基于SCA61T角度传感器的医用活检枪角度仪设计

摘要：为了解决目前医疗用活检枪没有倾角测量与显示装置的缺陷，给出了采用角度传感器SCA61T来在医用活检枪上增加角度测量和显示的实现方法，同时对SCA61T角度传感器及其与单片机的接口电路进行了介绍，最后给出了采用中断方法对数据进行处理的部分程序。
关键词：角度传感器；医疗器械；活检枪；角度测量

0 引言
    一般情况下，病灶经过CT或超声等检测出来以后，还需要进行取样和病理分析才能够得出结论。而活检枪则是活检病理学分析的重要工具，可广泛应用在肾穿刺、肝活检、乳腺癌活检、前列腺活检以及肺活检等方面。目前在检测过程中使用的活检枪有半自动和全自动两种类型。但是，现有的活检枪不管是半自动还是全自动，都没有倾角测量和显示装置。对病灶的采样大多都是依靠医生的经验和可视性检查系统(如超声、CT)来进行判断。因此，在活检枪上增加角度测量和显示，以便更好地检测及化验微型病灶，增加诊断的可靠性和安全性，无疑是非常有意义的。本文给出了一种在活检枪上增加角度仪的设计方法。

1 活检枪角度仪的结构原理
    本活检枪角度仪的工作原理框图如图1所示。图1中，角度传感器SCA61T输出的是角度的数字信号，该数字信号为串行数据，要经过串／并转换来将串行数据转换成并行数据，然后通过单片机的并行口将数据输入到单片机中进行处理，之后冉送到LED显示模块将角度数据显示出来。系统中的SCA61T角度传感器所需要的触发脉冲信号一般可以由单片机来控制产生。

    根据医院活检枪的测量要求，角度仪中的传感器可用芬兰VTI公司的角度传感器SCA61T，串并转换和逻辑序列发生器可用软件方法实现，数据运算、控制显示采用单片机AT89S52来完成，LED显示模块可采用四个数码管来实现。

2 SCA61T角度传感器
    VTI公司的角度传感器SCA61T是由高质量硅电容传感器元件和接口电予组成，被装配在特定的应用包装中。硅电容倾角传感器的元件由单晶硅和玻璃做成的。这种设计能确保相对于时间和温度的可靠性，优异的准确性和优秀的稳定性。SCA61T角度传感器能承受多余40 000 g的加速度。
    SCA61T是一种基于3D MEMS的单轴倾角计，可提供水平测量仪表级别的性能。SCA61T传感器的传感元件在测量时需要与测量平台保持平行，并且传感器双轴需相互垂直。这种传感器对于振动不灵敏，因为在传感元件内部增加了阻尼。图2所示是基于3D MEMS传感技术的SCA61T角度传感器的外型结构示意图。

    SCA61T角度传感器的核心部分是微机械加速度传感器元件的对称电容块，它由三片相互被薄玻璃膜隔离的硅片组成。中间硅片是悬臂多射线式结构，在它上面有一个大的质量块，电容和弹性系数能独立的得到最佳结果。这正是SCA61T能在低g值量程内取得很好测量结果的原因。有时候作用在硅片上的重力和加速的力量会使单晶硅电射束振荡弯曲，这种偏差能被以两金属膜为电极的电容之间的距离变化测量出来。微机械片能使相对大的电容和电容变化的检测变得相对容易。
    双电容结构和它的对称性同时可改进零点的稳定性。发生在它们之中的一个电容中的任何变化都会使得对面电容中的相似变化得到补偿。另外，对称性能会导致交叉轴误差较大。事实上，在VTI加速传感器的装配中，对称性是由角度的准确度而确定的。不同的量程一般由调节弦片的厚度来实现。传感器元件的湿度由密封洞穴中的压力所决定，此密封洞穴由中间硅片、弦片和外层硅片构成。可以通过调整传感器元件来满足不同用途的需要，密封性是通过阳极与硅片牢固粘合实现的。这样也省去了额外包装的需要，提高了产品的质量和可靠性。
    当SCA61T传感器静止时，作用在它上面的只有重力加速度。重力和倾角传感器灵敏轴之间的夹角就是其倾斜角。故其删量范围为-90°～+90°。SCA61T的输出信号有模拟和数字两种，其中数字信号为11位，该数字信号的精度可以达到0．088度，完全能够满足医用活检枪所要求的0.1度。并且，该传感器还内置温度补偿系统，可以直接写入和读取温度数据，还可以进行自检。表1所列为SCA61T的控制功能表。

