Mô phỏng thiết kế máy siêu âm trị liệu

Ứng dụng sóng siêu âm vào chữa trị, ứng dụng vào chữa trị các bệnh về xương, khớp, cơ, ung thư ở mức độ giai đoạn một, có thể chữa trị được.Siêu âm liên lục và siêu âm xung. Đầu dò siêu âm, ứng dụng đầu dò, cách thiết kế đầu dò.

Mục lục

I TỔNG QUAN VÀ LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI 2

II MỤC TIÊU VÀ GIỚI HẠN 8

2.1 Mục tiêu 3

2.2 Giới hạn 3

III NỘI DUNG THỰC HIỆN 4

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

2.1 GIỚI THIỆU SÓNG SIÊU ÂM 5

2.1.1 Khái niệm 5

2.1.2 Ứng dụng sóng siêu âm 6

2.1.2.1 Ứng dụng sóng siêu âm trong y tế 6

2.1.2.1.1 Ứng dụng trong chuẩn đoán 6

2.1.2.1.2 Ứng dụng trong điều trị 6

2.1.2.2 Các ứng dụng khác 8

2.2 GIỚI THIỆU ĐẦU DÒ 8

2.2.1 Khái niệm 8

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của đầu dò 9

2.2.3 Cấu tạo của đầu dò 9

2.3 GIỚI THIỆU VI ĐIỀU KHIỂN PIC 10

2.3.1 Khái niệm 10

2.3.2 Một số đặc tính 10

2.3.3 Phân loại 11

2.4 GIỚI THIỆU IC MAX038 11

2.4.1 Khái niệm 11

2.4.2 Các đặc trưng 12

2.4.3 Ứng dụng 12

2.5 NGUỒN CUNG CẤP 13

2.5.1 Khái niệm 13

2.5.2 Nguồn ổn áp xung 13

Chương 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 15

3.1 GIỚI THIỆU 15

3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 15

3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 15

Chương 5: KẾT QUẢ - NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ 23

5.1 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 23

5.1.1 Sử dụng Arduino Nano 23

5.1.2 Sử dụng cảm biến 23

5.1.3 Sử dụng loa (buzzer) 23

5.3 NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ 29

Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 30

6.1 KẾT LUẬN 30

6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 30

Tài liệu kham khảo 31

DANH MỤC HÌNH Hình 2.1: Khoảng tần số của sóng siêu âm 0.2………5

Hình 2.2: Cấu tạo đầu dò ………10

Hình 2.3: Vi điều khiển PIC ……… … 10

Hình 2.4: IC MAX 038 ……….……… 12

Hình 3.1: Sơ đồ khối ……… 15

Hình 3.2: Khối nguồn [14] ……… ……….17

Hình 3.3: Khối nguồn công suất [15] ……… 17

Hình 3.4: Khối tín hiệu……… 18

Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý LCD 20x4……… 19

Hình 3.6: Khối khuếch đại công suất……… 20

Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch.……… 22

Hình 5.1 Hoàn thành phần mạch……… 24

Hình 5.2 Hoàn thiện hình dáng gậy……… 24

Hình 5.3 Hoàn thiện hình dáng gậy……… 25

Hình 5.4 Gậy không cảnh báo ở mức nhỏ ……….25

2

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Hình 5.5 Gậy cảnh báo rung, còi buzzer……… 26

Hình 5.6 Gậy cảnh báo rung, còi buzzer……… 26

Hình 5.7 Gậy cảnh báo rung, còi buzzer ……….27

Hình 5.8 Gậy không cảnh báo khi quá mức……….28

Bảng 3.1: Bảng giá trị linh kiện khối nguồn……… 16

Bảng 3.2: Bảng giá trị linh kiện khối nguồn công suất……….17

Bảng 3.3: Bảng giá trị linh kiện khối tín hiệu……… 18

Bảng 3.4: Bảng giá trị khối khuếch đại công suất……….20

Bảng 5.1: Bảng giá trị thống kết quả qua các lần đo……….29

4

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Theo thống kê tại Đại hội do Hội Chấn thương chỉnh hình Việt Nam và Bệnhviện Việt Đức tổ chức, đã cho thấy số người mắc bệnh xương khớp ở Việt Nam ngaycàng gia tăng và có xu hướng trẻ hóa WHO cũng xếp Việt Nam vào nhóm các nước có

