一種超聲溶解加速器及其加速藥物溶解的方法和應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種超聲溶解加速器及其加速藥物溶解的方法和應(yīng)用，包括容器以及與容器相連的超聲發(fā)生裝置，以水作為耦合介質(zhì)，將水充盈于超聲發(fā)生裝置的超聲換能器與容器之間，然后將加入有溶劑以及待溶解藥物的器皿放入容器中，超聲換能器產(chǎn)生的超聲波透過器皿作用于待溶解藥物，從而使待溶解藥物加速溶解于溶劑內(nèi)，本發(fā)明提供了一條新的用于促進(jìn)藥物溶解的途徑，相比現(xiàn)有藥物促溶手段，可以在更短的時(shí)間內(nèi)，以更低的功耗起到更好的促溶效果，本發(fā)明中采用頻率合成器、功率放大器、超聲換能器以及單片機(jī)和反饋電路組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，不僅可以保證超聲換能器穩(wěn)定工作，而且可以通過調(diào)整參數(shù)方便地控制促溶過程。
【專利說明】一種超聲溶解加速器及其加速藥物溶解的方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及利用功率超聲的機(jī)械效應(yīng)促進(jìn)藥物溶解領(lǐng)域，具體涉及一種超聲溶解加速器及加速藥物溶解的方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]醫(yī)用類注射藥品須溶解在生理鹽水或葡萄糖溶液中后注射，才能被人體充分吸收，達(dá)到預(yù)期藥效。因?yàn)槿芙馑俣葐栴}使一些藥物在實(shí)際應(yīng)用中給醫(yī)生、護(hù)士帶來了很大的工作量。藥品溶解的現(xiàn)有方法有攪拌、磁力攪拌、手搖、浸潰、煮沸、水浴等。使用手搖法、水浴法等，工作量大，況且振搖等處理過程中易造成漏液或溶解不完全，耗時(shí)、耗力又耗材。水浴的效果不是很明顯，而且存在使部分藥物變性失效的風(fēng)險(xiǎn)。搖床等機(jī)械攪拌設(shè)備，其效率比較低；磁力攪拌需要向溶液中添加攪拌子，這對于人使用的藥物而言是不合適的。
[0003]研究表明超聲波具有特殊的強(qiáng)縱向振動(dòng)、高速?zèng)_擊破碎、空化效應(yīng)、攪拌及加熱等物理性能。超聲波的強(qiáng)化傳質(zhì)效應(yīng)能破壞液一固界面上的滯流層，可大大提高傳質(zhì)速率，它在介質(zhì)(液體)中傳播時(shí)，能產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波和高速射流，破壞固一液、液一液及氣一液界面上的滯流層，使表面更新及多相系統(tǒng)有效混合、分散或凝聚，具有攪拌、分散成霧、凝聚、沖擊破碎等作用。這些特性與藥物一般的物理性溶解方法是一致的。
[0004]目前超聲波在溶解方面的應(yīng)用主要在中藥檢驗(yàn)的提取，應(yīng)用在注射藥品的溶解中幾乎沒有，而傳統(tǒng)注射藥物溶解的方法的弊端越來越突出，因此迫切需要研究一種通用注射藥物速溶裝置以及方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種超聲溶解加速器及其加速藥物溶解的方法和應(yīng)用。
[0006]一種超聲溶解加速器，包括超聲驅(qū)動(dòng)電路、杯狀的超聲換能器以及用于盛放待溶解物質(zhì)的器皿，所述器皿設(shè)置于所述超聲換能器內(nèi)，超聲換能器與超聲驅(qū)動(dòng)電路相連。
[0007]所述超聲驅(qū)動(dòng)電路包括頻率合成器、功率放大電路、反饋電路和單片機(jī)；頻率合成器以及超聲換能器分別與功率放大電路相連；功率放大電路通過反饋電路與單片機(jī)相連，單片機(jī)與頻率合成器相連。
[0008]所述頻率合成器采用DDS芯片AD9850實(shí)現(xiàn)頻率合成。
[0009]所述反饋電路包括串聯(lián)在功率放大電路末級輸出端的反饋電阻，反饋電阻的一端接地，另一端與所述單片機(jī)內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換器相連，功率放大電路采用LM3886實(shí)現(xiàn)功率放大。
[0010]所述超聲換能器的諧振頻率采用以下方法進(jìn)行確定:
