Siêu âm trị liệu là một dạng điều trị bằng nhiệt giúp điều trị một số dạng đau mãn tính và cấp tính. Một dòng điện có tần số phù hợp được đưa tới bộ chuyển đổi hoạt động theo hiệu ứng áp điện. Bộ chuyển đổi sẽ chuyển tín hiệu điện thành dạng sóng siêu âm.Sóng này sẽ được đưa vào cơ thể để điều trị [5], [6].
Trong siêu âm trị liệu, tần số sử dụng từ 0,8 đến 1MHz cho điều trị vùng sâu và tần số khoảng 3MHz cho điều trị vùng bề mặt (độ sâu tối đa có thể lên tới 5 cm) và cao hơn cho trị liệu da. Sóng siêu âm khi được đưa vào cơ thể làm cho các phân tử trong các mô chuyển động, do đó tạo ra nhiệt và năng lượng cơ học.Hiệu ứng trị liệu của sóng siêu âm là tạo ra nhiệt độ tại các vùng cơ cần điều trị. Năng lượng này trong các máy trị liệu ở mức trung bình khoảng 1,5 W/cm2 - 4W/cm2. Năng lượng cơ học của sóng siêu âm được chuyển thành năng lượng nhiệt theo phương trình:
C=2AI (J/cm3) Trong đó:
C là nhiệt lượng tạo ra I là cường độ siêu âm A là hằng số suy giảm
38
Do khả năng đâm xuyên của siêu âm nên nó có thể làm nóng các cơ và sử dụng để điều trị cho các mô cơ, gân, dây chằng, khớp và xương. Có 2 dạng sóng siêu âm được sử dụng trong trị liệu là sóng liên tục và dạng xung siêu âm. Dạng xung được ứng dụng trong các loại điều trị không cần hiệu ứng nhiệt như điều trị viêm cấp tính hay chăm sóc các vết thương.
Siêu âm trị liệu được sử dụng rộng rãi trong điều trị tổn thương xương, sẹo và giúp giảm co các dây chằng.Nó còn được sử dụng để điều trị các chứng viêm cơ, viêm khớp.Trong thần kinh, siêu âm được sử dụng để điều trị các chứng dây thần kinh bị chèn ép, các loại viêm dây thần kinh và các tổn thương do chấn thương. Siêu âm trị liệu cũng được sử dụng kết hợp với điện châm để tăng hiệu quả điều trị.
Về nguyên lý, sóng cơ học với tần số siêu âm được tạo bởi một bộ chuyển đổi. Bộ chuyển đổi này thường có cấu tạo là một đĩa gốm áp điện hoặc vật liệu áp điện đơn tinh thể có đường kính vài cm. Khi đưa một điện áp xoay chiều vào hai cực kích thích, do hiệu ứng áp điện nghịch sẽ tạo ra sự co dãn liên tục. Độ dày của đĩa bằng một nửa chiều dài bước sóng tại tần số mà bộ chuyển đổi hoạt động.
Khi đưa tín hiệu điện cưỡng bức có tần số trùng với tần số hoạt động của bộ chuyển đổi sẽ xuất hiện hiện tượng cộng hưởng, đĩa gốm sẽ rung với biên độ lớn nhất. Tín hiệu điện kích thích có thể được đưa vào để tạo ra sự rung cơ khí theo chiều dày, theo chiều rộng hoặc phát xạ nếu đĩa gốm hình trụ. Một số hằng số vật lý đặc trưng cho gốm áp điện là:
- Hằng số tần số= tần số cộng hưởng (Hz). Bước sóng (m)
Ví dụ bộ chuyển đổi sử dụng vật liệu có hằng số tần số là 1960 tương ứng với điện áp kích thích cho miếng gốm ở chế độ rung theo chiều dày, tần số cộng hưởng là 1MHz, chiều dày của đĩa gốm là: 1960(m.Hz)/(1000.10-6)=1,960mm.
- Hệ số chuyển đổi điện cơ = SQR(năng lượng cơ tạo ra/năng lượng điện đưa vào)
39
Hệ số này đặc trưng cho hiệu suất chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học. Chất lượng gốm càng tốt thì hệ số này càng cao. Bộ chuyển đổi sử dụng trong thiết bị của đề tài có hệ số chuyển đổi là 0,68.
- Hằng số biến dạng=độ biến dạng/điện áp đưa vào
Hằng số này đặc trưng cho quan hệ giữa độ biến dạng của gốm với điện áp đưa vào để đạt được độ biến dạng đó. Đơn vị đo của hằng số là m/V. Bộ chuyển đổi trong đề tài có hằng số biến dạng là 317.10-12 m/V.
- Hệ số phẩm chất Q. Đặc trưng cho chất lượng của bộ dao động cơ học tại tần số cộng hưởng.
