便携式低强度脉冲超声仪研制及其对软骨的作用研究

发布时间：2020-08-08 12:35

【摘要】：随着医疗水平的不断提高,人们对医疗仪器设备的小型化、智能化提出新要求。骨折和软骨损伤疾病一直是困扰人们的难题,其病程长、自愈难、引发疼痛,严重影响患者的生活质量。临床上,常用的治疗办法有药物治疗和手术干预,但药物治疗一般难以达到理想效果,而手术干预的创面过大。超声治疗具有无创、方便、可控等优点。目前,国外已有批准用于临床的骨折愈合治疗仪,它是一种运用低强度脉冲超声波(Low intensity pulsed ultrasound,LIPUS)治疗新鲜骨折和骨不连的手段,研究报道,每天1次,每次20分钟的LIPUS治疗可加速38%的新鲜骨折愈合和86%的骨不连~([1-3])。但骨折愈合治疗仪的参数固定,对软骨损伤等疾病的治疗效果有限,因此,需要开发一种针对软骨修复的便携式仪器。本文介绍了一种便携式参数可调的低强度脉冲超声仪的设计方法,并利用自主研制的超声仪输出不同参数的LIPUS处理原代软骨细胞和胚胎期跖骨组织,研究LIPUS对软骨的功能状态的影响。研究方法第一部分:1.系统硬件主要由低功耗的单片机、信号激励模块、功放模块、空载保护模块和电源模块组成,其中MSP430F149单片机是整个硬件结构的核心,负责输出信号控制、空载监测和报警、按键响应和显示屏输出等。信号激励和功放模块负责信号的产生、电压放大、功率放大以及换能器的谐振匹配,实现有效地驱动超声换能器输出额定能量。空载保护模块负责采样输出端电压信号反馈给单片机,在换能器空载时,进行声光报警。电池供电装置通过DC-DC电源隔离模块为数字和模拟电路提供不同隔离工作电源和电压转换。2.便携式低强度超声仪的软件设计:系统程序在IAR-EW for MSP430开发环境下编写调试。通过按键输入选择参数、单片机控制不同强度、占空比、时间的超声波输出,并在换能器空载时,自动切断输出、启动报警,避免换能器因空载引起的过度发热而损坏。3.仪器系统测量评估:利用示波器测试电信号,评估仪器系统的频率精度和工作稳定性;毫瓦级超声功率计测试评估换能器输出的声功率;换能器空载条件下,测试仪器系统的应对性能和灵敏度。第二部分:1.采用自主研制的便携式低强度超声仪输出频率1.5MHz的低强度脉冲超声波,调节输出声参数组合为LIPUSⅠ:强度30mW/cm~2、占空比20%,LIPUSⅡ:强度30mW/cm~2、占空比40%,LIPUSⅢ:声强度50mW/cm~2、占空比20%的超声波,设计3种LIPUS处理组和对照组进行实验。2.利用上述参数的LIPUS连续处理新生小鼠的原代软骨细胞3天,CCK-8检测软骨细胞活性情况。3.利用上述参数的LIPUS连续处理新生小鼠的原代软骨细胞3天,第3天处理结束后,EdU掺入法检测软骨细胞的增殖情况、定量PCR检测软骨细胞相关基因II型胶原(Col2)、蛋白聚糖(Acan)、X型胶原(ColX)、TUNEL法检测软骨细胞的凋亡情况;4.利用上述参数的LIPUS连续处理体外培养的骨胚组织7天,在第0天和第7天,拍照观察组织形态,并测量计算7天的软骨增长率和全长增长率。实验结果1.低强度脉冲超声仪的硬件设计查找满足研究要求的各功能模块的主要芯片类型,熟悉芯片结构和应用,进行硬件设计,绘制并焊接PCB电路板,分别调试各模块的功能。2.低强度脉冲超声仪的软件设计熟悉MSP430的内部架构和C语言指令集,根据确立的技术指标设计软件流程,在IAR-EW开发平台上编写程序,进行软硬件调试。3.测试评估仪器系统各项性能稳定,输出参数符合技术指标规定对仪器系统的工作频率、输出功率和空载保护性能进行测量评估,均可满足研究设计要求。4.LIPUS能促进软骨细胞活性、增殖以及Col2、Acan基因的表达LIPUS处理后的第1天,各组细胞之间活性无明显差异;自LIPUS处理的第2天起,各处理组的软骨细胞活性较对照组增强;LIPUS连续处理3天后,各处理组的EdU阳性细胞率明显高于对照组;荧光定量PCR结果显示,LIPUS上调软骨基质相关基因Col2、Acan的mRNA表达水平,其中LIPUSⅡ组效果最为明显。5.LIPUS能抑制软骨细胞ColX基因的表达以及细胞凋亡荧光定量PCR检测LIPUS处理3天后的软骨细胞,发现LIPUS可降低软骨细胞成熟分化的相关基因ColX的表达水平;TUNEL检测结果显示,各LIPUS处理组的软骨细胞凋亡率较对照组有所降低;其中LIPUSⅡ组效果最为明显。6.LIPUS可促进骨和软骨的生长利用跖骨体外培养7天评估各LIPUS处理组对骨生长的作用,提示LIPUSⅡ、Ⅲ组可促骨和软骨生长,而LIPUSⅠ组处理后与对照组相比无明显差异。结论1.研制出便携式、可调节参数、输出稳定、安全性高的低强度脉冲超声仪。2.LIPUS连续处理软骨细胞3天,可促进其活性、增殖及软骨基质相关基因Col2、Acan基因的表达、抑制ColX表达和软骨细胞凋亡。3.LIPUS连续处理培养跖骨7天,可促进骨和软骨生长。4.LIPUS的处理效果与参数有关,强度30mW/cm~2、占空比40%的LIPUS是三组中的最佳参数。
【学位授予单位】：中国人民解放军陆军军医大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH77
【图文】：