[0011]首先通過單片機(jī)設(shè)定頻率掃描的初始范圍fl?f2以及暫存器temp和f, temp和f分別用于存儲(chǔ)頻率掃描過程中反饋的電壓最大值和判定的諧振頻率，然后以fl為起始頻率，并以f2為終止頻率啟動(dòng)第一次頻率掃描，使超聲換能器驅(qū)動(dòng)信號的頻率值在初始范圍fl?f2內(nèi)逐步變化，在頻率掃描的同時(shí)進(jìn)行反饋采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換得到反饋電路的電壓，若后一個(gè)掃描頻率下反饋電路的電壓比前一個(gè)掃描頻率下反饋電路的電壓大，則用所述后一個(gè)掃描頻率下反饋電路的電壓更新temp，并將所述后一個(gè)掃描頻率存入f，反之則保持temp和f不變，直到第一次頻率掃描完成，通過多次頻率掃描，將頻率掃描的范圍逐漸變小，并最終鎖定到某一頻率，多次頻率掃描過程中，將上一次頻率掃描結(jié)束時(shí)存入f的值作為下一次頻率掃描的終止頻率，將上一次頻率掃描結(jié)束時(shí)對應(yīng)的超聲換能器驅(qū)動(dòng)信號的頻率作為下一次頻率掃描的起始頻率。
[0012]所述超聲溶解加速器還包括按鍵鍵盤以及顯示模塊，顯示模塊包括顯示驅(qū)動(dòng)器以及與顯示驅(qū)動(dòng)器相連的數(shù)碼管，單片機(jī)分別與按鍵鍵盤以及顯示驅(qū)動(dòng)器相連。
[0013]上述超聲溶解加速器在加速藥物溶解中的應(yīng)用。
[0014]所述藥物為注射劑。
[0015]一種加速藥物溶解的方法，包括以下步驟:以水作為耦合介質(zhì)，將水充盈于超聲換能器與器皿之間，然后將溶劑以及待溶解藥物放入所述器皿中，超聲換能器產(chǎn)生的超聲波透過器皿使待溶解藥物加速溶解于溶劑內(nèi)。
[0016]本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在:本發(fā)明提供了一條新的用于促進(jìn)藥物溶解的途徑，相比現(xiàn)有促溶手段，利用功率超聲的機(jī)械效應(yīng)可以在更短的時(shí)間內(nèi)，以更低的功耗起到更好的促溶效果，無需向藥物中加入攪拌子，溶解更為均勻，且不會(huì)發(fā)生漏液以及藥物變性的問題，克服了現(xiàn)有促溶手段的諸多不足。
[0017]進(jìn)一步的，本發(fā)明采用頻率合成器、功率放大器、超聲換能器以及單片機(jī)和反饋電路組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，不僅可以保證超聲換能器穩(wěn)定工作，而且可以通過調(diào)整參數(shù)方便地控制促溶過程。
[0018]進(jìn)一步的，本發(fā)明通過頻率掃描的方式確定超聲換能器的諧振頻率,頻率合成器按照換能器諧振頻率進(jìn)行輸出，以保證溶解加速器的最佳輸出功率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2是本發(fā)明的工作原理示意圖；
[0021]圖3是本發(fā)明的工作流程圖；
[0022]圖4是MAX7219程序流程圖；
[0023]圖5是AD9850程序流程圖；
[0024]圖6是按鍵鍵盤程序流程圖；
[0025]圖7反饋電路示意圖；
[0026]圖8是AD轉(zhuǎn)換程序流程圖；
[0027]圖9是功率放大電路及超聲換能器阻抗匹配電路圖；
[0028]圖10是頻率跟蹤算法不意圖；
[0029]其中:1為超聲驅(qū)動(dòng)電路，2為超聲換能器，3為器皿。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作詳細(xì)說明。
[0031]參見圖1以及圖2，本發(fā)明所述超聲溶解加速器包括超聲驅(qū)動(dòng)電路1、杯狀的超聲換能器2以及用于盛放待溶解物質(zhì)的器皿3，所述器皿3設(shè)置于所述超聲換能器2內(nèi)，超聲換能器2與超聲驅(qū)動(dòng)電路I相連。所述超聲驅(qū)動(dòng)電路I包括頻率合成器、功率放大電路、反饋電路和單片機(jī)；頻率合成器以及超聲換能器2分別與功率放大電路相連；功率放大電路通過反饋電路與單片機(jī)相連，單片機(jī)與頻率合成器相連。所述頻率合成器采用DDS芯片AD9850實(shí)現(xiàn)頻率合成。所述反饋電路包括串聯(lián)在功率放大電路末級輸出端的反饋電阻,反饋電阻的一端接地，另一端與所述單片機(jī)內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換器相連，功率放大電路采用LM3886實(shí)現(xiàn)功率放大。所述超聲溶解加速器還包括按鍵鍵盤以及顯示模塊，顯示模塊包括顯示驅(qū)動(dòng)器以及與顯示驅(qū)動(dòng)器相連的數(shù)碼管，單片機(jī)分別與按鍵鍵盤以及顯示驅(qū)動(dòng)器相連。