Hình 1.21, 1.22, 1.23 mô tả một số máy siêu âm trị liệu hiện nay:
40
Hình 1. 22 Máy SI190 của Hà Lan
41
CHƯƠNG II. THIẾT KẾ MÁY TRỊ LIỆU ĐA NĂNG SATL 1.0 2.1. Yêu cầu thiết kế
Đặc thù của công tác trị liệu sử dụng trong y tế đó là kết hợp trị liệu bằng kích thích điện hoặc kích thích bằng nhiệt vào huyệt. Do đó, máy trị liệu đa năng SATL 1.0 là một thiết bị y tế được thiết kế cho các phòng trị liệu, phục hồi chức năng trong các bệnh viện, trung tâm y tế hoặc trong gia đình… Máy tích hợp hai chức năng đó là kích thích điện và siêu âm trị liệu.
Máy có hai kênh ra, một kênh cho điện châm và một kênh cho đầu ra siêu âm. Ba chế độ phát xung của điện châm là xung cố định, xung ngắt quãng, xung co giãn có thể thay đổi biên độ và tần số xung. Do đó thích hợp với nhiều hình thức điều trị và với nhiều dạng bệnh nhân. Máy cũng có thể sử dụng nhiều dạng điện cực như điện cực kẹp kim để châm cứu hay điện cực dán dùng cho massage…Tần số ra cho siêu âm đáp ứng 1MHz với biên độ từ 30V đến 60V.
Hệ thống điều khiển xung ra bằng vi điều khiển, do đó rất mềm dẻo trong quá trình thay đổi các thông số. Mạch điện có cấu trúc gọn nhẹ, phần mềm có thể cập nhật đơn giản qua giao diện USART.
Ngoài ra máy còn có màn hình hiển thị tinh thể lỏng LCD 4 dòng x 20 cột để hiện thị menu và thông số hoạt động, giúp cho người sử dụng dễ dàng điều chỉnh các thông số cho từng bệnh nhân cũng như lưu giữ các thông số này cho các lần điều trị sau. Bàn phím được thiết kế đơn giản, dễ sử dụng. Có các phím để chọn chế độ hoạt động cho điện châm, các núm điều chỉnh cường độ điện châm và cường độ siêu âm.
2.2. Sơ đồ khối và hoạt động
2.2.1. Sơ đồ khối máy SATL 1.0
42
Hình 2. 1 Sơ đồ khối máy trị liệu SATL1.0
Khối nguồn là mạch cung cấp toàn bộ năng lượng cho máy. Khối nguồn chỉnh lưu điện lưới xoay chiều xuống các 1 chiều cung cấp cho các phần của máy hoạt động.Thực hiện giao tiếp với người dùng là khối điều khiển và hiển thị. Khối này nhận lệnh từ người dùng đưa tới khối Vi điều khiển, từ đó vi điều khiển đưa ra tín hiệu điều khiển các khối đầu ra điện châm và siêu âm. Các khối này tác động lên bệnh nhân thông qua các điện cực bệnh nhân và đầu phát siêu âm
2.2.2. Khối nguồn
Nhiệm vụ của mạch cung cấp nguồn là tạo ra năng lượng cần thiết để cung cấp cho các thiết bị làm việc. Thông thường nguồn năng lượng do bộ nguồn tạo ra là nguồn một chiều lấy từ nguồn xoay chiều hoặc từ pin acquy
Sơ đồ khối của nguồn hoàn chỉnh:
43
2.2.2.1. Các mạch chính trong khối nguồn
2.2.2.1.1. Mạch chỉnh lưu cầu
Hình 2. 3 Mạch chỉnh lưu cầu
Hình 2. 4 Đồ thị mạch chỉnh lưu cầu
Mạch chỉnh lưu dùng 4 Diode D1, D2, D3, D4 với biến áp nguồn không có điểm giữa và làm việc theo nguyên lý sau: Ở ½ chu kỳđầu của điện áp vào U2 có chiều dương trên âm dưới D1, D3 dẫn D2, D4 khóa có dòng qua tải:
+U2→D1→Rt→D3→-U2. Ở ½ chu kỳ sau thì ngược lại. Ta có điện áp trung bình trên tải được xác định
44
2.2.2.1.2 Máy biến áp
Máy biến áp có nhiệm vụ biến đổi nguồn điện áp AC 220V xuông nguồn điện áp AC với mức biên độ thấp hơn tùy thuộc vào từng yêu cầu cụ thể. Máy biến áp có thể dung loại lõi sắt từ hoặc loại lõi sắt Ferit, thông thường loại biến áp nguồn âm tần ta thường sử dụng loại biến áp có lõi là sắt từ. Hình vẽ cấu tạo và ký hiệu của biến áp nguồn âm tần được mô tả như hình 2.5
Hình 2. 5 Hình dáng máy biến áp cảm ứng
Phần sơ cấp và phần thứ cấp của máy biến áp có quan hệ về hiệu điện thế theo công thức sau:
=
Với Us là điện áp đặt vào cuộn thứ cấp, Up là điện áp đặt vào cuộn sơ cấp Ns là số vòng cuộn thứ cấp, Np là số vòng cuộn sơ cấp.
