【摘要】：隨著醫(yī)療水平的不斷提高,人們對(duì)醫(yī)療儀器設(shè)備的小型化、智能化提出新要求。骨折和軟骨損傷疾病一直是困擾人們的難題,其病程長(zhǎng)、自愈難、引發(fā)疼痛,嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量。臨床上,常用的治療辦法有藥物治療和手術(shù)干預(yù),但藥物治療一般難以達(dá)到理想效果,而手術(shù)干預(yù)的創(chuàng)面過(guò)大。超聲治療具有無(wú)創(chuàng)、方便、可控等優(yōu)點(diǎn)。目前,國(guó)外已有批準(zhǔn)用于臨床的骨折愈合治療儀,它是一種運(yùn)用低強(qiáng)度脈沖超聲波(Low intensity pulsed ultrasound,LIPUS)治療新鮮骨折和骨不連的手段,研究報(bào)道,每天1次,每次20分鐘的LIPUS治療可加速38%的新鮮骨折愈合和86%的骨不連~([1-3])。但骨折愈合治療儀的參數(shù)固定,對(duì)軟骨損傷等疾病的治療效果有限,因此,需要開(kāi)發(fā)一種針對(duì)軟骨修復(fù)的便攜式儀器。本文介紹了一種便攜式參數(shù)可調(diào)的低強(qiáng)度脈沖超聲儀的設(shè)計(jì)方法,并利用自主研制的超聲儀輸出不同參數(shù)的LIPUS處理原代軟骨細(xì)胞和胚胎期跖骨組織,研究LIPUS對(duì)軟骨的功能狀態(tài)的影響。研究方法第一部分:1.系統(tǒng)硬件主要由低功耗的單片機(jī)、信號(hào)激勵(lì)模塊、功放模塊、空載保護(hù)模塊和電源模塊組成,其中MSP430F149單片機(jī)是整個(gè)硬件結(jié)構(gòu)的核心,負(fù)責(zé)輸出信號(hào)控制、空載監(jiān)測(cè)和報(bào)警、按鍵響應(yīng)和顯示屏輸出等。信號(hào)激勵(lì)和功放模塊負(fù)責(zé)信號(hào)的產(chǎn)生、電壓放大、功率放大以及換能器的諧振匹配,實(shí)現(xiàn)有效地驅(qū)動(dòng)超聲換能器輸出額定能量�？蛰d保護(hù)模塊負(fù)責(zé)采樣輸出端電壓信號(hào)反饋給單片機(jī),在換能器空載時(shí),進(jìn)行聲光報(bào)警。電池供電裝置通過(guò)DC-DC電源隔離模塊為數(shù)字和模擬電路提供不同隔離工作電源和電壓轉(zhuǎn)換。2.便攜式低強(qiáng)度超聲儀的軟件設(shè)計(jì):系統(tǒng)程序在IAR-EW for MSP430開(kāi)發(fā)環(huán)境下編寫(xiě)調(diào)試。通過(guò)按鍵輸入選擇參數(shù)、單片機(jī)控制不同強(qiáng)度、占空比、時(shí)間的超聲波輸出,并在換能器空載時(shí),自動(dòng)切斷輸出、啟動(dòng)報(bào)警,避免換能器因空載引起的過(guò)度發(fā)熱而損壞。3.儀器系統(tǒng)測(cè)量評(píng)估:利用示波器測(cè)試電信號(hào),評(píng)估儀器系統(tǒng)的頻率精度和工作穩(wěn)定性;毫瓦級(jí)超聲功率計(jì)測(cè)試評(píng)估換能器輸出的聲功率;換能器空載條件下,測(cè)試儀器系統(tǒng)的應(yīng)對(duì)性能和靈敏度。第二部分:1.采用自主研制的便攜式低強(qiáng)度超聲儀輸出頻率1.5MHz的低強(qiáng)度脈沖超聲波,調(diào)節(jié)輸出聲參數(shù)組合為L(zhǎng)IPUSⅠ:強(qiáng)度30mW/cm~2、占空比20%,LIPUSⅡ:強(qiáng)度30mW/cm~2、占空比40%,LIPUSⅢ:聲強(qiáng)度50mW/cm~2、占空比20%的超聲波,設(shè)計(jì)3種LIPUS處理組和對(duì)照組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。2.利用上述參數(shù)的LIPUS連續(xù)處理新生小鼠的原代軟骨細(xì)胞3天,CCK-8檢測(cè)軟骨細(xì)胞活性情況。3.利用上述參數(shù)的LIPUS連續(xù)處理新生小鼠的原代軟骨細(xì)胞3天,第3天處理結(jié)束后,EdU摻入法檢測(cè)軟骨細(xì)胞的增殖情況、定量PCR檢測(cè)軟骨細(xì)胞相關(guān)基因II型膠原(Col2)、蛋白聚糖(Acan)、X型膠原(ColX)、TUNEL法檢測(cè)軟骨細(xì)胞的凋亡情況;4.