[0032]所述超聲換能器2的諧振頻率采用以下方法進(jìn)行確定:
[0033]首先通過單片機(jī)設(shè)定頻率掃描的初始范圍fl?f2以及暫存器temp和f, temp和f分別用于存儲(chǔ)頻率掃描過程中反饋的電壓最大值和判定的諧振頻率，然后以fl為起始頻率，并以f2為終止頻率啟動(dòng)第一次頻率掃描，使超聲換能器驅(qū)動(dòng)信號的頻率值在初始范圍fl?f2內(nèi)逐步變化，在頻率掃描的同時(shí)進(jìn)行反饋采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換得到反饋電路的電壓，若后一個(gè)掃描頻率下反饋電路的電壓比前一個(gè)掃描頻率下反饋電路的電壓大，則用所述后一個(gè)掃描頻率下反饋電路的電壓更新temp值，并將所述后一個(gè)掃描頻率存入f，反之則保持temp和f不變，直到第一次頻率掃描完成，通過多次頻率掃描，將頻率掃描的范圍逐漸變小，并最終鎖定到某一頻率，多次頻率掃描過程中，將上一次頻率掃描結(jié)束時(shí)存入f的值作為下一次頻率掃描的終止頻率，將上一次頻率掃描結(jié)束時(shí)對應(yīng)的超聲換能器驅(qū)動(dòng)信號的頻率作為下一次頻率掃描的起始頻率。
[0034]上述超聲溶解加速器的加速藥物溶解的方法，包括以下步驟:以水作為耦合介質(zhì)，將水充盈于超聲換能器2與所述器皿3之間，然后將溶劑以及待溶解藥物放入所述器皿3中，超聲換能器2產(chǎn)生的超聲波透過器皿3使待溶解藥物加速溶解于溶劑內(nèi)。
[0035]實(shí)施例
[0036]一種加速注射藥物溶解的超聲溶解加速器方案:利用超聲換能器產(chǎn)生高功率的超聲作用于藥物，主要通過超聲對藥物的機(jī)械作用加速藥物的溶解過程。利用單片機(jī)控制超聲換能器的工作，調(diào)整其功率、頻率、強(qiáng)度及作用時(shí)間等各參數(shù)，發(fā)射超聲作用于藥物，促使其均勻地溶解在溶劑中。
[0037]本方案的核心之一是利用功率放大電路驅(qū)動(dòng)超聲換能器，發(fā)生超聲波。超聲換能器在工作過程中會(huì)發(fā)生頻率漂移，只有工作在其中心頻率附近，其輸出功率才足以對藥物溶解產(chǎn)生效果。為了確定超聲換能器的頻率，在功率放大電路末級提取一個(gè)反饋信號，輸入到單片機(jī)。由單片機(jī)對信號做出判斷，并控制輸出頻率在一定范圍內(nèi)掃描，使用頻率合成器生成相應(yīng)的掃描信號提供給功率放大電路，經(jīng)過放大后作為超聲換能器的輸入，以保證發(fā)射超聲的功率。掃描過程中反饋信號的變化對應(yīng)著超聲換能器的頻率漂移，經(jīng)過單片機(jī)的計(jì)算，可以控制輸出頻率在超聲換能器的中心頻率附近掃描。
[0038]超聲換能器產(chǎn)生的超聲波是不能直接穿透盛放藥物的玻璃容器的，在容器表面和空氣間，大部分超聲會(huì)被反射，不能有效地作用于藥物。因此本方案中使用純凈水作為耦合介質(zhì)，使水充盈于超聲換能器和玻璃容器之間，以提高超聲波的穿透率，使其能有效作用于容器內(nèi)的藥物。
[0039]為了方便操作者使用，本方案還配套有鍵盤和顯示模塊。用戶可以通過鍵盤改變發(fā)射超聲的功率、頻率、強(qiáng)度及作用時(shí)間等各參數(shù)，以取得較好效果。顯示模塊可以直觀地反映整個(gè)系統(tǒng)當(dāng)前工作狀態(tài)，方便操作者對整個(gè)工作過程的把握。鍵盤和顯示模塊都由單片機(jī)控制。
[0040]如圖2所示，系統(tǒng)以MSP430系列單片機(jī)為主控芯片，控制AD9850合成頻率可調(diào)的正弦波信號，作為功率放大電路的輸入。信號經(jīng)過功率放大，滿足超聲換能器的技術(shù)要求后，通過與超聲換能器間的阻抗匹配傳輸?shù)匠晸Q能器上，驅(qū)動(dòng)超聲換能器發(fā)出高功率超聲波，使超聲波作用于藥物上，使藥物溶解。超聲換能器在工作過程中，其諧振頻率在不斷漂移，而其頻率特性相當(dāng)陡峭，因此，系統(tǒng)必須使AD9850合成的信號頻率跟蹤上換能器諧振頻率。這樣換能器可以始終工作在諧振頻率附近，保證其輸出功率。系統(tǒng)通過對功率放大電路末級的反饋信號進(jìn)行分析，控制驅(qū)動(dòng)信號的合成。系統(tǒng)設(shè)計(jì)有簡單的人機(jī)界面，使得使用者可以對系統(tǒng)的工作狀態(tài)有全面的把握和控制。