tỷ lệ dân số mắc bệnh xương khớp cao nhất thế giới Trước đây, thoái hóa khớp thườnggặp ở những người từ 50 tuổi trở lên do quá trình lão hóa tự nhiên nhưng hiện nay,thống kê cho thấy, tình trạng thoái hóa khớp ngày càng trở nên phổ biến ở người mới

35 tuổi, thậm chí trẻ hơn Dù chưa có thống kê đầy đủ nhưng với 30% người trên 35tuổi, 60% người trên tuổi 65 và 85% người trên tuổi 80 bị thoái hóa khớp, đây đang làthách thức của y tế Việt Nam Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) coi thập niên 2011 - 2020

là “Thập niên xương và khớp” [1] Trong khi đó, tại các khoa cơ xương khớp ở cácbệnh viện hằng ngày có từ vài chục đến hàng trăm người mắc bệnh xương khớp đếnthăm khám Đáng chú ý, tại BV Chợ Rẫy, có đến 64.000 lượt bệnh nhân đến Phòngkhám khớp của bệnh viện thăm khám trong một năm Còn tại BV Chấn thương chỉnhhình TP Hồ Chí Minh, nếu trung bình mỗi ngày Phòng khám khớp giải quyết khámcho 250 bệnh nhân như hiện nay thì số lượng bệnh nhân đến khám trong một năm tính

ra khoảng 90 nghìn lượt khám[2]

Trước thực trạng như vậy nhà nước cũng đã có các biện pháp cải thiện các bệnhviện, trung tâm cơ sở thăm khám Tuy nhiên cũng còn nhiều khó khăn và thách thứcbởi mạng lưới chẩn đoán, chăm sóc chưa phổ biến và có độ phủ rộng khắp.Việc điềutrị các bệnh xương khớp chưa được quan tâm, điều trị hợp lý nhất là các vùng nông

nhẹ về da, gân, xương xảy ra ngay từ giai đoạn đầu của bệnh đều có thể điều trị từ cácthiết bị trị liệu.Vì thế chúng ta cần quan tâm đến sức khỏe, xương khớp của chính mìnhngay từ lúc có những nguy cơ ban đầu.

Trên thị trường đã có rất nhiều phương pháp, trang thiết bị hỗ trợ việc điều trị

về các bệnh xương khớp với những chức năng, tác dụng khác nhau Nhưng giá thànhcòn khá cao nên việc từng cá nhân hay hộ gia đình tự mình trang bị một thiết bị vẫncòn hạn chế Trong các loại máy hỗ trợ trị liệu thì máy siêu âm trị liệu cũng là mộttrong những lựa chọn của các bệnh viện, trung tâm và các gia đình về việc điều trị.Máy có siêu âm trị liệu tác dụng lên các tổn thương xương, khớp và cơ sau chấnthương: bầm tím, bong gân, sai khớp, gãy xương, đau lưng do thoát vị đĩa đệm,vếtloét, vết siệu và điều trị thẫm mỹ … thông qua sóng siêu âm có tần số dao động từ 1-3MHz [3]

Qua đó, chúng ta thấy được sự cần thiết và phù hợp của một máy siêu âm trịliệu với việc điều trị, chăm sóc sức khỏe Với mong muốn mang các thiết bị như thế

gần gũi hơn đến mọi người Nên nhóm chúng em quyết định chọn đề tài về nghiên cứu

và thiết kế một máy siêu trị liệu dùng trong vật lý trị liệu có tần số 1MHz và 3 MHz.

