刘伟， 张晓兰， 张兰兰

　　（河南科学技术大学 医工学院，河南 洛阳 471003）

　　摘要：基于超声促渗的双氯芬酸钠体外透皮正交实验研究，在前期实验数据积累的基础上，提取了复合促渗的有效实验参数组合。为了适应后期临床测试的需要，在比对和分析目前超声给药系统结构的基础上，提出了模块化超声给药系统的设计方案，并完成了各部分主要模块电路的设计，实现了超声给药系统结构的优化和可持续升级，为后续工作的展开提供了基础。

　　关键词：超声促渗；经皮给药；模块化； 低频超声

0引言

　　双氯芬酸钠作为一种主要的外敷用抗炎类药物，应用非常广泛，疗效也较佳。本文将介绍基于双氯芬酸钠复合促渗的超声给药的实验和理论研究。双氯芬酸钠适合采用局部缓释给药，其药效作用集中，但需要有效避开脏器和消化道的代谢排出。超声给药作为一种外用物理促渗方法，较好地满足了双氯芬酸钠的给药需求，这是开展实验设计的基础。超声给药主要是利用超声波的机械、温热和空化效应等综合作用于表皮，使皮肤组织的通透性增加，有效增强药物透入效率。超声给药优点突出，为双氯芬酸钠应用的推广提供了广阔的前景［1］。

1系统总体设计要求

　　超声给药的基础实验研究主要是以单位时间的有效渗透量做为评价指标，通过有效调整超声促渗参数，以实验验证来求解最适合于双氯芬酸钠透皮给药的超声参数组合。超声给药实验对双氯芬酸钠体外经皮渗透率进行数据分析对照，如果采用全参数进行覆盖实验，很难得出有效评估。本文采用正交试验设计来研究多因素多水平的综合对照，根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验验证，这些有代表性的点均匀分散，规范可比较，能较好地满足实验测定的需要。实验数据如表1所示。根据实验选择水平组合，完成了正交实验数据表格，给药系统设计依据该标准，构建灵活便携的超声实验平台，为后期实验的重复开展和临床验证提供便利。

　　需要构建的系统包括四个独立工作通道，单通道的激励电压的频率调整范围为20～50 kHz，这样可以保证每一通道的覆盖性和替代性，有利于后期的对照。对超声换能器的激励采用脉宽调制波，要求输出频率包含21 kHz，28 kHz，32 kHz，38 kHz四档可调。选用超声探头有效辐射面积为5～7 cm2的海纳系列换能器，由声压换算出有效超声输出功率并留出调节余量。还需要对换能器的工作时间进行控制，实时采集探头谐振时的电压和电流信号，建立对其频率和功率的自动跟踪和调节，此外系统还需要提供过压、过流、过温保护和用户接口等。基于以上设计要求完成了四通道独立可调的超声驱动电路系统的模块化构建。

2系统模块化电路设计

　　目前的超声给药系统实现的基本功能单元很多［2］，在对比和分析了目前超声给药系统结构的主要实现方式和优缺点的基础上，提出满足当前系统功能需要的模块化设计结构，将系统分为数字逻辑控制模块、功率放大驱动模块、可控电源模块、反馈模块和匹配输出模块五部分，构建的模块化系统能够完成超声给药需要的驱动频率、脉宽、功率和时间参数的实时调整，可根据不同换能器需要更换匹配输出，有效解决了功率电源、功率放大和反馈回路的独立调试问题，且各部分结构可独立调整和升级，满足了超声给药系统的通用性设计。

　　2.1数字逻辑控制模块电路实现

　　数字逻辑控制模块部分主要完成激励源的产生、开关功率电源控制、反馈信号采集和系统流程控制等功能。数字逻辑器件目前可以选择的种类很多，系统设计初期采用图1数字逻辑控制模块结构功能单片机作为数控的核心器件，选用增强的8位AVR CMOS微控制器ATmega 16来实现，充分利用其内部集成的逻辑功能单元来简化电路实现，其主要功能描述如图1所示。