[0041]如圖3所示,系統(tǒng)的程序以前后臺系統(tǒng)為基礎(chǔ)。在系統(tǒng)的后臺循環(huán)中，利用MSP430的定時(shí)器定時(shí)產(chǎn)生中斷，以此作為節(jié)拍，在每個(gè)中斷中分配適當(dāng)?shù)娜蝿?wù)進(jìn)行處理，使任務(wù)得以重復(fù)地順序執(zhí)行。系統(tǒng)進(jìn)行初始化后進(jìn)入低功耗模式等待中斷發(fā)生。定時(shí)器發(fā)生中斷后，依次執(zhí)行鍵盤的檢測程序、頻率合成程序、AD轉(zhuǎn)換程序、顯示程序和頻率跟蹤程序。然后系統(tǒng)再次進(jìn)入低功耗模式等待下次中斷發(fā)生。
[0042]顯示模塊:顯示模塊由MAX7219控制的八位八段數(shù)碼管構(gòu)成。系統(tǒng)利用MAX7219芯片來完成動(dòng)態(tài)顯示的任務(wù)。利用MAX7219接收來自單片機(jī)的控制字，控制8位8段數(shù)碼管。MAX7219只需要用DIN、L0AD、CLK3條信號線與單片機(jī)相連，8條段選線SEG A-G和8條位選線DIG0-7同數(shù)碼管相連，按序接收控制字，將控制字存入相應(yīng)的寄存器中，自動(dòng)進(jìn)行譯碼，對數(shù)碼管進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描。在本系統(tǒng)中使用4位數(shù)碼管顯示頻率值，3位顯示電壓值，預(yù)留一位用于指示系統(tǒng)工作狀態(tài)。MAX7219通過4位地址控制字和8位數(shù)據(jù)控制字對內(nèi)部各寄存器進(jìn)行控制。其中V。。和Isrt腳間的電阻是調(diào)節(jié)數(shù)碼管亮度的，典型值為9.53ΚΩ。在實(shí)際應(yīng)用中，在與單片機(jī)相連的三條信號線上都接小電容后接地以減少外界電磁干擾對MAX7219的影響。經(jīng)試驗(yàn)，電容值選為15pF時(shí)效果較好，有效地解決了干擾的問題，顯示模塊可以正常工作。
[0043]如圖4所示，單片機(jī)向MAX7219中寫入的控制字為16位，其中的高4位(D12:D15)與控制字無關(guān)，第9至12位(D8:D11)為數(shù)據(jù)要寫入的寄存器的地址(共16個(gè)地址，其中8個(gè)地址分別控制8位數(shù)碼管顯示內(nèi)容)，低8位(DO:D7)為寫入的數(shù)據(jù)。無論LOAD端信號狀態(tài)，每個(gè)CLK均向MAX7219寫入I位數(shù)據(jù)，寫滿16位控制字后觸發(fā)LOAD信號，數(shù)據(jù)在LOAD上升沿被載入數(shù)據(jù)寄存器或控制寄存器。向MAX7219寫入字節(jié)(8bits)，首先讀入要寫的字節(jié)，進(jìn)入一個(gè)循環(huán)，先將CLK復(fù)位，讀入的字節(jié)每次都同0x80 (10000000)相與，取出其最高位放置到暫存中。這樣暫存就可能有兩個(gè)值:0χ80和0x00。通過一個(gè)判斷分支語句if進(jìn)行判斷:暫存為O時(shí)DIN輸出為O ;暫存不為零時(shí)輸出為I。設(shè)置好輸出后，讓時(shí)鐘位CLK置位一次，形成一個(gè)時(shí)鐘周期。傳輸完一位后，將該字節(jié)左移一位，進(jìn)入下一次循環(huán)。循環(huán)直到該字節(jié)的8位都傳輸完成才結(jié)束。
[0044]頻率合成器:系統(tǒng)使用DDS芯片AD9850進(jìn)行驅(qū)動(dòng)信號的合成。系統(tǒng)使用了較為簡便的并行連接方式，其工作受到單片機(jī)的控制。產(chǎn)生的信號經(jīng)過低通濾波器，濾除高頻分量。再經(jīng)過一個(gè)反相放大電路，實(shí)現(xiàn)信號幅度的可調(diào)，以滿足系統(tǒng)功率可調(diào)的要求。AD9850需要3.3V電壓供電。
[0045]如圖5所示，并行連接下的AD9850通過8位總線D7?DO接收數(shù)據(jù)寫入到寄存器，40位控制/數(shù)據(jù)字的裝入只需要5個(gè)W_CLK信號周期，在FQ_UD上升沿把40位數(shù)據(jù)從輸入寄存器寫入到頻率/相位控制數(shù)據(jù)寄存器，從而更新DDS的輸出頻率和相位。同時(shí)把地址指針復(fù)位到第一個(gè)寄存器。在程序中，每通過數(shù)據(jù)總線發(fā)送一個(gè)字節(jié)的控制字，先將W-CLK置高，在W-CLK的上升沿，AD9850接收數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)，再將W-CLK復(fù)位，準(zhǔn)備進(jìn)行下一字節(jié)的發(fā)送；連續(xù)發(fā)送5個(gè)字節(jié)后，將FQ-UD置位，使AD9850根據(jù)剛輸入的控制字更改頻率和相位輸出，再將FQ-UD復(fù)位，準(zhǔn)備下一組控制字發(fā)送。