基于SCA61T角度傳感器的醫(yī)用活檢槍角度儀設(shè)計(jì)

摘要：為了解決目前醫(yī)療用活檢槍沒有傾角測量與顯示裝置的缺陷，給出了采用角度傳感器SCA61T來在醫(yī)用活檢槍上增加角度測量和顯示的實(shí)現(xiàn)方法，同時(shí)對SCA61T角度傳感器及其與單片機(jī)的接口電路進(jìn)行了介紹，最后給出了采用中斷方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的部分程序。
關(guān)鍵詞：角度傳感器；醫(yī)療器械；活檢槍；角度測量

0 引言
    一般情況下，病灶經(jīng)過CT或超聲等檢測出來以后，還需要進(jìn)行取樣和病理分析才能夠得出結(jié)論。而活檢槍則是活檢病理學(xué)分析的重要工具，可廣泛應(yīng)用在腎穿刺、肝活檢、乳腺癌活檢、前列腺活檢以及肺活檢等方面。目前在檢測過程中使用的活檢槍有半自動和全自動兩種類型。但是，現(xiàn)有的活檢槍不管是半自動還是全自動，都沒有傾角測量和顯示裝置。對病灶的采樣大多都是依靠醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)和可視性檢查系統(tǒng)(如超聲、CT)來進(jìn)行判斷。因此，在活檢槍上增加角度測量和顯示，以便更好地檢測及化驗(yàn)微型病灶，增加診斷的可靠性和安全性，無疑是非常有意義的。本文給出了一種在活檢槍上增加角度儀的設(shè)計(jì)方法。

1 活檢槍角度儀的結(jié)構(gòu)原理
    本活檢槍角度儀的工作原理框圖如圖1所示。圖1中，角度傳感器SCA61T輸出的是角度的數(shù)字信號，該數(shù)字信號為串行數(shù)據(jù)，要經(jīng)過串／并轉(zhuǎn)換來將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)，然后通過單片機(jī)的并行口將數(shù)據(jù)輸入到單片機(jī)中進(jìn)行處理，之后冉送到LED顯示模塊將角度數(shù)據(jù)顯示出來。系統(tǒng)中的SCA61T角度傳感器所需要的觸發(fā)脈沖信號一般可以由單片機(jī)來控制產(chǎn)生。

    根據(jù)醫(yī)院活檢槍的測量要求，角度儀中的傳感器可用芬蘭VTI公司的角度傳感器SCA61T，串并轉(zhuǎn)換和邏輯序列發(fā)生器可用軟件方法實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)運(yùn)算、控制顯示采用單片機(jī)AT89S52來完成，LED顯示模塊可采用四個數(shù)碼管來實(shí)現(xiàn)。

2 SCA61T角度傳感器
    VTI公司的角度傳感器SCA61T是由高質(zhì)量硅電容傳感器元件和接口電予組成，被裝配在特定的應(yīng)用包裝中。硅電容傾角傳感器的元件由單晶硅和玻璃做成的。這種設(shè)計(jì)能確保相對于時(shí)間和溫度的可靠性，優(yōu)異的準(zhǔn)確性和優(yōu)秀的穩(wěn)定性。SCA61T角度傳感器能承受多余40 000 g的加速度。
    SCA61T是一種基于3D MEMS的單軸傾角計(jì)，可提供水平測量儀表級別的性能。SCA61T傳感器的傳感元件在測量時(shí)需要與測量平臺保持平行，并且傳感器雙軸需相互垂直。這種傳感器對于振動不靈敏，因?yàn)樵趥鞲性?nèi)部增加了阻尼。圖2所示是基于3D MEMS傳感技術(shù)的SCA61T角度傳感器的外型結(jié)構(gòu)示意圖。

    SCA61T角度傳感器的核心部分是微機(jī)械加速度傳感器元件的對稱電容塊，它由三片相互被薄玻璃膜隔離的硅片組成。中間硅片是懸臂多射線式結(jié)構(gòu)，在它上面有一個大的質(zhì)量塊，電容和彈性系數(shù)能獨(dú)立的得到最佳結(jié)果。這正是SCA61T能在低g值量程內(nèi)取得很好測量結(jié)果的原因。有時(shí)候作用在硅片上的重力和加速的力量會使單晶硅電射束振蕩彎曲，這種偏差能被以兩金屬膜為電極的電容之間的距離變化測量出來。微機(jī)械片能使相對大的電容和電容變化的檢測變得相對容易。
    雙電容結(jié)構(gòu)和它的對稱性同時(shí)可改進(jìn)零點(diǎn)的穩(wěn)定性。發(fā)生在它們之中的一個電容中的任何變化都會使得對面電容中的相似變化得到補(bǔ)償。另外，對稱性能會導(dǎo)致交叉軸誤差較大。事實(shí)上，在VTI加速傳感器的裝配中，對稱性是由角度的準(zhǔn)確度而確定的。不同的量程一般由調(diào)節(jié)弦片的厚度來實(shí)現(xiàn)。傳感器元件的濕度由密封洞穴中的壓力所決定，此密封洞穴由中間硅片、弦片和外層硅片構(gòu)成?？梢酝ㄟ^調(diào)整傳感器元件來滿足不同用途的需要，密封性是通過陽極與硅片牢固粘合實(shí)現(xiàn)的。這樣也省去了額外包裝的需要，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。[!--empirenews.page--]
    當(dāng)SCA61T傳感器靜止時(shí)，作用在它上面的只有重力加速度。重力和傾角傳感器靈敏軸之間的夾角就是其傾斜角。故其刪量范圍為-90°～+90°。SCA61T的輸出信號有模擬和數(shù)字兩種，其中數(shù)字信號為11位，該數(shù)字信號的精度可以達(dá)到0．088度，完全能夠滿足醫(yī)用活檢槍所要求的0.1度。并且，該傳感器還內(nèi)置溫度補(bǔ)償系統(tǒng)，可以直接寫入和讀取溫度數(shù)據(jù)，還可以進(jìn)行自檢。表1所列為SCA61T的控制功能表。