结构框图,超声仪,结构框图

器输出的电信号。在实际情况中，由于谐振频率不一致或电容特性不匹配等器会消耗一部分能量，使得主机所产生的电能不能完全被换能器转换为声信要设计能量转换效率高的驱动电路，降低硬件电路损耗。本设计中选择的压的核心是谐振频率为 1.5MHz 的压电陶瓷晶片，其制造工艺相对简单、成本系数高、性能稳定，方便用于实验研究和临床使用。主机主要包括主控芯片、激励信号发生模块、驱动功放模块、匹配电路和空。利用 MSP430F149 单片机控制产生所需频率的正弦波信号，经程控电压放率放大电路，得到所需功率的电信号，经匹配电路驱动换能器的压电晶片产生产生的机械能量在换能器表面的耦合剂作用下向外辐射超声波。单片机采集接的输出端电流信号，当输出端电流变化异常时，自动控制切断输出信号并装置发出警报，实现及时有效的空载保护机制。OLED 显示模块和独立按键交互。采用集成的 DC-DC 模块电源将电池电压转换为各模块电路的供电电的结构框图（如图 2-1）。

外围电路,引脚,单片机

陆军军医大学硕士学位论文2 主机的硬件设计2.2.1 主控芯片 MSP430F149 单片机为了实现便携小型化、智能化的要求，本设计采用 TI 公司的 MSP430F149 单为主机的主控芯片，是一款 64 引脚 PQFP 封装的超低功耗单片机，其体积小，成，片内资源和外设丰富。采用 16 位 RISC 精简指令集，统一的中断管理，易于开个 16 位定时器，一个 12 位 A/D 转换器可满足采样电路需求，端口丰富，时钟精度于是 FLASH 结构，可在线对单片机进行调试和下载，其 USB 口和 JTAG 口均的可直接相连的 FET（Flash Emulation Tool）相连，不需要其他的仿真工具，在段非常方便实用。更重要的是，其工作电压为 1.8~3.6V，额定工作电流为 0.1~400μ际工作的功耗测量结果为 100mW 左右，可方便用电池供电。MSP430F149 单片些特性完全可以满足仪器主机的硬件开发，具体连接（如图 2-2）

原理图,外围电路,硬件,原理图

图 2-4 AD98DD 及其外围电路硬件原理图2.2.3 驱动功放模块本设计中的驱动功放模块有两部分组成，包括程控电压放大电路和功率放大电路查阅文献可知超声换能器需要一定幅值的正弦波电信号才能生成对应幅度振动的声号，因此程控电压放大电路用于对正弦波幅值的放大，且要求功率放大电路中能在不变电压幅值的情况下，进一步实现对信号的能量放大，以便更好地驱动换能器输出超波。本设计选取程控电压放大电路的芯片时，首先仍然需要考虑芯片的低功耗特性，次是集成度高，体积小，响应快，在此基础上选用高速运算放大器 AD811 和 4 选 1 拟多路开关 ADG1404。AD811 是电流反馈型运算放大器，当处于正常工作状态时，工作电流为 8.0mA，有低噪声、宽频带、转换速率为 2500V/μs的高速运算功能，输入阻抗 1.5MΩ，输出抗 11Ω[25]。由于 AD811 内部的电流反馈结构，当电源电压确定后，其-3dB 带宽与反

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