需要生成某一頻率的信號時(shí)，首先從程序中讀入相應(yīng)的頻率參數(shù)，檢查系統(tǒng)是否允許掃描，經(jīng)過單片機(jī)計(jì)算其控制字，調(diào)用上述的傳輸程序，將控制字輸入到AD9850中，從而生成所需要的驅(qū)動(dòng)信號。相應(yīng)的頻率參數(shù)傳輸給顯示模塊在數(shù)碼管上進(jìn)行顯示，使得操作者對系統(tǒng)當(dāng)前工作頻率一目了然。
[0046]按鍵鍵盤:系統(tǒng)利用MSP430的I/O 口外部中斷功能設(shè)計(jì)了簡易鍵盤，操作者可以通過鍵盤控制驅(qū)動(dòng)信號的頻率以及系統(tǒng)的工作狀態(tài)。系統(tǒng)使用了簡單的獨(dú)立鍵盤設(shè)計(jì)來接收操作者的控制。按鍵與單片機(jī)的I/o 口直接連接，平時(shí)上拉到高電平，按下時(shí)I/O的輸入為低電平，利用電平下降沿觸發(fā)中斷，進(jìn)入處理程序。三個(gè)按鍵的作用分別為:S1為信號頻率微調(diào)(頻率增加10Hz)，S2為信號頻率微調(diào)(頻率減小10Hz)，S3為暫停/開始掃描。為了增強(qiáng)鍵盤的抗干擾能力，在按鍵和地之間接入小電容以濾去干擾信號。經(jīng)試驗(yàn)，上拉電阻選為100K Ω，電容的大小選為0.1 μ F。
[0047]如圖6所示，對于按鍵動(dòng)作的處理程序需要注意對抖動(dòng)干擾的處理。系統(tǒng)采用了軟件延時(shí)的方法來消除抖動(dòng)。鍵盤程序主要有以下步驟:初始化、消除抖動(dòng)干擾、判讀按下的鍵、識別鍵碼、等待按鍵松開。處理完成后，對各寄存器進(jìn)行清理。I/o 口的各寄存器應(yīng)當(dāng)還原到初始化過后的狀態(tài)。
[0048]反饋電路:如圖7、圖9所示，在電路中引入一個(gè)反饋電阻，通過這個(gè)電阻兩端的電壓實(shí)時(shí)反映超聲換能器的工作狀況。當(dāng)超聲換能器工作在諧振狀態(tài)時(shí)，電路中的阻抗減小，電流增大，串聯(lián)在回路的電阻兩端的電壓就會(huì)增加。根據(jù)變壓器原理，在變壓器初級線圈回路中串聯(lián)電阻R也可以起到反饋電壓的作用。這里在變壓器初級線圈回路中引入小阻值高功率的水泥電阻R15，將其一端接地，從而只需在電阻非接地端引出，通過放大電路后輸入至A/D轉(zhuǎn)換通道。R15的選擇必須是大功率小阻值。由于反饋回路電流比較大，最大功率較小，容易燒電阻，但阻值比較大，又會(huì)消耗功率，這里采用5W、0.33歐的水泥電阻。
[0049]如圖8所示，對反饋信號的AD轉(zhuǎn)換采用單通道單次轉(zhuǎn)換模式，將每次轉(zhuǎn)換的結(jié)果存入數(shù)組中，多次測量后對結(jié)果進(jìn)行平均處理以抑制電磁干擾。再將結(jié)果轉(zhuǎn)換為要表示的電壓值。首先應(yīng)當(dāng)配置AD轉(zhuǎn)換的相應(yīng)控制寄存器，配置好定時(shí)器的控制寄存器，進(jìn)入到低功耗模式。然后只要在定時(shí)器中斷程序中打開ADC12SC，就可以對采集的信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換了。當(dāng)轉(zhuǎn)換完成后，相應(yīng)模擬通道的中斷標(biāo)志位會(huì)置位。只要在ADC12IFG和ADC12BUSY寄存器都為I時(shí)就可以讀出位于ADC12MEM.0的正確轉(zhuǎn)換結(jié)果。為了減小干擾，首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行多次采集，再將其結(jié)果進(jìn)行平均，減小隨機(jī)誤差。在程序中將得到的結(jié)果進(jìn)行處理，作為傳輸給顯示模塊的參數(shù)，將反饋信號大小在數(shù)碼管上進(jìn)行顯示。
