劉偉， 張曉蘭， 張?zhí)m蘭

　?。ê幽峡茖W(xué)技術(shù)大學(xué) 醫(yī)工學(xué)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(shù)據(jù)積累的基礎(chǔ)上，提取了復(fù)合促滲的有效實驗參數(shù)組合。為了適應(yīng)后期臨床測試的需要，在比對和分析目前超聲給藥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了模塊化超聲給藥系統(tǒng)的設(shè)計方案，并完成了各部分主要模塊電路的設(shè)計，實現(xiàn)了超聲給藥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和可持續(xù)升級，為后續(xù)工作的展開提供了基礎(chǔ)。

　　關(guān)鍵詞：超聲促滲；經(jīng)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(yīng)用非常廣泛，療效也較佳。本文將介紹基于雙氯芬酸鈉復(fù)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(shè)計的基礎(chǔ)。超聲給藥主要是利用超聲波的機械、溫?zé)岷涂栈?yīng)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(yōu)點突出，為雙氯芬酸鈉應(yīng)用的推廣提供了廣闊的前景［1］。

1系統(tǒng)總體設(shè)計要求

　　超聲給藥的基礎(chǔ)實驗研究主要是以單位時間的有效滲透量做為評價指標(biāo)，通過有效調(diào)整超聲促滲參數(shù)，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(shù)組合。超聲給藥實驗對雙氯芬酸鈉體外經(jīng)皮滲透率進(jìn)行數(shù)據(jù)分析對照，如果采用全參數(shù)進(jìn)行覆蓋實驗，很難得出有效評估。本文采用正交試驗設(shè)計來研究多因素多水平的綜合對照，根據(jù)正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進(jìn)行試驗驗證，這些有代表性的點均勻分散，規(guī)范可比較，能較好地滿足實驗測定的需要。實驗數(shù)據(jù)如表1所示。根據(jù)實驗選擇水平組合，完成了正交實驗數(shù)據(jù)表格，給藥系統(tǒng)設(shè)計依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建靈活便攜的超聲實驗平臺，為后期實驗的重復(fù)開展和臨床驗證提供便利。

　　需要構(gòu)建的系統(tǒng)包括四個獨立工作通道，單通道的激勵電壓的頻率調(diào)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(diào)制波，要求輸出頻率包含21 kHz，28 kHz，32 kHz，38 kHz四檔可調(diào)。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(diào)節(jié)余量。還需要對換能器的工作時間進(jìn)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(diào)節(jié)，此外系統(tǒng)還需要提供過壓、過流、過溫保護和用戶接口等?；谝陨显O(shè)計要求完成了四通道獨立可調(diào)的超聲驅(qū)動電路系統(tǒng)的模塊化構(gòu)建。

2系統(tǒng)模塊化電路設(shè)計

　　目前的超聲給藥系統(tǒng)實現(xiàn)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(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要實現(xiàn)方式和優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，提出滿足當(dāng)前系統(tǒng)功能需要的模塊化設(shè)計結(jié)構(gòu)，將系統(tǒng)分為數(shù)字邏輯控制模塊、功率放大驅(qū)動模塊、可控電源模塊、反饋模塊和匹配輸出模塊五部分，構(gòu)建的模塊化系統(tǒng)能夠完成超聲給藥需要的驅(qū)動頻率、脈寬、功率和時間參數(shù)的實時調(diào)整，可根據(jù)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(diào)試問題，且各部分結(jié)構(gòu)可獨立調(diào)整和升級，滿足了超聲給藥系統(tǒng)的通用性設(shè)計。

　　2.1數(shù)字邏輯控制模塊電路實現(xiàn)

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

     2.2功率放大驅(qū)動模塊

　　功率放大驅(qū)動模塊系統(tǒng)采用專用驅(qū)動芯片IR21844構(gòu)建，數(shù)控單元輸出的脈寬調(diào)制信號經(jīng)光耦隔離和調(diào)理以后，經(jīng)由IR21844增益輸出驅(qū)動MOS（Meta Oxid Semiconductor）半橋功放，輸出經(jīng)變壓器隔離和變換，驅(qū)動換能器工作。

　　IR21844作為IR公司的專用電源驅(qū)動芯片，性能表現(xiàn)優(yōu)異。該芯片是雙通道、柵極驅(qū)動、高壓高速功率器件的單片式集成驅(qū)動模塊。芯片中采用了高度集成的電平轉(zhuǎn)換技術(shù)，可以滿足對工作頻率和電壓等主要參數(shù)的要求，只需要單脈沖輸入就能驅(qū)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(qū)調(diào)整腳，提高了電路驅(qū)動的可靠性。

　　功率開關(guān)管采用了單片集成MOSFET（Metallic Oxide Semiconductor Field Effecttransistor）器件。功率驅(qū)動采用半橋結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，半橋輸出功率較低，但開關(guān)管數(shù)量少，驅(qū)動調(diào)節(jié)簡單，且抗電壓不平衡能力很強，總體適合當(dāng)前需求。IR21844增益輸出的PWM（PulseWidth Modulation）調(diào)制信號驅(qū)動半橋結(jié)構(gòu)的MOSFET管輪流導(dǎo)通，在變壓器的副邊得到交變信號，實現(xiàn)逆變輸出［3］。

