紅外偏振光治療儀的光源控制技術(shù)

王婉 劉敏 劉振洗

摘要：本文首先介紹了紅外偏振光治療儀光源控制模塊的硬件設(shè)計(jì)方案，主要包括光源控制模塊的組成及實(shí)現(xiàn)方法。然后講解了光源控制各子模塊的軟件設(shè)計(jì)，詳細(xì)描述了數(shù)字電位器改變光功率大小的控制過程;間斷模式治療時(shí)通過改變MCU的I/O口電平實(shí)現(xiàn)光源的接通、斷開處理，使用MCU的計(jì)時(shí)器功能對光源的通、斷狀態(tài)進(jìn)行計(jì)時(shí);低溫環(huán)境時(shí)，在光源兩端生成階梯狀上升的電壓，解決電路中沖擊電流過大的問題;治療儀溫度過高時(shí)，溫控開關(guān)對設(shè)備的保護(hù)處理過程。最后，對紅外偏振光治療儀光源控制的研制成果進(jìn)行總結(jié)。

關(guān)鍵詞：紅外偏振光治療儀;光源控制;光功率;沖擊電流;過溫保護(hù)

0引言

紅外偏振光治療儀是一種將偏振光與近紅外光譜有效整合，作用于人體相應(yīng)的疼痛部位和穴位，實(shí)現(xiàn)臨床疼痛治療的儀器。采用最新光電技術(shù)，在波長為（0.6-1.6）um的范圍內(nèi)，輸出光波功率高達(dá)2.2 w，對人體組織的有效透射深度達(dá)5 cm以上，在治療上實(shí)現(xiàn)深淺組合，點(diǎn)面組合，可對人體炎癥、神經(jīng)性、創(chuàng)傷性疾患進(jìn)行有效的無創(chuàng)治療。

紅外偏振光治療儀是由日本東京醫(yī)研株式會社研制的新型光療儀器，由于該設(shè)備的高效治愈性及廣泛的應(yīng)用性而倍受青睞，在日本醫(yī)學(xué)各領(lǐng)域，獲得了很高的評價(jià)。紅外偏振光技術(shù)在中國還是屬于一種較新的技術(shù)，目前市場上只有幾家醫(yī)用紅外偏振光治療儀產(chǎn)品，家用市場尚屬空白。本文研制的新型家用紅外偏振光治療儀，是順應(yīng)當(dāng)前醫(yī)療產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢的新型家用光療儀器。

1硬件設(shè)計(jì)

紅外偏振光治療儀的關(guān)鍵技術(shù)就是光源控制，如圖1所示為光源控制模塊的硬件原理圖。光源控制模塊由醫(yī)療型適配器、主控電源、溫控開關(guān)、光控電源、數(shù)字電位器和外圍電路組成。適配器實(shí)現(xiàn)220 V AC-12 VDC的轉(zhuǎn)換，為整個(gè)系統(tǒng)供電。光控電源的ON/OFF端通過MCU的I/O口進(jìn)行關(guān)斷、接通控制，實(shí)現(xiàn)光源的間斷模式輸出;光控電源的輸出電壓由MCU控制的數(shù)字電位器進(jìn)行分檔調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)光功率的控制。溫控開關(guān)實(shí)現(xiàn)超溫保護(hù)功能，當(dāng)機(jī)殼內(nèi)部溫度超限時(shí)切斷光控電源供電，防止意外事故。光控電源的輸出電流過大時(shí)，保險(xiǎn)絲會切斷，對光源起到保護(hù)作用。

2軟件設(shè)計(jì)

紅外偏振光治療儀系統(tǒng)軟件是基于STM32平臺開發(fā)的，本系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)光源的光功率大小控制、通斷控制、預(yù)熱處理和過溫保護(hù)等功能。通過MCU控制數(shù)字電位器的輸出電阻，改變光控電源的輸出電壓，實(shí)現(xiàn)光功率大小控制;通過改變MCU的I/O口電平控制光控電源的ON/OFF端口，實(shí)現(xiàn)光源輸出的開啟和關(guān)閉;通過控制光源兩端的輸出電壓呈階梯狀上升實(shí)現(xiàn)光源預(yù)熱處理;通過采用外部中斷對溫控開關(guān)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測實(shí)現(xiàn)過溫保護(hù)功能。

2.1光功率調(diào)節(jié)

通過MCU控制AD5243數(shù)字電位器的輸出電阻，改變光控電源MQ7250的輸出電壓，實(shí)現(xiàn)光功率大小控制。

AD5243數(shù)字電位器兼容I²C通信接口，可以實(shí)現(xiàn)與機(jī)械電位計(jì)或可變電阻器一樣的電子調(diào)節(jié)功能。本文使用MCU P2個(gè)通用I/O端口模擬I²C總線接口，實(shí)現(xiàn)對數(shù)字電位器的讀、寫數(shù)據(jù)以及控制操作。

I²C總線是一種具備總線裁決和高低速器件同步功能的高性能串行總線。它只有兩根雙向信號線，即數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL。I²C總線接口數(shù)據(jù)通信協(xié)議部分的條件狀態(tài)主要包括I²C總線接口的起始條件、停止條件、應(yīng)答、無應(yīng)答、等待應(yīng)答等。