[0050]功率放大電路:所述功率放大電路為高頻D類功率放大電路，如圖9所示，高頻功率放大電路部分利用LM3886為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，LM3886是帶動(dòng)態(tài)反饋的高功率、高性能音頻功放1C，具有寬頻、高倍放大、線性失真小等優(yōu)點(diǎn)，該電路由穩(wěn)壓±35V開關(guān)電源進(jìn)行供電。輸入電平IV時(shí)，負(fù)載上的最大不失真輸出功率為63W，最大輸出電源可達(dá)50V。Cll是輸入耦合電容器。由于電路功率較高，其中使用的部分元件需選用高功率器件，同時(shí)設(shè)計(jì)有散熱設(shè)備，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。該電路的最大特點(diǎn)是自身保護(hù)功能齊全，無需外接各種保護(hù)電路，它內(nèi)含NS公司研制的SPIKe (自身瞬時(shí)溫度)保護(hù)電路，對輸出級晶體管的安全工作區(qū)(SOA)進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測和保護(hù)，從而全面實(shí)現(xiàn)過壓、欠壓、過載、輸出短路(包括短路到地和短路到電源)、熱失控和瞬時(shí)溫度沖擊等保護(hù)功能。
[0051]功率放大電路作用是將高頻正弦信號進(jìn)行功率放大，它利用LM3886為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，其放大能力及帶寬等參數(shù)能夠滿足系統(tǒng)需求。通過采集系統(tǒng)的反饋信號來對超聲換能器的工作狀態(tài)進(jìn)行判斷，利用單片機(jī)來對超聲換能器的諧振頻率進(jìn)行跟蹤，使得系統(tǒng)始終能夠工作在其諧振頻率附近，從而保證系統(tǒng)的輸出功率。頻率跟蹤是通過頻率掃描來實(shí)現(xiàn)的，這種方式能夠有效地控制換能器的驅(qū)動(dòng)信號。該頻率跟蹤技術(shù)也同樣適用于其它功率超聲裝置，保證其輸出功率，具有一定的通用性。
[0052]如圖9所示，系統(tǒng)以功放集成芯片LM3886為核心設(shè)計(jì)了高頻功率放大電路，功率放大電路的特點(diǎn)包括:
[0053]I)輸出功率大，可以工作在50W左右；
[0054]2)效率高，功放電路功率損耗少；
[0055]3)功率增益大；
[0056]4)帶寬寬，在20kHz至60kHz之間功率增益變化不大；
[0057]5)諧波抑制度(或信號失真度)小，信號能夠不失真的送給換能器；
[0058]6)輸出阻抗在50歐左右等；
[0059]7)自身保護(hù)功能齊全，無需外接各種保護(hù)電路。
[0060]由于電路的功率比較大，電路中關(guān)鍵部位的器件都選用了高功率器件，同時(shí)有部分散熱設(shè)計(jì)以提高其可靠性。由AD9850產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號通過初級放大電路進(jìn)入到功放電路中，經(jīng)過功率放大至滿足換能器需求后輸入到換能器端，從而使換能器發(fā)射超聲波，促進(jìn)藥物溶解。
[0061]對于超聲換能器的諧振頻率的跟蹤是通過單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)信號在一定頻率范圍內(nèi)掃描來實(shí)現(xiàn)的。換能器工作在諧振頻率時(shí)輸出功率最大，反饋信號也最大。通過對反饋信號的識別，可以得到換能器諧振頻率的大致范圍。這時(shí)單片機(jī)將控制合成的驅(qū)動(dòng)信號頻率在該范圍附近掃描，如此往復(fù)以實(shí)現(xiàn)對換能器諧振頻率的跟蹤，使得系統(tǒng)的輸出功率始終保持在比較高的狀態(tài)下。
[0062]如圖10所示，系統(tǒng)通過對AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果進(jìn)行分析，以判定換能器的諧振頻率的變化，并對其進(jìn)行跟蹤。反饋信號的電壓大小是同換能器的工作功率大小相關(guān)的，當(dāng)換能器的輸出功率大時(shí)，反饋信號大；反之反饋信號小。產(chǎn)生的信號頻率在換能器諧振頻率附近進(jìn)行掃描，同時(shí)對反饋信號進(jìn)行比較，找到反饋信號最大的時(shí)候的頻率范圍，當(dāng)作換能器當(dāng)前的諧振頻率范圍。首先為頻率掃描設(shè)定一個(gè)起始范圍(fl?f2)，啟動(dòng)頻率掃描，驅(qū)動(dòng)信號的頻率值將會(huì)逐步變化。在頻率掃描的同時(shí)進(jìn)行反饋采集和AD轉(zhuǎn)換。當(dāng)頻率掃描到諧振頻率附近時(shí)，AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果會(huì)相對較大。在程序中設(shè)定暫存器temp以及f，分別用于存儲(chǔ)頻率掃描過程中反饋的最大值和判定的諧振頻率。