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首页基于模糊神经网络的自动跟踪超声治疗仪设计提升治疗效果
本文主要探讨了基于神经网络控制的自动跟踪锁频超声治疗仪的设计。随着医学研究对超声治疗的广泛应用,传统的超声治疗仪在工作效率、便携性、价格等方面存在局限,特别是压电超声换能器的谐振频率易受环境因素影响,导致治疗效果不理想。针对这些问题,研究者提出了一种创新解决方案。 该设计的核心是采用了模糊神经网络PID控制算法,以STM32F103C8T6微控制器为基础。设计的关键在于利用压电超声换能器的逆压电效应和电压反馈机制,通过扫频技术收集换能器两端的电压数据,并实时进行分析。通过建立的模糊神经网络PID模型,系统可以精确地识别出最佳的谐振频率,确保压电换能器始终保持在工作谐振点上,从而稳定输出功率和治疗波形。 作者使用MATLAB/Simulink等专业软件进行仿真和实验验证,通过前后对比模糊神经网络PID控制下的自动跟踪锁频性能,结果显示治疗仪具有极高的频率跟踪精度,输出频率稳定,治疗效果显著提升。此外,该治疗仪具有成本效益高、便携式的特点,特别适合家庭使用,患者可以自行操作,有助于减轻疼痛和肌肉紧张。 文章的关键词包括:超声治疗仪、自动跟踪锁频、模糊神经网络、扫频以及压电超声换能器。整体来看,这项研究不仅解决了超声治疗仪的实际问题,还具有很高的创新性和实用价值,为提高超声治疗的效率和用户体验提供了新的可能。未来,这种技术有望推动超声治疗设备的发展,使得更多人能够受益于这项先进的医疗技术。
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⑤设计电源模块,为系统的各个功能模块供电;
⑥使用 C 语言完成整个系统的程序编写,驱动各个模块之间相互协调工作,主要
包括扫频、模糊神经网络 PID 控制算法建立数学模型、ADC 采集信号进行反馈等各个
部分程序的编写;
⑦使用 MATLAB 软件及其他专业软件进行测试实验,并且搭建超声治疗仪实验样
机进行整机与各功能测试,验证设计方案能够满足设计需求。测试工作包括对系统的
硬件和软件的测试分析与调试以及加入模糊神经网络 PID 控制算法前后的自动频率跟
踪效果测试与对比。
⑧为防止因换能器空载导致能量堆积生热和防止治疗温度过高,设计空载保护电
路和过温保护电路,以实时监控和自动报警,并对其功能进行测试。
本文的章节安排如下:
第一章,绪论。主要叙述了本课题的研究来源、背景及研究意义。对本课题的三
个关键技术(超声治疗仪、自动跟踪锁频技术、模糊神经网络技术)的国内外研究现
状以及相关的文献研究进行分析。同时还介绍了主要研究内容和章节安排。
第二章,相关理论的研究。该部分介绍了不同的自动跟踪锁频技术的原理以及模
糊神经网络 PID 控制算法的相关理论。其中模糊神经网络 PID 控制算法理论主要分为
三个部分介绍。第一部分主要介绍了常规 PID 控制技术的基本原理、控制器的参数及
该技术局限性的相关理论。第二部分介绍了模糊 PID 控制算法的基础理论知识、模糊
控制器的五大设计流程及该技术的局限性。第三部分先引出人工神经网络技术,然后
介绍了加入模糊理论后的人工神经网络,即模糊神经网络的基本原理及系统的构造,
最后介绍了模糊神经网络控制理论。
第三章,超声治疗仪的设计。介绍了超声波进入人体组织内会产生的三大生物效
应的治疗机理。通过查阅超声治疗仪的相关参数指标以及关于研制超声治疗仪的国家
相关标准要求,从而确定本课题的超声治疗仪的技术指标。对系统的总体框架进行设
计,并按照硬件系统设计和软件系统设计两大部分分别进行详细介绍。
第四章,实验测试与结果分析。对整机、实验仪器以及实验测试环境进行介绍,
并在搭建的实验样机上进行整机与各功能的测试与分析,其中整机测试包括超声治疗
仪的输出频率和输出波形两个方面,验证本文研制的超声治疗仪的可行性。对超声治
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疗仪的自动跟踪锁频的跟踪效果进行测试,主要通过三种不同的算法进行跟踪效果的
测试,即未采用自动跟踪锁频、采用电压反馈式自动跟踪锁频以及模糊神经网络和电