II.1 Mục tiêu

- Thiết kế được mạch tạo tần số 1MHz và 3MHz, mạch lọc và khuếch đại tần

số, mạch đếm thời gian,mạch khuếch đại tần số

- Hiển thị thời gian, tần số sử dụng.

- Điều chỉnh được thời gian sử dụng.

- Hoàn thiện máy siêu trị liệu có tần số 1MHz và 3MHz dùng trong vật lý trị

liệu

- Sử dụng trong nghiên cứu, đảm bảo an toàn về điện với người sử dụng

- Đáp ứng được các tiêu chuẩn y tế quy định về máy siêu âm trị liệu.

II.2 Giới hạn

- Máy siêu trị liệu chỉ được ứng dụng trong nghiên cứu

- Máy sử dụng có tần số 1MHz và 3MHz và chức năng dùng trong trị liệu

- Không thiết kế đầu dò trị liệu

- Sử dụng cố định một chỗ với nguồn điện 220V

3

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

- Kích thước 40x30x30 cm (dài x rộng x cao).

- Tìm hiểu sóng siêu âm, cách tạo sóng siêu âm, ứng dụng sóng trong trị liệu

- Tìm hiểu mạch lọc, mạch khuếch đại tần số, mạch khuếch đại công suất…

- Tìm hiểu đầu dò trị liệu

- Tìm hiểu mạch đếm thời gian và hiển thị

- Thiết kế mạch lọc RC, mạch khuếch đại tần số, mạch nguồn

- Thiết kế và thi công mạch tạo tần số 1MHz và 3 MHz

- Thiết kế mạch khuếch đại công suất

- Viết chương trình điều khiển cho PIC, nạp code và chạy thử nghiệm sảnphẩm, chỉnh sửa và hoàn thiện mạch

- Hoàn thiện máy siêu âm và thử nghiệm

- Chỉnh sửa và khắc phục những hạn chế

- Thực hiện viết sách luận văn báo cáo

- Tiến hành báo cáo đề tài

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 GIỚI THIỆU SÓNG SIÊU ÂM

2.1.1 Khái niệm

Siêu âm là sóng cơ học hình thành do sự lan truyền dao động của các phần

tử trong không gian có tần số lớn hơn ngưỡng tai người có thể nghe (là 16-20KHz).Ngoài ra, nó có thể lan truyền trong nhiều môi trường như không khí, các chất rắn

và lỏng với tốc độ gần bằng tóc độ âm thanh [4]

Các đại lượng đặc trưng của sóng siêu âm:

 Chu kỳ T(s) là khoảng thời gian mà sóng thực hiện một lần nén và giản

 Tần số f(Hz) là số dao động thực hiện được trong 1 giây

 Biên độ: biểu thị mức độ thay đổi áp suất trong quá trình dao động

 Cường độ là năng lượng mà sóng siêu âm truyền trong một đơn vị thời gian qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền âm Công thức tính I=P/S

Trong đó: P là công suất của nguồn âm (W)

S là diện tích miền truyền âm (m2)

Hình 2.1: Khoảng tần số của sóng siêu âm 0.2

Sóng siêu âm là những sóng có tần số cao hơn 18 KHz Giới hạn trên của tần số sóng siêu âm là 5 MHz đối với chất khí và 500 Mhz đối với chất lỏng hay chất rắn [4] Tốc độ siêu âm truyền qua một môi trường liên quan trực tiếp với mật độ của môi trường đó Môi trường đậm đặc hoặc rắn chắc hơn sẽ có tốc độ truyền âm lớn

5

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

hơn Với tần số 1MHz, tốc độ của siêu âm trong mô mềm là 1540m/s, trong khi trong xương là 4000m/s

2.1.2 Ứng dụng sóng siêu âm

2.1.2.1 Ứng dụng sóng siêu âm trong y tế

Trong y học, siêu âm là hình thức được dùng rộng rãi với nhiều mục đích khác nhau như chuẩn đoán, phá hủy tổ chức bệnh lý hoặc điều trị