若后一次AD的結(jié)果比前一次大，則更新temp值，并將此時(shí)的頻率存入f，反之則保持temp和f不變，直到這次掃描完成。這樣就可以找出該次掃描過程中反饋?zhàn)畲髸r(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生信號的頻率，作為下一次掃描的終止頻率，通過掃描使系統(tǒng)的輸出信號頻率向換能器諧振頻率附近靠近。掃描的范圍是逐漸變小的，到了最后系統(tǒng)會(huì)鎖定到某一頻率不再進(jìn)行掃描。這個(gè)時(shí)候換能器的諧振頻率再發(fā)生偏移系統(tǒng)也無法進(jìn)行跟蹤。此時(shí)就需要對掃描范圍強(qiáng)制放大。判定是否需要放大掃描范圍可以通過對反饋信號進(jìn)行檢測實(shí)現(xiàn)。通過觀察記錄超聲換能器在輸出功率足夠時(shí)的反饋值，將其設(shè)為一個(gè)閾值。然后在掃描時(shí)將反饋值同閾值進(jìn)行比較，當(dāng)反饋值小于閾值時(shí)，強(qiáng)制放大系統(tǒng)的掃描范圍到鎖定的頻率附近，以保證頻率跟蹤的正常進(jìn)行。相比當(dāng)前廣泛被使用的鎖相環(huán)方案，本發(fā)明的基本思想更為簡單，實(shí)現(xiàn)起來更方便，成本也更低，效果也能達(dá)到要求。
[0063]加速注射藥物溶解的超聲溶解加速器主要由四部分構(gòu)成:單片機(jī)控制系統(tǒng)、頻率合成系統(tǒng)、功率放大及反饋系統(tǒng)和超聲換能器系統(tǒng)。其中單片機(jī)控制系統(tǒng)又可以分為單片機(jī)及外圍電路、鍵盤、顯示、電源等。系統(tǒng)布局按照從左到右的順序，分別為:單片機(jī)系統(tǒng)、頻率合成系統(tǒng)、功率放大及反饋系統(tǒng)和超聲換能器系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)明了。系統(tǒng)使用8位數(shù)碼管作為顯示，顯示內(nèi)容包括系統(tǒng)工作狀態(tài)、產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號頻率以及反饋信號的值。使用簡易鍵盤作為輸入，使操作者可以對產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號的頻率進(jìn)行簡單控制(升高和降低頻率)，同時(shí)可以控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)(暫停及開始)。
[0064]本發(fā)明要求系統(tǒng)能夠通過改變控制參數(shù)來形成頻率連續(xù)可調(diào)的驅(qū)動(dòng)信號，不但能夠自動(dòng)進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)，還能按操作者的直接控制作出響應(yīng)。產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號需進(jìn)行功率放大，通過功率放大電路來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)將來自于功放末級的一個(gè)小電阻的分壓作為反饋信號，采集該反饋信號。系統(tǒng)快速地對反饋信號進(jìn)行分析，以判定換能器的諧振頻率的變化，以此來調(diào)節(jié)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號，使其頻率在諧振頻率附近范圍內(nèi)掃描。
[0065]本發(fā)明利用超聲的機(jī)械效應(yīng)來對藥物溶解過程進(jìn)行加速作用。傳統(tǒng)的促溶手段在應(yīng)用于藥物時(shí)具有一定局限性。搖床等機(jī)械攪拌設(shè)備，其效率比較低；磁力攪拌需要向溶液中添加攪拌子，這對于人使用的藥物而言是不合適的。水浴的效果不是很明顯，而且存在使部分藥物變性失效的風(fēng)險(xiǎn)。基于對功率超聲不斷地深入研究，現(xiàn)在功率超聲在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用已相當(dāng)成熟和廣泛，這使得利用超聲波的機(jī)械性能加速溶解注射藥物具有很高的可行性。目前超聲波在溶解方面的應(yīng)用主要在中藥檢驗(yàn)的提取。超聲波在中藥檢驗(yàn)中的廣泛應(yīng)用已體現(xiàn)了它的適用價(jià)值，對注射藥品的溶解中應(yīng)用幾乎沒有，本發(fā)明填補(bǔ)了其在該領(lǐng)域的空白?？紤]到對藥物處理的安全性，系統(tǒng)中盡力避免了超聲空化效應(yīng)對藥物的影響，使用了頻率較低的超聲波進(jìn)行作用。同時(shí)在換能器同玻璃容器間使用水來作為兩者間的耦合齊U。換能器被設(shè)計(jì)為杯狀，其中注入少量水，玻璃容器同水面接觸，超聲波可以順利傳輸至玻璃容器內(nèi)作用于藥物，使其加速溶解。