压反馈式相结合的自动跟踪锁频技术对超声治疗仪进行频率跟踪与锁定。
第五章,总结与展望。对全文研究内容进行总结,介绍了本课题的创新之处并提
出进一步的工作展望和优化的方法。
1.5 本章小结
本章主要介绍了本课题研究的来源、背景与研究意义、国内外的研究现状的内
容,设计了一种基于模糊神经网络控制算法的自动跟踪锁频超声治疗仪。接着梳理了
本文主要研究内容以及阐述了对各个章节的安排情况。
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2.相关理论的研究
2.1 自动跟踪锁频技术的理论研究
2.1.1 自动跟踪锁频技术分类
自动跟踪锁频技术按照获得反馈信息途径分类可分为两类:声反馈和电反馈
[42]
。
声反馈是通过采集超声换能器输出的机械振动信息组成反馈信息进行频率跟踪的方
法。声反馈的自动跟踪锁频技术具有设计简单、成本低等优点,但由于超声换能器属
于敏感器件,容易受到环境等因素影响,导致自动跟踪锁频的效果不佳,同时连接机
械采集设备较费事,故应用较少。电反馈是将一定频率的波形输入到超声换能器,与
超声换能器发生谐振现象,通过采集超声换能器两端的电信号组成反馈信息的频率跟
踪的方法。电反馈方法连接电路简单、采集信息方便,效果较好。
电反馈频率跟踪又可以分为两大类:自激振荡方式和它激式振荡方式。其中自激
振荡方式是不需要外加信号源就可以自行振荡的方法,如差动变量桥式电路。它激式
振荡方式是完全依靠搭建的信号源驱动振荡的方法,如电流反馈式频率跟踪、最大功
率反馈式频率跟踪和锁相式频率跟踪。
2.1.2 不同自动跟踪锁频方法研究
目前,对于超声换能器的自动跟踪锁频技术有很多种,比如最大功率、最大电
流、模糊 PID 控制、快速傅里叶变换 FFT、锁相环 PLL(Phase Locked Loop)技术等
[43-47]
。
(1)电流反馈式自动跟踪锁频技术
电流反馈式频率跟踪是它激式振荡方式中的一种。这种振荡方式是通过主控模块
控制信号发生器输出一定频率的波形信号,由功率放大器将波形放大后驱动压电陶瓷
晶体片振荡。而反馈信号是采集压电陶瓷晶体片两端的电流信号。反馈机制的具体工
作流程:利用主控模块中的 ADC 功能模块对压电陶瓷晶体片两端电流信号进行采样,
通过搭建的数学模型进行一定的分析和处理,找到最大电流有效值,即找到对应的压
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电陶瓷晶体片的谐振点。将谐振点频率发送到主控模块,驱动信号发生模块发送波形
信号对压电陶瓷晶体片的工作频率进行调节,实现自动跟踪锁频。
由压电超声换能器的压电效应特征可知:在串联谐振状态下,压电超声换能器的
阻抗最小,回路电流最大,振幅大小近似正比于电流大小
[48]
。因此,当信号发生器的
超声输出频率等于压电超声换能器的谐振频率时就会发生机械谐振,再通过采集最大
电流值即可找到匹配的谐振频率。此时,压电超声换能器的功耗最小、振幅最大、电
能利用率最高。该技术具有设计简单、易于控制的优点,但也存在跟踪点不固定、跟
踪速度慢的问题。电流反馈频率跟踪原理框图如图 2-1:
图 2-1 电流反馈频率跟踪原理框图
Fig.2-1 Principle of current feedback frequency tracking
(2)电压反馈式自动跟踪锁频技术
电压反馈式频率跟踪也是它激式振荡方式中的一种。采用这种方法的系统电路以
采集压电超声换能器两端的电压信号作为反馈信号,在采集的电压信号中找到最大
值,即找到对应压电超声换能器的谐振状态。主控模块控制信号发生器输出对应谐振
频率的激励信号,以实现自动跟踪的目的。这种频率跟踪的方法原理简单、成本低且
容易控制与实现,缺点是跟踪时间长。
由压电超声换能器的逆向压电效应特征可知:在串联谐振状态下,压电超声换能
器阻抗最小,此时压电超声换能器运行的功率达到最大值,其两端的电压达到最大
值。因此通过采集最大电压值即可找到对应的谐振频率。此时,压电超声换能器的功
耗最小、电能利用率最高。最大电压式反馈频率跟踪原理框图如图 2-2。
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