　　為了保證功放開關(guān)管使用時的可靠性，主電路中還包含相關(guān)保護電路，限制電壓電流變化，減少器件開關(guān)損耗等。系統(tǒng)對功放管的過壓保護采用穩(wěn)壓管實現(xiàn)，要求低于功放管閾值電壓下限，實現(xiàn)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(guān)管的驅(qū)動電壓。全系統(tǒng)電路模塊用到的電源電壓有：數(shù)控邏輯模塊的+5 V，功率放大驅(qū)動模塊的+12 V；反饋模塊的隔離、調(diào)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(zhuǎn)15 V變壓器輸出15 V交流電壓，采用兩片7805產(chǎn)生+5 V直流分別供應(yīng)數(shù)控單元和其他部分，一片LM7812產(chǎn)生+12 V供應(yīng)IR21184，這樣保證了主要模塊基本電源的獨立穩(wěn)定。

　　系統(tǒng)采用降壓斬波電路改變開關(guān)管的驅(qū)動電壓，從而改變輸出功率進(jìn)行調(diào)功。PWM通過改變占空比來實現(xiàn)對驅(qū)動電壓的調(diào)節(jié)，即采用不控整流加斬波的直流側(cè)降壓調(diào)功方式來實現(xiàn)。直流斬波的電壓調(diào)節(jié)方式具有效率高、諧波少、工作可靠等優(yōu)點［4］。直流斬波調(diào)功方式目前比較成熟，相關(guān)軟開關(guān)電路的應(yīng)用很多，這里采用脈寬調(diào)制方式完成對控制開關(guān)電源的電壓調(diào)節(jié)，以滿足功率調(diào)整的需要。集中電源供應(yīng)簡化了電路的電源實現(xiàn)，方便調(diào)試。其結(jié)構(gòu)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(fā)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(fù)載參數(shù)，使換能器失去諧振狀態(tài)，從而降低功率轉(zhuǎn)化效率和促滲效果。因此系統(tǒng)需要能夠?qū)Q能器的工作狀態(tài)進(jìn)行實時跟蹤和調(diào)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(huán)控制，在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)跟蹤調(diào)整，使換能器工作在最佳狀態(tài)。

　　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(jìn)行檢測，減少對換能器諧振電路結(jié)構(gòu)的影響。使用KA20A/P磁平衡電流傳感器對交變電流信號進(jìn)行取樣。該傳感器基于霍爾效應(yīng)實現(xiàn)，響應(yīng)電流增益比較靈敏，可以有效檢測頻率波動0~50 kHz范圍內(nèi)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(zhǔn)確，穩(wěn)定性高，滿足當(dāng)前系統(tǒng)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(diào)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(jīng)隔離、調(diào)理后計算相差和功率，得到功率和頻差的反饋信號，返回數(shù)控邏輯模塊形成閉環(huán)控制。

　　此外系統(tǒng)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(tài)電容，R0、R1、C1、L1分別為損耗阻抗、負(fù)載電阻、動態(tài)電容和動態(tài)電感。

　　壓電換能器只有諧振輸出阻抗與變壓器驅(qū)動輸出內(nèi)阻滿足合理的比例關(guān)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(zhuǎn)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(xiàn)出容性，所以系統(tǒng)主要采用串聯(lián)電感進(jìn)行調(diào)諧。系統(tǒng)采用電感器件對壓電換能器進(jìn)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(lián)匹配時，換能器負(fù)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(fù)載電阻為：

　　Rload=R0+R1+Rx（3）

　　通過調(diào)節(jié)Rx可以有效調(diào)節(jié)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(diào)諧電路實現(xiàn)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(jié)構(gòu)，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(diào)換。數(shù)控單元發(fā)出的通路選擇信號，通過圖4所示譯碼器和光耦可控硅復(fù)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(jié)束語

　　基于正交實驗提取的有效參數(shù)組合，完成了模塊化超聲給藥系統(tǒng)的設(shè)計。前期在比對和分析了目前超聲給藥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)方式、技術(shù)難點及優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，依據(jù)系統(tǒng)的功能組合和邏輯連接關(guān)系，完成了超聲給藥系統(tǒng)的模塊化構(gòu)建。將系統(tǒng)分為數(shù)字邏輯控制模塊、功率放大驅(qū)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(jié)構(gòu)，有效簡化了電路實現(xiàn)，系統(tǒng)的邏輯關(guān)系清晰，提高了穩(wěn)定性和可靠性，各模塊易于調(diào)整和升級。后期根據(jù)臨床驗證的需要，可進(jìn)一步對系統(tǒng)功能模塊的電路進(jìn)行改進(jìn)和完善。

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