【權(quán)利要求】
1.一種超聲溶解加速器，其特征在于:包括超聲驅(qū)動(dòng)電路(I)、杯狀的超聲換能器(2)以及用于盛放待溶解物質(zhì)的器皿(3)，所述器皿(3)設(shè)置于所述超聲換能器(2)內(nèi)，超聲換能器(2 )與超聲驅(qū)動(dòng)電路(I)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種超聲溶解加速器，其特征在于:所述超聲驅(qū)動(dòng)電路(I)包括頻率合成器、功率放大電路、反饋電路和單片機(jī)；頻率合成器以及超聲換能器(2)分別與功率放大電路相連；功率放大電路通過反饋電路與單片機(jī)相連，單片機(jī)與頻率合成器相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種超聲溶解加速器，其特征在于:所述頻率合成器采用DDS芯片AD9850實(shí)現(xiàn)頻率合成。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種超聲溶解加速器，其特征在于:所述反饋電路包括串聯(lián)在功率放大電路末級輸出端的反饋電阻，反饋電阻的一端接地，另一端與所述單片機(jī)內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換器相連，功率放大電路采用LM3886實(shí)現(xiàn)功率放大。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述一種超聲溶解加速器，其特征在于:所述超聲換能器(2)的諧振頻率采用以下方法進(jìn)行確定: 首先通過單片機(jī)設(shè)定頻率掃描的初始范圍fl?f2以及暫存器temp和f, temp和f分別用于存儲(chǔ)頻率掃描過程中反饋的電壓最大值和判定的諧振頻率，然后以Π為起始頻率，并以f2為終止頻率啟動(dòng)第一次頻率掃描，使超聲換能器驅(qū)動(dòng)信號的頻率值在初始范圍fl?f2內(nèi)逐步變化，在頻率掃描的同時(shí)進(jìn)行反饋采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換得到反饋電路的電壓，若后一個(gè)掃描頻率下反饋電路的電壓比前一個(gè)掃描頻率下反饋電路的電壓大，則用所述后一個(gè)掃描頻率下反饋電路的電壓更新temp，并將所述后一個(gè)掃描頻率存入f，反之則保持temp和f不變，直到第一次頻率掃描完成，通過多次頻率掃描，將頻率掃描的范圍逐漸變小，并最終鎖定到某一頻率，多次頻率掃描過程中，將上一次頻率掃描結(jié)束時(shí)存入f的值作為下一次頻率掃描的終止頻率，將上一次頻率掃描結(jié)束時(shí)對應(yīng)的超聲換能器驅(qū)動(dòng)信號的頻率作為下一次頻率掃描的起始頻率。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種超聲溶解加速器，其特征在于:所述超聲溶解加速器還包括按鍵鍵盤以及顯示模塊，顯示模塊包括顯示驅(qū)動(dòng)器以及與顯示驅(qū)動(dòng)器相連的數(shù)碼管，單片機(jī)分別與按鍵鍵盤以及顯示驅(qū)動(dòng)器相連。
7.—種如權(quán)利要求1所述超聲溶解加速器在加速藥物溶解中的應(yīng)用。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述一種超聲溶解加速器在加速藥物溶解中的應(yīng)用，其特征在于:所述藥物為注射劑。
9.一種加速藥物溶解的方法，其特征在于；包括以下步驟:以水作為耦合介質(zhì)，將水充盈于超聲換能器(2 )與器皿(3 )之間，然后將溶劑以及待溶解藥物放入所述器皿(3 )中，超聲換能器(2)產(chǎn)生的超聲波透過器皿(3)使待溶解藥物加速溶解于溶劑內(nèi)。
【文檔編號】B01F11/02GK103877903SQ201410097182
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月14日
【發(fā)明者】周秦武, 白平, 宋亞楠, 陳星 , 吳德東, 張大龍 申請人:西安交通大學(xué)