利用上述參數(shù)的LIPUS連續(xù)處理體外培養(yǎng)的骨胚組織7天,在第0天和第7天,拍照觀察組織形態(tài),并測(cè)量計(jì)算7天的軟骨增長(zhǎng)率和全長(zhǎng)增長(zhǎng)率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果1.低強(qiáng)度脈沖超聲儀的硬件設(shè)計(jì)查找滿足研究要求的各功能模塊的主要芯片類(lèi)型,熟悉芯片結(jié)構(gòu)和應(yīng)用,進(jìn)行硬件設(shè)計(jì),繪制并焊接PCB電路板,分別調(diào)試各模塊的功能。2.低強(qiáng)度脈沖超聲儀的軟件設(shè)計(jì)熟悉MSP430的內(nèi)部架構(gòu)和C語(yǔ)言指令集,根據(jù)確立的技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)軟件流程,在IAR-EW開(kāi)發(fā)平臺(tái)上編寫(xiě)程序,進(jìn)行軟硬件調(diào)試。3.測(cè)試評(píng)估儀器系統(tǒng)各項(xiàng)性能穩(wěn)定,輸出參數(shù)符合技術(shù)指標(biāo)規(guī)定對(duì)儀器系統(tǒng)的工作頻率、輸出功率和空載保護(hù)性能進(jìn)行測(cè)量評(píng)估,均可滿足研究設(shè)計(jì)要求。4.LIPUS能促進(jìn)軟骨細(xì)胞活性、增殖以及Col2、Acan基因的表達(dá)LIPUS處理后的第1天,各組細(xì)胞之間活性無(wú)明顯差異;自LIPUS處理的第2天起,各處理組的軟骨細(xì)胞活性較對(duì)照組增強(qiáng);LIPUS連續(xù)處理3天后,各處理組的EdU陽(yáng)性細(xì)胞率明顯高于對(duì)照組;熒光定量PCR結(jié)果顯示,LIPUS上調(diào)軟骨基質(zhì)相關(guān)基因Col2、Acan的mRNA表達(dá)水平,其中LIPUSⅡ組效果最為明顯。5.LIPUS能抑制軟骨細(xì)胞ColX基因的表達(dá)以及細(xì)胞凋亡熒光定量PCR檢測(cè)LIPUS處理3天后的軟骨細(xì)胞,發(fā)現(xiàn)LIPUS可降低軟骨細(xì)胞成熟分化的相關(guān)基因ColX的表達(dá)水平;TUNEL檢測(cè)結(jié)果顯示,各LIPUS處理組的軟骨細(xì)胞凋亡率較對(duì)照組有所降低;其中LIPUSⅡ組效果最為明顯。6.LIPUS可促進(jìn)骨和軟骨的生長(zhǎng)利用跖骨體外培養(yǎng)7天評(píng)估各LIPUS處理組對(duì)骨生長(zhǎng)的作用,提示LIPUSⅡ、Ⅲ組可促骨和軟骨生長(zhǎng),而LIPUSⅠ組處理后與對(duì)照組相比無(wú)明顯差異。結(jié)論1.研制出便攜式、可調(diào)節(jié)參數(shù)、輸出穩(wěn)定、安全性高的低強(qiáng)度脈沖超聲儀。2.LIPUS連續(xù)處理軟骨細(xì)胞3天,可促進(jìn)其活性、增殖及軟骨基質(zhì)相關(guān)基因Col2、Acan基因的表達(dá)、抑制ColX表達(dá)和軟骨細(xì)胞凋亡。3.LIPUS連續(xù)處理培養(yǎng)跖骨7天,可促進(jìn)骨和軟骨生長(zhǎng)。4.LIPUS的處理效果與參數(shù)有關(guān),強(qiáng)度30mW/cm~2、占空比40%的LIPUS是三組中的最佳參數(shù)。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)人民解放軍陸軍軍醫(yī)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TH77
【圖文】：