45
=
Công suất máy biến áp tính theo công thức:
= .
Nhưng do có tổn hao về từ trong quá trình truyền (làm nóng máy biến áp khi hoạt động) nên hiệu suất sử dụng của biến áp bị suy giảm, hiệu suất thực tế của biến áp là
=
Với biến áp âm tần ta có hệ số truyền đạt μ= 0.85 có nghĩa là 85% năng lượng sẽ truyền tải từ sơ cấp sang thứ cấp còn lại 15% năng lượng sẽ bị tiêu tán dạng nhiệt.
2.2.2.1.3 Cầu nắn
Điện áp sau khi qua biến áp vẫn là điện áp xoay chiều vì vậy ta phải biến đổi thành điện áp một chiều. Muốn vậy ta phải dung diode để thực hiền quá trình nắn điện xoay chiều thành điện áp một chiều. Dựa vào đặc tính dẫn điện của 2 lớp chất bán dẫn P-N(diode) mà ta có thể nắn điện áp từ xoay chiều thành một chiều.
Việc chỉnh lưu điện áp xoay chiều có nhiều phương pháp như ½ chu kỳ, cả chu kỳ, chỉnh lưu cầu, trong những loại đó lại có chỉnh lưu không điều khiển và có điều khiển.
Trong máy SATL 1.0, khối nguồn có chức năng tạo ra các điện áp một chiều từ điện xoay chiều cấp cho các mạch khác. Điện áp xoay chiều 220V được đưa vào sơ cấp biến áp nguồn. Tại đầu ra thứ cấp, điện áp xoay chiều 12V và 24V được đưa vào 2 mạch điện, một mạch điện tạo ra điện áp 15V, 12V, 5V cấp cho vi điều khiển và các mạch khuếch đại, một mạch tạo ra điện áp 30V thay đổi được cấp cho mạch siêu âm.
46
Mạch nguồn 15V, 12V và 5V
Hình 2. 6 Sơ đồ mạch nguồn 15V, 12V và 5V
Mạch nguồn này tạo điện áp +15V, +12V và +5V cấp cho vi điều khiển và các mạch khuếch đại. Điện áp vào mạch được lấy từ cuộn thứ cấp 12V xoay chiều của biến áp nguồn.Điện áp này được nắn qua cầu chỉnh lưu D1 và được lọc bởi tụ C2. Điện áp sau khi lọc có giá trị +15V được cấp cho IC khuyếch đại vi sai lối vào ở mạch ổn áp 30V. Điện áp +15V được đưa tới IC ổn áp U1, LM7812 là IC ổn áp 12V, điện áp +12V này được lọc bởi tụ C3 và C5. Điện áp +12V tạo ra bởi U1 được sử dụng cho mạch điện châm.Điện áp +12V được đưa tới IC ổn áp U3, LM7805 là IC ổn áp 5V. Lối ra của U3 được lọc bởi tụ lọc nguồn C4 và tụ lọc nhiễu C7. Điện áp +5V được sử dụng cho mạch vi điều khiển.
Tính điện áp: Giá trị Udc được đưa vào IC ổn áp 7812 là điện áp trung bình của mạch chỉnh lưu cầu: Thay vào có 12V= ∫ => Uₒ2= 18V 1 2 J1 12V Supply Vin 1 G N D 2 Vout 3 U1 LM7812 +12 C2 1000uF 25v A C 1 V + 2 A C 3 V - 4 D1 BRIDGE2 +15 C3 100uF C5 0.1uF Vin 1 G N D 2 Vout 3 U3 LM7805 C4 100uF C7 0.1uF +5 1 TP7 +5V
47
2.2.2.2. Mạch nguồn 30V
Mạch nguồn này tạo điện áp một chiều thay đổi được từ 10-30V cấp cho mạch công suất siêu âm.
Điện áp xoay chiều 24V từ thứ cấp biến áp được nắn qua cầu và lọc bởi tụ C1.Điện áp một chiều ra được đưa tới Q7, một phần đưa tới lối vào của IC khuếch đại so sánh LM 358.Điện áp ra trên Q7 được phản hồi về thông qua R1 và P1, đưa tới chân âm của LM358. Lối ra của LM358 được đưa vào chân base của Q8 để điều khiển đóng mở Q8. Khi điều chỉnh P1, điện áp phản hồi về sẽ được khuếch đại qua LM358, điện áp này làm Q8 mở ít hoặc nhiều, dẫn đến điện áp trên Colector của Q8 cao hoặc thấp hơn, hay điệp áp đặt trên Base của Q7 cao hoặc thấp đi. Do đó điện áp colector của Q7 hay điện áp ra thay đổi khi thay đổi P1.