     2.2功率放大驱动模块

　　功率放大驱动模块系统采用专用驱动芯片IR21844构建，数控单元输出的脉宽调制信号经光耦隔离和调理以后，经由IR21844增益输出驱动MOS（Meta Oxid Semiconductor）半桥功放，输出经变压器隔离和变换，驱动换能器工作。

　　IR21844作为IR公司的专用电源驱动芯片，性能表现优异。该芯片是双通道、栅极驱动、高压高速功率器件的单片式集成驱动模块。芯片中采用了高度集成的电平转换技术，可以满足对工作频率和电压等主要参数的要求，只需要单脉冲输入就能驱动双管桥臂，大大简化了逻辑电路对功率器件的控制要求，同时自身带有死区调整脚，提高了电路驱动的可靠性。

　　功率开关管采用了单片集成MOSFET（Metallic Oxide Semiconductor Field Effecttransistor）器件。功率驱动采用半桥结构来实现，半桥输出功率较低，但开关管数量少，驱动调节简单，且抗电压不平衡能力很强，总体适合当前需求。IR21844增益输出的PWM（PulseWidth Modulation）调制信号驱动半桥结构的MOSFET管轮流导通，在变压器的副边得到交变信号，实现逆变输出［3］。

　　为了保证功放开关管使用时的可靠性，主电路中还包含相关保护电路，限制电压电流变化，减少器件开关损耗等。系统对功放管的过压保护采用稳压管实现，要求低于功放管阈值电压下限，实现对过冲峰值电压的保护。过流保护采用RC组合的缓冲吸收电路，电阻选取满足限流需要。主体电路如下图2所示。

　　2.3可控电源模块

　　该模块集中提供其他电路需要的直流电源和功放开关管的驱动电压。全系统电路模块用到的电源电压有：数控逻辑模块的+5 V，功率放大驱动模块的+12 V；反馈模块的隔离、调理运放和乘法器等需要的+5 V；匹配输出模块译码器和SSD（Static Sensitive Device）器件需要的+5 V电源。采用220 V转15 V变压器输出15 V交流电压，采用两片7805产生+5 V直流分别供应数控单元和其他部分，一片LM7812产生+12 V供应IR21184，这样保证了主要模块基本电源的独立稳定。

　　系统采用降压斩波电路改变开关管的驱动电压，从而改变输出功率进行调功。PWM通过改变占空比来实现对驱动电压的调节，即采用不控整流加斩波的直流侧降压调功方式来实现。直流斩波的电压调节方式具有效率高、谐波少、工作可靠等优点［4］。直流斩波调功方式目前比较成熟，相关软开关电路的应用很多，这里采用脉宽调制方式完成对控制开关电源的电压调节，以满足功率调整的需要。集中电源供应简化了电路的电源实现，方便调试。其结构流程如图3所示。

　　2.4反馈模块

　　换能器在实际工作时，振荡会引起探头发热，此外其他许多因素如老化、接触不良等，都会改变换能器原有的负载参数，使换能器失去谐振状态，从而降低功率转化效率和促渗效果。因此系统需要能够对换能器的工作状态进行实时跟踪和调整。反馈模块主要完成换能器谐振工作时的频率、功率和温度等信号的实时采集，形成有效的闭环控制，在一定范围内实现跟踪调整，使换能器工作在最佳状态。

　　换能器在谐振时，其两端电压、电流的相位差为零，提取电压和电流的相差信号可以作为频率的误差反馈信号，电流和电压的乘积可以作为功率信号，因此需要实时采集换能器谐振时的电压、电流信号。电压电流的检测方法较图4匹配接口模块切换电路

