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現(xiàn)方法，同時對SCA61T角度傳感器及其與單片機的接口電路進行了介紹，最后給出了采用中斷方法對數(shù)據(jù)進行處理的部分程序。
關鍵詞：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，還需要進行取樣和病理分析才能夠得出結論。而活檢槍則是活檢病理學分析的重要工具，可廣泛應用在腎穿刺、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)驗和可視性檢查系統(tǒng)(如超聲、CT)來進行判斷。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計方法。

1 活檢槍角度儀的結構原理
    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／并轉換來將串行數(shù)據(jù)轉換成并行數(shù)據(jù)，然后通過單片機的并行口將數(shù)據(jù)輸入到單片機中進行處理，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，串并轉換和邏輯序列發(fā)生器可用軟件方法實現(xiàn)，數(shù)據(jù)運算、控制顯示采用單片機AT89S52來完成，LED顯示模塊可采用四個數(shù)碼管來實現(xiàn)。

2 SCA61T角度傳感器
    VTI公司的角度傳感器SCA61T是由高質量硅電容傳感器元件和接口電予組成，被裝配在特定的應用包裝中。硅電容傾角傳感器的元件由單晶硅和玻璃做成的。這種設計能確保相對于時間和溫度的可靠性，優(yōu)異的準確性和優(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，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，因為在傳感元件內部增加了阻尼。圖2所示是基于3D MEMS傳感技術的SCA61T角度傳感器的外型結構示意圖。

    SCA61T角度傳感器的核心部分是微機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構，在它上面有一個大的質量塊，電容和彈性系數(shù)能獨立的得到最佳結果。這正是SCA61T能在低g值量程內取得很好測量結果的原因。有時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。
    雙電容結構和它的對稱性同時可改進零點的穩(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償。另外，對稱性能會導致交叉軸誤差較大。事實上，在VTI加速傳感器的裝配中，對稱性是由角度的準確度而確定的。不同的量程一般由調節(jié)弦片的厚度來實現(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、弦片和外層硅片構成?？梢酝ㄟ^調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現(xiàn)的。這樣也省去了額外包裝的需要，提高了產(chǎn)品的質量和可靠性。
    當SCA61T傳感器靜止時，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，該傳感器還內置溫度補償系統(tǒng)，可以直接寫入和讀取溫度數(shù)據(jù)，還可以進行自檢。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)必須嚴格按照圖3所示的時序進行操作，才能使傳感器芯片正常工作。如果時序錯誤，SCA61T不但不會工作，有時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)進行讀取。在這種情況下，可以看出，要想獲得某一時刻的角度數(shù)據(jù)，至少需要19個時鐘脈沖。因此，為了節(jié)約功耗，在不需要讀數(shù)據(jù)的時候，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，又可以保護傳感器芯片SCA61T的安全。

3 單片機與SCA61T的接口連接
    本系統(tǒng)中的單片機可選用廉價的AT89S52，單片機的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、驅動和對角度數(shù)據(jù)的采集。SCA61T傳感器和單片機AT89S52的連接電路如4所示。

4 系統(tǒng)軟件模塊設計
    本系統(tǒng)的軟件程序中的數(shù)據(jù)計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)做準備。在整個數(shù)據(jù)的讀取過程中，可用定時器來控制方波信號作為傳感器的時鐘信號，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，程序中需要設計一個19位的不斷循環(huán)的脈沖時鐘信號。
    單片機在對傳感器采集的角度數(shù)據(jù)進行處理后，即可送往LED進行顯示。對于顯示的驅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，設計時應根據(jù)具體情況來選擇采用，以便達到最好的效果。本設計采用中斷方法。其部分數(shù)據(jù)處理程序如下：
   
   

5 結語
    活檢槍是活檢病理學分析的重要工具，可廣泛應用在腎穿刺、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現(xiàn)方法。該活檢槍角度儀的精度可以達到0．1度，完全可以達到醫(yī)用活檢槍的測量標準。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，同時也提高了病理診斷的準確性和安全性。