et al.Improved cartilage repair after treatment with low-intensity pulse ultrasound[J]. Clin Orthop Relat Res,2001,(391):S231- S243. [7] 贾小林,陈文直,司海鹏,等.超声对兔关节软骨损伤的修复作 用[J].中华创伤杂志,2004,20(2):97-99. [8] 汪方.低强度脉冲式超声波对关节软骨修复的实验研究[D]. 上海:第二军医大学,2005. [9] 王小红,王洪,杨述华,等.低强度脉冲式超声对实验性兔骨关节 炎软骨损伤修复的影响[J].国际骨科学杂志,2009,30(3):65-68. [10] 洪文学,张旭.基于变频原理的超声波治疗仪设计[J].北京生 物医学工程,2006,25(2):84-88. [11] 符晓,殷樱,宋琦等.低频超声治疗急性软组织损伤的实验研 究[J].临床超声医学杂志,2008,10(4):87-90. [12] 于海霞,栗大超,孙岳,等.基于低频超声和真空负压的微创血糖
1 研究内容和意义
由于超声波特殊的物理特性，可以通过与人体的各种组 织相互作用产生一定的生理效应。但是高强度的超声会破碎 细胞，使酶失活，而低强度的超声在组织中穿透力强，相同 声压下进入组织更深，可以促进细胞生长，增加酶活性 [1]。 低频超声治疗骨关节炎可明显减轻关节局部的症状，缓解关 节肿胀，增加关节的活动度，减轻关节炎症，疗效优于单用 口服药物和单纯低频超声治疗，二者可能有协同作用 [2]。