2.1.2.1.1 Ứng dụng trong chuẩn đoán

Đó là một phương phát khảo sát hình ảnh bằng cách tiếp xúc sóng siêu

âm với bộ phận cơ thể nhằm tạo ra hình ảnh quan sát được bên trong cơ thể Một trong những ứng dụng phổ biến nhất của siêu âm chuẩn đoán là theo dõi hình ảnh thai nhi trong quá trình mang thai Phương pháp siêu âm này không cần xâm lấn, mà vẫn có thể giúp bác sĩ có thể đưa ra các chuẩn đoán và điều trịbệnh một cách hiệu quả nhờ vào sóng âm di chuyển tự do qua dịch và các mô mềm trong cơ thể [5]

Các kiểu siêu âm phổ biến:

 Quy ước: tạo ra những hình ảnh các lát cắt mỏng và phẳng của cơ thể

 3 chiều (3D): tái tạo lại dữ liệu thu nhận từ sóng siêu âm thành hình ảnh

3 chiều

 4 chiều (4D): là siêu âm 3D có thêm sự chuyển động

 Doppler: kỹ thuật nhằm đánh giá dòng máu chảy bên trong các mạch máu [2]

2.1.2.1.2 Ứng dụng trong điều trị

Siêu âm trị liệu là một trong những hình thức điều trị phổ biến nhất, cùng với kích thích điện, nhiệt và lạnh bề mặt Nó là công cụ hữu hiệu để điều trị đau, các tổn thương mô mềm và có tác dụng làm lành vết thương và dẫn truyền thuốc qua da Siêu âm dung trong điều trị có tần số nằm trong vùng từ 1tới 3 MHz Tần số càng cao, sự tản mát càng thấp và âm càng dễ hội tụ hơn và

siêu âm được sử dụng có công suất từ 0,1 - 3W/cm2 nhằm tăng sự hấp thụ các

mô mềm, với tần số này tai người không thể nghe thấy [6]

 Sửa chữa và tái sinh mô mềm

 Mụn cơm gan bàn chân

Siêu âm liên tục và siêu âm xung:

Hầu như mọi thiết bị siêu âm điều trị đều có thể phát tại chế độ liên tục

và chế độ xung Nếu siêu âm được phát liên tục, cường độ siêu âm hằng định trong suốt quá trình điều trị và năng lượng sóng được tạo ra trong toàn bộ khoảng thời gian xét (100% thời gian)

Với siêu âm xung, cường độ bị ngắt một cách tuần hoàn, với sự vắng mặt của sóng âm trong thời gian nghỉ xung Khi dùng siêu âm xung, năng lượng trung bình theo thời gian giảm đi Phần trăm thời gian có siêu âm (độ rộng xung) so với chu kỳ xung (độ rộng xung + khoảng cách giữa các xung) được gọi là chu kỳ hoạt động

Chu kỳ hoạt động = độ rộng xung (thời gian có xung) x 100%/ chu kỳ xung

Chu kỳ xung = thời gian có xung + thời gian nghỉ xung

7

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Siêu âm trị liên tục được dùng nhiều nhất khi cần tăng nhiệt tổ chức Siêu âm xung được dùng khi muốn giảm tác dụng nhiệt Siêu âm xung hoặc siêu âm liên tục cường độ nhỏ được dùng để tạo các hiệu ứng phi nhiệt liên quan với quá trình lành các vết thương mô mềm

Các tác dụng trong trị liệu:

 Tác dụng sinh học của siêu âm

Từ tác dụng cơ học và tác dụng sinh nhiệt dẫn đến hàng loạt tác dụng sinhhọc tạo nên hiệu quả siêu âm điều trị là:

- Tăng tuần hoàn và dinh dưỡng do tăng nhiệt độ, tăng tính thấm của mạch máu và tổ chức

