TTF硬件系统设计

TTF硬件部分

1. 摘要

• 首先介绍肿瘤电场治疗系统的设计目标和系统架构。
• 然后介绍了该系统的硬件模块设计 ，包括治疗信号发生器、 治疗信号放大器、 电源管理模块、 负反馈调节模块以及 新型治疗电极的设计。
• 接着介绍了该系统的嵌入式软件设计， 包括显示模块设计、 DDS芯片软件调控设计 以及负反馈调节控制器的嵌入式设计。

2. 设计目标

设计一款能用于动物实验和细胞实验的肿瘤电场治疗原型系统。

2.1 性能指标

输出信号频率下限需要至少小于100 kHz，频率上限大于300 kHz，而目标位置的电场强度取决于信号的摆幅和作用目标的结构与电学特性，根据需求，信号的最大幅度（峰峰值）至少大于30 Vpp。

肿瘤电场治疗在临床上应用的参数是中频（100~300 kHz）和低强度（1~3 V/cm）。

2.2 功能指标

①、频率、幅度可调；

②、有监测模块监测输出信号，实时进行负反馈调节；

③、电极材料具有生物相容性。

3. 硬件模块设计

graph TD;
    硬件模块-->治疗信号发生器;
    硬件模块-->治疗电极模块;
    治疗信号发生器-->电源模块;
    治疗信号发生器-->信号发生器模块;
    治疗信号发生器-->信号放大模块;
    治疗信号发生器-->实时信号采样模块;
    治疗信号发生器-->电场方向切换模块

3.1 电源模块

整体系统选择220 V市电供电，基于变压器和整流桥实现直流电源[39]，通过LM317和LM337可调三端稳压器实现直流电压的调控和稳压。

LM317芯片的输出电压范围在1.25 V到37 V，输出电流超过1.5 A；LM337芯片的输出电压范围-1.2 V到-37 V，输出电流超过-1.5 A。

[39] Siebert A, Troedson A, Ebner S. AC to DC power conversion now and in the future[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2002, 38(4): 934-940.

1、基于变压器和整流桥实现的第一级直流电源

输出直流电压的大小去取决于变压器的线圈匝数比和整流桥部分压降。经过桥式整流后将正负直流电压输入到三端稳压器，输出可调且稳定的直流电压。

（具体：输入220V，输出36V）

2、基于LM317和LM337实现的基本稳压输出电路

调节$R_{ADJ1}$和$R_{ADJ2}$得到$±20V$直流电压。

3、通过MP2307降压稳压器实现单片机和部分芯片的供电

MP2307是一款输入电压范围在4.75 V到23 V之间的降压稳压器，可调输出在0.925 V到20 V之间，工作电流可达3 A。本次系统中选择10 kΩ，因此为了得到1.6 V、3.3 V和5 V的直流输出，$R_1$分别取7.30 kΩ、25.7 kΩ和44.1 kΩ。

$$V_{OUT}=0.925×\frac{R_1+R_2}{R_2}$$

4、通过ICL7660芯片产生-5V直流电压

极性反转电源转换器ICL7660的输入电压范围为1.5 V到10 V，可以通过ICL7660芯片来产生-5 V直流电压，输入电压为5 V直流电压。

3.2 治疗信号发生器

1、基于相位直接合成所需波形的仪器称为直接数字频率合成器（Direct Digital Synthesizer，DDS）

DDS主要包括相位累加器（Phase Accumulator）、频率控制字（Tuning Word）、查找表（Look-up Table）、数/模转换器（D/A Converter）和低通滤波器（Low-pass Filter）组成。

2、由于DDS芯片的输出电压较低，且为了实现幅度可调的目的，需要加入一级增益可调的电压放大器。

左图$C_1$和$R_1$可以组成高通滤波器。

右图为使用数字电位器$R_{ADJ1}$和运放实现的可调增益放大器。

3.3 治疗信号放大器

基于高压运放实现的信号放大

由于运放增益带宽积的限制，运放芯片在肿瘤电场治疗的频率上限中增益有限，因此使用两级运放实现，通过降低增益来提高带宽。

第一级使用OPA637运放，第二级使用LTC6090放大器。

3.4 负反馈调节模块

负反馈调节模块的作用是采样到实际的输出电压，将实际电压与设定电压进行比较，当输出电压大于设定电压时，调节数字电位器，降低可调增益电压放大模块的电压增益；当输出电压小于设定电压时，提高可调增益电压放大模块的电压增益。

基于运放实现的同相加法器，作用是将直流偏置为0 V的正弦信号提高到1.6 V。

3.5 新型治疗电极设计

4. 嵌入式软件设计

此部分涉及了治疗参数的显示，DDS芯片的初始化和驱动，实际输出电压采样和输出调节。使用的单片机为STM32F103C8T6。

4.1 显示模块设计

显示屏模块选用1.44寸的彩色液晶屏TFT（Thin Film Transistor）显示器，使用了ST7735芯片。

ST7735是一款用于18位色、图形型单芯片控制器/驱动器，能够直接连接到外部微处理器，并接受串行外围接口（Serial Peripheral Interface，SPI），以及8位/9位/16位/18位并行接口。显示数据可以存储在片上132´162´18 bits的随机存储器（Random Access Memory，RAM）中。

1、初始化：一方面是对STM32F103C8T6的GPIO口进行初始化，选择小于18 MHz的时钟作为SPI的时钟源，为SCL、SDA、RES、DC和CS口选择输出的GPIO口，GPIO口模式选择推挽输出模式（GPIO_Mode_Out_PP）。另一方面是对ST7735芯片进行初始化，通过SPI写入初始化数据，包括帧数、上下电的时序、颜色模式、RAM节能模式、显示使能等。

2、写RAM：基础是写单个点的颜色信息，包括通过SPI写位置信息和颜色信息两步。

4.2 DDS芯片应用的嵌入式设计

DDS芯片型号是AD9833。

1、初始化：芯片输出波形、频率设定；GPIO初始化；AD9833芯片初始化（通过SPI写入输出频率、初始相位和输出波形）。

2、输出幅度调节

4.3 负反馈调节控制器的嵌入式设计

分为采样计算和输出调节两个部分。

1、初始化：GPIO、ADC模式、DMA参数

2、ADC采样：C8T6的ADC的精度为12位，3.3 V电压划分为4096级，分辨率为0.806 mV。

3、治疗信号幅度计算：在存储数据的数组里的最大值和最小值的差值（$△V_{HL}$）再乘以分辨率就是实际采样的正弦波幅度，根据采样电路的结构（第一级分压系数$\alpha$和第二级电压放大倍数$\beta$）反推治疗信号的电压摆幅$V_{actual}$。

$$V_{actual}=\frac{△V_{HL}*0.806}{\alpha\beta}$$

4、数字电位器调节：通过改变数字电位器的阻值实现

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