基于低功率超声的艾灸有效成分透皮给药仪设计.pdfVIP

摘要

中医艾灸拥有千年的历史传承，是中华民族传统智慧的结晶。艾灸一般通

过热、光和药等对人体产生作用，然而传统施灸方式耗时耗力，同时产生的艾

烟含有大量可能对人的健康带来负面影响的物质，其安全性一直备受争议。目

前在模拟艾灸药效应上缺少专用仪器，亟需研制艾灸有效成分透皮给药仪以填

补这项空白。

超声透皮给药作为透皮给药领域的重要方法之一，具有便于操控和精确定

量等优点。为了确定透药效果最优的超声条件，基于对低功率超声艾灸有效成

分的透皮给药机制的归纳分析，以增强超声空化作用，提升透药效果作为出发

点，设计了艾灸有效成分透药实验的各个环节，包括低功率超声给药实验系统

的搭建，超声换能器主要参数的确定等部分，以探究不同超声参数对透药效果

的影响。艾灸有效成分超声透药实验结果表明，对于导入时间而言，其与透药

效果基本为正比关系；对于超声频率而言，在所选频段内，同一时间下大致呈

先上升后下降的趋势，艾灸有效成分透皮给药表现出了对超声频率的选择性。

另外，透药效果较佳的超声频率为100kHz，可为透药仪的电源设计提供参考。

根据低功率超声透药实验所确定的条件选定合适参数，设计了超声换能器

功率驱动方案以实现稳定的超声激励信号的输出。设计了基于STM32的超声

电源系统。对于硬件设计，主控模块电路主要包括微控制器选型、单片机最小

系统开发等部分；为提供频率、占空比和幅值可调的正弦波电压信号，信号发

生模块的设计利用了直接数字频率合成技术，以AD9833配合MCP41010的电

路设计输出符合要求的正弦信号；为提高激励信号的带负载能力，功率放大模

块选择OPA544结合OPA445的两级放大设计，可以提供不超过30W的功率超

声激励信号。软件设计包括信号发生、占空比调整等核心任务的执行程序设计，

以及人机交互模块的界面与串口通信的实现等设计。信号发生模块的测试结果

表明，模块产生的不同频率且占空比和幅值可调的信号质量达标。

研制了一套艾灸有效成分透皮给药仪样机系统。为了减少输出信号的毛刺，

对整体电路作进一步的改进，使用TS5A23157优化占空比调整环节的设计，同

时保留了幅值调整电路，以更好地模拟不同的灸法施灸过程。对该系统进行功

能验证实验，设置了不同的测试方案测试样机输出的超声激励信号，测试结果

表明，使用了改进的电源设计后，系统的动态响应得到了有效改善，样机输出

的信号毛刺减少；考察了样机输出信号的频率波动情况，测试结果表明，对于

不同占空比的100kHz信号，频率波动范围不超过1kHz，具备较好的频率稳定

性，验证了系统整体设计方案的可行性。经综合调试后的超声艾灸有效成分透

药仪样机的各项指标符合设计要求，可为仿艾智能设备的研制工作提供指导。

关键词：中医艾灸；透皮给药仪；低功率超声；微控制器

Keywords:traditionalChinesemedicinemoxibustion,transdermaldrugdelivery

device,lowpowerultrasound,microcontroller

目录

摘要I

AbstractIII

第1章绪论1

1.1课题研究的目的和意义1

1.2国内外研究现状2

1.2.1艾灸治疗机理及应用研究现状2

1.2.2超声透药技术研究现状4

1.2.3超声电源系统研究现状8

1.3本文的主要研究内容10

第2章低功率超声艾灸有效成分透药实验研究11

2.1引言11

2.2低功率超声透药的机制及影响因素11

2.3超声空化泡运动模型12

2.4低功率超声透药实验设计14

2.5超声换能器主要参数确定方法16

2.6超声促渗实验流程与结果分析19

2.6.1影响因素为超声频率的透药实验19

2.6.2艾灸有效成分透药实验结果分析21

2.7本章小结25

第3章超声艾灸有效成分透药仪的电源设计26

3.1引言26

3.2超