Hình 2. 7 Sơ đồ mạch nguồn 30V
Điện áp ra của nguồn 30V được đưa về ADC của vi điều khiển thông qua điện trở R17 và R18. 1 2 J2 24V Supply A C 1 V + 2 A C 3 V - 4 D2 BRIDGE2 C1 1000uF 100v C6 0.1uF R1 4k7 P1 Biendo Sieu am R5 10K +30 D8 ZENER2 C13 10uF C12 0.1uF R16 1K R17 150K R18 10K A D C1 3 2 1 + 8 - 4 U2A LM358 +15 Q7 TIP42C Q8 C1815 R21 10k 1 TP1 +30V
48
2.2.3. Khối vi điều khiển
Đề tài của luận văn với mục tiêu nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy trị liệu đa năng có tính năng mềm dẻo đáp ứng yêu cầu cho điện châm và siêu âm trị liệu, có giao diện dễ sử dụng và thiết kế nhỏ gọn. Với các yêu cầu nêu trên, đề tài chọn lựa ATmega32, một loại vi điều khiển thông dụng, với tính năng thích hợp và đáp ứng được nhu cầu thiết kế một máy trị liệu đa năng. Các tính năng của ATmega32 rất nhiều, tuy nhiên trong luận văn này chỉ xin giới thiệu những vấn đề cơ bản của ATmega32, những phần ứng dụng trực tiếp cho thiết kế máy trị liệu đa năng như các bộ định thời trong việc tạo xung, bộ chuyển đổi ADC trong việc đo biên độ điện áp các xung ra và các cổng vào ra.
Khối vi điều khiển có chức năng chính là nhận các tín hiệu điều khiển từ bàn phím và từ biến trở, nhận tín hiệu điện áp từ các nguồn cấp cho mạch siêu âm và biên độ tín hiệu xung điện châm đưa vào ADC. Ngoài ra còn điều khiển LCD để hiển thị các chế độ hoạt động, các thông số hoạt động, tạo ra xung điện châm và xung siêu âm.
Lõi AVR gồm có 32 thanh ghi chung, tất cả các thanh ghi này đều nối trực tiếp với bộ số học - Logic ALU. Do đó, nó cho phép 2 thanh ghi độc lập có thể cùng được truy cập trong một lệnh trên một chu kỳ đồng hồ, làm tăng tốc độ hoạt động của vi điều khiển.
ATmega32 cung cấp 32KB bộ nhớ Flash, 1KB EEPROM, 2KB SRAM, 32 thanh ghi chung, 1 giao điện JTAG, ba bộ định thời/bộ đếm, lập trình và hỗ trợ gỡ rối On-chip, sử dụng cả ngắt trong và ngắt ngoài, một cổng nối tiếp USART, một ADC 8 kênh 10 bit, một bộ định thời kiểm tra với bộ dao động trong, một cổng nối tiếp SPI.
49
Hình 2. 8 Mạch vi điều khiển trong máy SATL1.0
Khối vi điều khiển với phần tử chính là vi điều khiển ATmega32. Vi điều khiển này được nối các thành phần khác như sau: mạch sử dụng thạch anh 12MHz làm xung đồng hồ. Thạch anh được đấu vào chân XTAL1 và XTAL2 của vi điều khiển. Các cổng từ PA0-PA3, PA5, PB6-PB7 được kết nối trực tiếp với các phím điều khiển dạng công tắc nhấn.Cổng PA6-PA7 được sử dụng cho lối vào của ADC. PB0- PB4 sử dụng điều khiển các LED sử dụng trong báo hiệu. PB5-PB7 sử dụng cho giao tiếp máy tính trong lập trình vi điều khiển. PORTC được sử dụng điều khiển LCD. PD5 là lối ra bộ đếm 1, sử dụng là lối ra của xung điện châm. PD6 điều khiển đèn Backlight cho LCD. PD7 là lối ra bộ đếm 2, sử dụng là lối ra của xung siêu âm.
R6 10K VREF +5 +5 C8 0.1uF C9 0.1uF Y1 12Mhz C10 22pF C11 22pF +5 RESET 9 XTAL1 13 XTAL2 12 AVCC 30 AREF 32 VCC 10 GND 11 GND 31 (ADC0) PA0 40 (ADC1) PA1 39 (ADC2) PA2 38 (ADC3) PA3 37 (ADC4) PA4 36 (ADC5) PA5 35 (ADC6) PA6 34 (ADC7) PA7 33 (XCK/T0) PB0 1 (T1) PB1 2 (INT2/AIN0) PB2 3 (OC0/AIN1) PB3 4