- Giãn cơ do kích thích trực tiếp của siêu âm lên các thụ cảm thể thầnkinh

- Tăng tính thấm của màng tế bào

- Kích thích quá trình tái sinh tổ chức

- Tác dụng lên hệ thần kinh ngoại vi

- Giảm đau [4]

 Tác dụng nhiệt của siêu âm

Sự sinh nhiệt trong tổ chức do tác dụng của siêu âm là do hiện tượng cọ xát chuyển từ năng lượng cơ học sang năng lượng nhiệt Đối với siêu âm, có thể tác động tới độ sâu 1/2 từ 3-5cm

Để tăng nhiệt độ mô mềm ở độ sâu trên 8cm, cần dùng siêu âm với cường

độ lớn hơn 1,5w/cm2 ở độ sâu dưới 8cm có thể dùng siêu âm cường độ 1w/cm2 Khi nghiên cứu tác dụng sóng ngắn, vi sóng và siêu âm để làm tăng

nhiệt độ khớp háng thì thấy chỉ có siêu âm mới có thể làm tăng nhiệt độ tới mức có hiệu lực điều trị [7].

2.1.2.2 Các ứng dụng khác

Dùng làm các thiết bị cảm biến: cảm biến không tiếp xúc, cảm biến chuyển động và đo lường, … Ngoài ra, trong công nghiệp dùng trong kiểm tra và tìm kiếm lỗi các thiết bị, làm sạch các thiết bị bằng siêu âm

2.2 GIỚI THIỆU ĐẦU DÒ

2.2.1 Khái niệm

Đầu dò siêu âm hoặc cảm biến siêu âm là một loại cảm biến âm thanh được chiathành ba loại chính: máy phát, máy thu và máy thu phát Máy phát chuyển đổi tín hiệu điện thành siêu âm, máy thu chuyển đổi siêu âm thành tín hiệu điện và máy thuphát có thể vừa truyền và nhận siêu âm

Theo cách tương tự như radar và sonar, đầu dò siêu âm được sử dụng trong các

hệ thống đánh giá mục tiêu bằng cách giải thích các tín hiệu phản xạ Ví dụ, bằng cách đo thời gian giữa việc gửi tín hiệu và nhận tiếng vang, khoảng cách của một đối tượng có thể được tính toán Cảm biến siêu âm thụ động về cơ bản là micro pháthiện tiếng ồn siêu âm có trong một số điều kiện nhất định [8]

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của đầu dò

Đầu dò máy siêu âm là thiết bị có khả năng thu và phát sóng siêu âm có các tần

số khác nhau tùy thuộc vào chức năng của đầu dò như siêu âm tim, siêu âm ổ

bụng…mà có thiết kế và tần số siêu âm phát ra khác nhau Khi siêu âm, các tinh thể bên trong đầu dò phát ra các sóng siêu âm truyền vào bên trong cơ thể Các mô, xương và chất lỏng trong cơ thể – một phần hấp thụ hoặc truyền qua – một phần phản xạ lại sóng âm và quay ngược trở lại đầu dò Đầu dò thu nhận sóng âm phản hồi, gửi các thông tin này tới bộ xử lý, sau khi phân tích các tín hiệu phản hồi bằng các phần mềm và thuật toán xử lý ảnh, kết hợp các thông tin để xây dựng và tái tạo thành hình ảnh siêu âm mà chúng ta nhìn thấy trên màn hình

9

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.2.3 Cấu tạo của đầu dò

Một trong những phần quan trọng nhất của một máy siêu âm là đầu dò siêu âm Nếukhông có nó, sẽ không có dữ liệu để truyền cho CPU và sẽ được hiển thị trên màn hình

Đầu dò siêu âm hoạt động như miệng và tai của máy Nó phát ra sóng âm thanh cho bệnh nhân và nhận được rung động, thông tin thu thập được bằng thăm dò sau đó đượctruyền cho CPU [9]