    要使活儉槍角度儀中得到角度的數(shù)字信號，根據(jù)表1可知，要在SPI口輸入的控制命令數(shù)據(jù)為00010000。SPI接口共有三根線：一是時(shí)鐘線(SCK)；二是主出從入線，即MOSI；三是主入從出線，即MISO。這三根線和片選信號線(CSB)必須嚴(yán)格按照圖3所示的時(shí)序進(jìn)行操作，才能使傳感器芯片正常工作。如果時(shí)序錯誤，SCA61T不但不會工作，有時(shí)候甚至有可能將傳感器芯片SCA61T燒壞。

    圖3中，片選信號CSB為低電平有效。但是，要輸出穩(wěn)定可靠的信號，每次測量CSB都要保持高電平至少150 μs。然后在時(shí)鐘信號SCK的上升沿觸發(fā)數(shù)據(jù)寫入，下降沿對觸發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。在這種情況下，可以看出，要想獲得某一時(shí)刻的角度數(shù)據(jù)，至少需要19個時(shí)鐘脈沖。因此，為了節(jié)約功耗，在不需要讀數(shù)據(jù)的時(shí)候，可以通過拉高片選信號CSB來使傳感器芯片處于休眠狀態(tài)，這樣既可以降低功耗，又可以保護(hù)傳感器芯片SCA61T的安全。

3 單片機(jī)與SCA61T的接口連接
    本系統(tǒng)中的單片機(jī)可選用廉價(jià)的AT89S52，單片機(jī)的P1口作為數(shù)據(jù)輸出口連接到LED顯示器，用于對采集到的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。P3.0口接SCA61T的2腳，用于接收傳感器輸出的數(shù)字信號。P3．1口接SCA61T傳感器的1腳，用于產(chǎn)生傳感器芯片的時(shí)鐘脈沖。P2．7腳接SCA61T芯片的3腳，用于給SCA61T提供控制信號，以控制芯片的相關(guān)工作。剩下的P2．7、P3．0、P3．1腳與SCA61T的SPI接口相連，可用于完成對傳感器芯片的控制、驅(qū)動和對角度數(shù)據(jù)的采集。SCA61T傳感器和單片機(jī)AT89S52的連接電路如4所示。

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4 系統(tǒng)軟件模塊設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)的軟件程序中的數(shù)據(jù)計(jì)算和處理過程可采用部分查表的方法來完成。在數(shù)據(jù)的計(jì)算過程中，傳感器芯片的片選信號要始終保持高電平，以便為下次讀取數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備。在整個數(shù)據(jù)的讀取過程中，可用定時(shí)器來控制方波信號作為傳感器的時(shí)鐘信號，傳感器讀入數(shù)據(jù)采用上升沿觸發(fā)方式，傳感器輸出數(shù)據(jù)采用下降沿觸發(fā)方式。但在操作上必須保證方波的同步，這樣可以避免信號的丟失。
    由于活檢槍傾角儀中要寫入傳感器的數(shù)據(jù)為8 b的傳感器工作狀態(tài)選擇信號，而要讀取的數(shù)據(jù)為11 b的串行傾角數(shù)據(jù)，所以，程序中需要設(shè)計(jì)一個19位的不斷循環(huán)的脈沖時(shí)鐘信號。
    單片機(jī)在對傳感器采集的角度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，即可送往LED進(jìn)行顯示。對于顯示的驅(qū)動和控制方法可以采用順序查詢方法，也可以采用中斷方法。兩種顯示方法各有好處，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況來選擇采用，以便達(dá)到最好的效果。本設(shè)計(jì)采用中斷方法。其部分?jǐn)?shù)據(jù)處理程序如下：
   
   

5 結(jié)語
    活檢槍是活檢病理學(xué)分析的重要工具，可廣泛應(yīng)用在腎穿刺、肝活檢、乳腺癌活檢、前列腺活檢以及肺活檢等方面。為了彌補(bǔ)現(xiàn)有活檢槍不管是半自動還是全自動，都沒有傾角測量和顯示裝置的不足，本文給出了采用角度傳感器SCA61T來在醫(yī)用活檢槍上增加角度測量和顯示裝置的實(shí)現(xiàn)方法。該活檢槍角度儀的精度可以達(dá)到0．1度，完全可以達(dá)到醫(yī)用活檢槍的測量標(biāo)準(zhǔn)。該裝置不僅能方便醫(yī)生的使用，而且可使病理取樣更加精確，同時(shí)也提高了病理診斷的準(zhǔn)確性和安全性。