向AD5243寫數(shù)據(jù)：首先主機(jī)通過發(fā)送起始信號來啟動數(shù)據(jù)傳輸，即當(dāng)sCL為高電平時(shí)，SDA從高電平變?yōu)榈碗娖?。然后發(fā)送7位從地址，并等待確認(rèn)信號。接著發(fā)送通道編碼，選擇通過1或通道2，等待確認(rèn)信號。最后通過串行總線傳輸1個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，該總線具有9個(gè)時(shí)鐘脈沖的序列（8個(gè)數(shù)據(jù)位，然后是確認(rèn)位）。

從AD5243讀數(shù)據(jù)：與寫數(shù)據(jù)不同的是數(shù)據(jù)字節(jié)緊跟在從機(jī)地址字節(jié)的確認(rèn)信號之后。

當(dāng)讀取或?qū)懭胨袛?shù)據(jù)位后，由主機(jī)建立停止條件，即當(dāng)SCL為高電平時(shí)，SDA從低電平變?yōu)楦唠娖?。具體通信過程如圖2所示。

2.2光源通斷處理

為了增加治療效果，避免長時(shí)間照射人體組織易產(chǎn)生適應(yīng)性的缺點(diǎn)，家用型紅外偏振光治療儀設(shè)計(jì)兩種治療模式，分別是連續(xù)模式和周期模式。對于不同的治療模式，光源的輸出方式有所不同。

1）連續(xù)模式

連續(xù)模式照射時(shí)按設(shè)置參數(shù)一直輸出，中途不間斷照射。輸出功率強(qiáng)度分高、中、低三檔，治療時(shí)間分5、10、15min。

2）間斷模式

間斷模式按照射時(shí)間、間斷時(shí)間間隔運(yùn)行。輸出功率強(qiáng)度分高、中、低三檔，治療時(shí)間分5、10、15 min，固定照射時(shí)間為5 s，間斷時(shí)間為2 s。治療時(shí)，輸出功率可以改變。

針對間斷模式，通過改變MCU的I/O/Z/電平控制光控電源的ON/OFF端口，實(shí)現(xiàn)光源輸出的開啟和關(guān)閉。采用定時(shí)器H，對光源點(diǎn)亮階段和熄滅階段進(jìn)行計(jì)時(shí)，并在計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，處理光源開關(guān)和控制參數(shù)的改變，具體如圖3所示。

2.3光源預(yù)熱處理

紅外偏振光治療儀輸出的光功率在兩種治療模式下分三檔可調(diào)，通過改變光源兩端的輸出電壓實(shí)現(xiàn)光功率的調(diào)節(jié)。實(shí)際測試發(fā)現(xiàn)光源在冷態(tài)時(shí)實(shí)際電阻很低，如果開機(jī)瞬間直接在光源兩端加上目標(biāo)電壓，電路會產(chǎn)生很高的沖擊電流，使電源模塊產(chǎn)生過流保護(hù)而關(guān)斷供電，光源無法點(diǎn)亮。測試結(jié)果如圖4所示，其中綠線表示電流，黃線表示電壓。因此考慮對光源兩端加上一系列階梯形上升的電壓，每個(gè)階梯電壓保持固定時(shí)間，光源經(jīng)過預(yù)熱電阻逐步提高。這樣使光源從較低的安全電壓啟動，逐級提高到目標(biāo)電壓，在每一級電壓有足夠的時(shí)間使沖擊電流降低，起到限流的作用，從而降低沖擊電流對電路的影響并且延長了光源的使用壽命。測試結(jié)果如圖5所示，通過逐級增壓方式，電流逐級降低，最后保持平穩(wěn)。

2.4過溫保護(hù)

紅外偏振光治療儀發(fā)出的光波透射到人體組織內(nèi)被吸收，但是人體對外界的認(rèn)識刺激都是有感知的，會有耐熱范圍，治療時(shí)不能超過人體所能承受的最高溫度。選用溫控開關(guān)安放在高分子碘光源附近，及時(shí)感知設(shè)備內(nèi)部溫度，溫度一旦超過了標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的限值，溫度過載保護(hù)裝置就應(yīng)啟動，進(jìn)而切斷光源供電，發(fā)出警報(bào)，對患者起到安全保護(hù)作用。

采用外部中斷對溫控開關(guān)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，GPIO用作外部中斷（EXTI）源的輸入端，通過GPIO檢測輸入脈沖，引起中斷事件，打斷原來的代碼執(zhí)行流程，進(jìn)入到中斷服務(wù)函數(shù)中進(jìn)行處理，處理完后再返回到中斷之前的代碼中執(zhí)行。

EXTI中斷向量的服務(wù)函數(shù)處理過程如圖6所示。治療過程中，若設(shè)備內(nèi)部溫度超過限值，溫控開關(guān)斷開，光源部分供電中斷，立即停止治療，進(jìn)入故障狀態(tài)，顯示視覺報(bào)警信息。若檢測到溫控開關(guān)吸合，溫度傳感器測得的溫度小于門限值，且當(dāng)前未處于治療狀態(tài)，消除報(bào)警信息，設(shè)備顯示設(shè)置參數(shù)，若當(dāng)前測得的溫度小于風(fēng)扇停止的溫度閾值，則停止風(fēng)扇。

3結(jié)論

本文根據(jù)家用型紅外偏振光治療儀的設(shè)計(jì)要求對光源控制模塊進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了光功率調(diào)節(jié)、光源的通斷管理，針對直接在光源兩端進(jìn)行加壓供電造成電源進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)的現(xiàn)象，采用了逐級增壓方式對光源進(jìn)行預(yù)熱處理，從而降低沖擊電流對電路的影響并延長了光源的使用壽命，另外通過軟件檢測溫控開關(guān)狀態(tài)防止溫度過高對患者造成傷害。