 Tinh thể gốm của đầu dò được nuôi bằng các chuỗi xung cao tần Cứ sau mỗixung phát đầu dò lại làm nhiệm vụ tiếp nhận sóng hồi âm Độ lặp lại của các chuỗi xung phụ thuộc vào độ sâu tối đa cần chẩn đoán

 Đầu dò của máy siêu âm có nhiều dải tần số (2-8 dải)

 Các điện cực áp vào 2 mặt của tinh thể áp điện

 Lớp giảm rung để tạo ra một dao động tắt dần nhanh sau khi ngừng tác dụng xung điện

 Lớp đệm để tăng cường khả năng truyền năng lượng xung siêu âm truyền ra ngoài (giảm sự hao tổn)

Hình 2.2: Cấu tạo đầu dò

2.3 GIỚI THIỆU VI ĐIỀU KHIỂN PIC

2.3.1 Khái niệm

Pic là một họ vi điều khiển RISC được sản xuất bởi công ty Microchip

Technology Dòng PIC đầu tiên là PIC1650 được phát triển bởi Microelectronics Division thuộc General Instrument PIC sử dụng tập lệnh RISC, với dòng PIC low-end và mid-range (độ dài mã lệnh 14 bit, ví dụ: PIC16Fxxxx), tập lệnh bao gồm khoảng 35 lệnh, và 70 lệnh đối với các dòng PIC high-end [10]

Hình 2.3: Vi điều khiển PIC

2.3.2 Một số đặc tính

Do có nhiều dòng pic khác nhau nên phần cứng cũng có nhiều khác biệt:

 8/ 16bit CPU, xây dựng theo kiến trúc Harvard

 Flash và ROM có thể tuỳ chọn từ 256 byte đến 256 Kbyte

 Các cổng Xuất/Nhập (I/O ports) (mức logic thường từ 0V đến 5.5V, ứng với logic 0 và logic 1)

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

 Bộ chuyển đổi ADC Analog-to-digital converters, 10/12 bit

 MSSP Peripheral dùng cho các giao tiếp I²C, SPI, và I²S

 Module Điều khiển động cơ, đọc encoder

 Bộ nhớ nội EEPROM - có thể ghi/xoá lên tới 1 triệu lần

 Hỗ trợ giao tiếp USB, CAN, LIN, IrDA [8]

2.3.3 Phân loại

 Vi điều khiển 8-bit (PIC10, PIC12, PIC14, PIC14 PIC16, PIC17, PIC18)

 Vi điều khiển 16-bit (PIC24)

 Bộ điều khiển xử lý tín hiệu số 16-bit (dsPIC) (ssPIC30, dsPIC33F)

 Bộ điều khiển xử lý tín hiệu số 32-bit (PIC32) (PIC32) [10]

2.4 GIỚI THIỆU IC MAX038

2.4.1 Khái niệm

MAX038 là một ic có chức năng chính xác, tần số cao, đồng thời tạo ra các dạng sóng rang cưa, hình sin, vuông và xung từ các thành phần hỡ trợ bên ngoài Tần số ngõ ra có thể được điều khiển trong dải tần từ 0.1 Hz đến 20 Mhz Đồng thờichu kỳ công tác được thay đổi trong phạm vi rộng bằng tín hiệu điều khiển ± 2.3V,

tạo điều kiện cho điều chế độ rộng xung và tạo ra dạng sóng răng cưa Điều chế tần

số và quét tần số đạt được theo cùng một cách Các chu kỳ nhiệm vụ và điều khiển tần số là độc lập [4]

Qua đó có thể đặt mã thích hợp ở hai chân chọn tương thích TTL để lựa chọn dạng sóng ở ngõ ra (sóng hình sin, hình vuông hoặc hình tam giác) Tín hiệu đầu ra cho tất cả các dạng sóng là tín hiệu 2VP-P đối xứng quanh mặt đất Đầu ra trở kháng thấp có thể điều khiển lên tới ± 20mA [11]