　　多，主要采用互感器件进行检测，减少对换能器谐振电路结构的影响。使用KA20A/P磁平衡电流传感器对交变电流信号进行取样。该传感器基于霍尔效应实现，响应电流增益比较灵敏，可以有效检测频率波动0~50 kHz范围内的交变信号，其输出电压的信号正比于交变电流信号。该传感器简单准确，稳定性高，满足当前系统要求。交变电压信号的检测是在输出变压器的副端绕组上缠绕变压比可调的线圈来获得，在检测电压信号时也可以有效隔离和滤除部分谐波干扰。采样得到的实时电压和电流信号经隔离、调理后计算相差和功率，得到功率和频差的反馈信号，返回数控逻辑模块形成闭环控制。

　　此外系统采用DSl8B20实时检测换能器工作时的温度信号，形成温度反馈。

　　2.5匹配输出模块

　　采用海纳换能器的等效电路，其C0为静态电容，R0、R1、C1、L1分别为损耗阻抗、负载电阻、动态电容和动态电感。

　　压电换能器只有谐振输出阻抗与变压器驱动输出内阻满足合理的比例关系，才能保证功率的有效输出，即输出阻抗匹配；此外，换能器还必须工作在谐振频率点，才能保证功率有效转换成机械能，即换能器要满足谐振匹配。由于该换能器谐振时对外主要表现出容性，所以系统主要采用串联电感进行调谐。系统采用电感器件对压电换能器进行电抗补偿来保证电压和电流同相，同时有利于减少电路的无功分量，提高电路工作效率，且具有滤除谐波的作用。采用L-R串联匹配时，换能器负载等效输出阻抗为：

　　Z=1/jω·C1+R0+R1+jω·L1+jω·Lx+Rx（1）

　　换能器工作在谐振频率时，其电压电流同相位，输出呈电阻性，电抗为零，由此可以计算得到匹配电感Lx满足：

　　Lx=1ω2C1－L1（2）

　　此时等效负载电阻为：

　　Rload=R0+R1+Rx（3）

　　通过调节Rx可以有效调节谐振时的等效输出阻抗，以满足换能功率输出的阻抗匹配。

　　LR调谐电路实现简单，性能较好［56］。匹配输出单元采用多通道的独立电路板结构，每通道采用单独LR匹配，整体模块通过接口器件与换能器配合使用，方便不同换能器实时调换。数控单元发出的通路选择信号，通过图4所示译码器和光耦可控硅复合控制，完成谐振匹配通道的选择切换，其电路原理如图4所示。

3结束语

　　基于正交实验提取的有效参数组合，完成了模块化超声给药系统的设计。前期在比对和分析了目前超声给药系统结构的实现方式、技术难点及优缺点的基础上，依据系统的功能组合和逻辑连接关系，完成了超声给药系统的模块化构建。将系统分为数字逻辑控制模块、功率放大驱动模块、可控电源模块、反馈模块和匹配输出模块五部分,采用模块化结构，有效简化了电路实现，系统的逻辑关系清晰，提高了稳定性和可靠性，各模块易于调整和升级。后期根据临床验证的需要，可进一步对系统功能模块的电路进行改进和完善。

参考文献

　　［1］ 刘伟,胡志刚,张兰兰.基于双氯芬酸钠体外促渗的多路超声给药系统设计［J］ ．中国仪器仪表,2014（12）:4650.

　　［2］ 郭鹏,曲波. 基于STM32的自适应智能精密电源的设计［J］.微型机与应用,2013,32(9):8184.

　　［3］ 袁燕岭.单片机控制的脉宽调制功率放大器设计与研究［J］.电子元器件应用，2008,4(10): 3133.

　　［4］ 夏建全,陈瑞,张秀香.基于PWM技术的大功率超声波电源系统的研究［J］．电子技术应用，2002，28（1）:3236.

　　［5］ 汤四媛.一种用于医用高频超声成像设备的发射与接收装置的研制［J］．中国医疗器械,2008,32(1):1113.

　　［6］ 杨春霞,郑彦锋.电路设计模块化与设计重利用［J］．电子元器件应用,2012(Z1):6668.