    要使活俭枪角度仪中得到角度的数字信号，根据表1可知，要在SPI口输入的控制命令数据为00010000。SPI接口共有三根线：一是时钟线(SCK)；二是主出从入线，即MOSI；三是主入从出线，即MISO。这三根线和片选信号线(CSB)必须严格按照图3所示的时序进行操作，才能使传感器芯片正常工作。如果时序错误，SCA61T不但不会工作，有时候甚至有可能将传感器芯片SCA61T烧坏。

    图3中，片选信号CSB为低电平有效。但是，要输出稳定可靠的信号，每次测量CSB都要保持高电平至少150 μs。然后在时钟信号SCK的上升沿触发数据写入，下降沿对触发数据进行读取。在这种情况下，可以看出，要想获得某一时刻的角度数据，至少需要19个时钟脉冲。因此，为了节约功耗，在不需要读数据的时候，可以通过拉高片选信号CSB来使传感器芯片处于休眠状态，这样既可以降低功耗，又可以保护传感器芯片SCA61T的安全。

3 单片机与SCA61T的接口连接
    本系统中的单片机可选用廉价的AT89S52，单片机的P1口作为数据输出口连接到LED显示器，用于对采集到的测量数据进行显示。P3.0口接SCA61T的2脚，用于接收传感器输出的数字信号。P3．1口接SCA61T传感器的1脚，用于产生传感器芯片的时钟脉冲。P2．7脚接SCA61T芯片的3脚，用于给SCA61T提供控制信号，以控制芯片的相关工作。剩下的P2．7、P3．0、P3．1脚与SCA61T的SPI接口相连，可用于完成对传感器芯片的控制、驱动和对角度数据的采集。SCA61T传感器和单片机AT89S52的连接电路如4所示。

4 系统软件模块设计
    本系统的软件程序中的数据计算和处理过程可采用部分查表的方法来完成。在数据的计算过程中，传感器芯片的片选信号要始终保持高电平，以便为下次读取数据做准备。在整个数据的读取过程中，可用定时器来控制方波信号作为传感器的时钟信号，传感器读入数据采用上升沿触发方式，传感器输出数据采用下降沿触发方式。但在操作上必须保证方波的同步，这样可以避免信号的丢失。
    由于活检枪倾角仪中要写入传感器的数据为8 b的传感器工作状态选择信号，而要读取的数据为11 b的串行倾角数据，所以，程序中需要设计一个19位的不断循环的脉冲时钟信号。
    单片机在对传感器采集的角度数据进行处理后，即可送往LED进行显示。对于显示的驱动和控制方法可以采用顺序查询方法，也可以采用中断方法。两种显示方法各有好处，设计时应根据具体情况来选择采用，以便达到最好的效果。本设计采用中断方法。其部分数据处理程序如下：
   
   

5 结语
    活检枪是活检病理学分析的重要工具，可广泛应用在肾穿刺、肝活检、乳腺癌活检、前列腺活检以及肺活检等方面。为了弥补现有活检枪不管是半自动还是全自动，都没有倾角测量和显示装置的不足，本文给出了采用角度传感器SCA61T来在医用活检枪上增加角度测量和显示装置的实现方法。该活检枪角度仪的精度可以达到0．1度，完全可以达到医用活检枪的测量标准。该装置不仅能方便医生的使用，而且可使病理取样更加精确，同时也提高了病理诊断的准确性和安全性。