器輸出的電信號(hào)。在實(shí)際情況中，由于諧振頻率不一致或電容特性不匹配等器會(huì)消耗一部分能量，使得主機(jī)所產(chǎn)生的電能不能完全被換能器轉(zhuǎn)換為聲信要設(shè)計(jì)能量轉(zhuǎn)換效率高的驅(qū)動(dòng)電路，降低硬件電路損耗。本設(shè)計(jì)中選擇的壓的核心是諧振頻率為 1.5MHz 的壓電陶瓷晶片，其制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單、成本系數(shù)高、性能穩(wěn)定，方便用于實(shí)驗(yàn)研究和臨床使用。主機(jī)主要包括主控芯片、激勵(lì)信號(hào)發(fā)生模塊、驅(qū)動(dòng)功放模塊、匹配電路和空。利用 MSP430F149 單片機(jī)控制產(chǎn)生所需頻率的正弦波信號(hào)，經(jīng)程控電壓放率放大電路，得到所需功率的電信號(hào)，經(jīng)匹配電路驅(qū)動(dòng)換能器的壓電晶片產(chǎn)生產(chǎn)生的機(jī)械能量在換能器表面的耦合劑作用下向外輻射超聲波。單片機(jī)采集接的輸出端電流信號(hào)，當(dāng)輸出端電流變化異常時(shí)，自動(dòng)控制切斷輸出信號(hào)并裝置發(fā)出警報(bào)，實(shí)現(xiàn)及時(shí)有效的空載保護(hù)機(jī)制。OLED 顯示模塊和獨(dú)立按鍵交互。采用集成的 DC-DC 模塊電源將電池電壓轉(zhuǎn)換為各模塊電路的供電電的結(jié)構(gòu)框圖（如圖 2-1）。

陸軍軍醫(yī)大學(xué)碩士學(xué)位論文2 主機(jī)的硬件設(shè)計(jì)2.2.1 主控芯片 MSP430F149 單片機(jī)為了實(shí)現(xiàn)便攜小型化、智能化的要求，本設(shè)計(jì)采用 TI 公司的 MSP430F149 單為主機(jī)的主控芯片 ，是一款 64 引腳 PQFP 封裝的超低功耗單片機(jī)，其體積小，成，片內(nèi)資源和外設(shè)豐富。采用 16 位 RISC 精簡(jiǎn)指令集，統(tǒng)一的中斷管理，易于開(kāi)個(gè) 16 位定時(shí)器，一個(gè) 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器可滿足采樣電路需求，端口豐富，時(shí)鐘精度于是 FLASH 結(jié)構(gòu)， 可在線對(duì)單片機(jī)進(jìn)行調(diào)試和下載， 其 USB 口和 JTAG 口均的可直接相連的 FET（Flash Emulation Tool）相連，不需要其他的仿真工具， 在段非常方便實(shí)用。更重要的是，其工作電壓為 1.8~3.6V，額定工作電流為 0.1~400μ際工作的功耗測(cè)量結(jié)果為 100mW 左右，可方便用電池供電。MSP430F149 單片些特性完全可以滿足儀器主機(jī)的硬件開(kāi)發(fā)，具體連接（如圖 2-2）

圖 2-4 AD98DD 及其外圍電路硬件原理圖2.2.3 驅(qū)動(dòng)功放模塊本設(shè)計(jì)中的驅(qū)動(dòng)功放模塊有兩部分組成，包括程控電壓放大電路和功率放大電路查閱文獻(xiàn)可知超聲換能器需要一定幅值的正弦波電信號(hào)才能生成對(duì)應(yīng)幅度振動(dòng)的聲號(hào)，因此程控電壓放大電路用于對(duì)正弦波幅值的放大，且要求功率放大電路中能在不變電壓幅值的情況下，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的能量放大，以便更好地驅(qū)動(dòng)換能器輸出超波。本設(shè)計(jì)選取程控電壓放大電路的芯片時(shí)，首先仍然需要考慮芯片的低功耗特性，次是集成度高，體積小，響應(yīng)快，在此基礎(chǔ)上選用高速運(yùn)算放大器 AD811 和 4 選 1 擬多路開(kāi)關(guān) ADG1404。AD811 是電流反饋型運(yùn)算放大器，當(dāng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，工作電流為 8.0mA，有低噪聲、寬頻帶、轉(zhuǎn)換速率為 2500V/μs的高速運(yùn)算功能，輸入阻抗 1.5MΩ，輸出抗 11Ω[25]。由于 AD811 內(nèi)部的電流反饋結(jié)構(gòu)，當(dāng)電源電壓確定后，其-3dB 帶寬與反

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