多波長皮膚光療儀的設(shè)計(jì)

陳名松， 潘璐璐,， 魯遠(yuǎn)甫， 佘榮斌， 李光元

(1.桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.中國科學(xué)院 深圳先進(jìn)技術(shù)研究院，廣東 深圳 518055)

光療法由于具有不良反應(yīng)小、無耐藥性、無創(chuàng)傷、無污染等眾多優(yōu)點(diǎn)，逐漸在皮膚病等臨床醫(yī)療中得到廣泛應(yīng)用。隨著各個(gè)波段的生物效應(yīng)逐漸研究應(yīng)用，給光療儀器帶來了新的機(jī)遇，參數(shù)多樣的光療儀器具有實(shí)用性和科研性，可為臨床研究提供多種參數(shù)選擇。光療儀器主要包括光療光源、光學(xué)結(jié)構(gòu)、硬件電路三部分。在Karu等[1]提出光的刺激效應(yīng)與是否為相干光無關(guān)后，LED以其壽命長、質(zhì)量輕、安全環(huán)保、控制方便等特有優(yōu)勢逐漸替代低強(qiáng)度激光在光生物調(diào)節(jié)的應(yīng)用以及大面積的光動(dòng)力療法。

不同波長在皮膚中的穿透深度也不同[2]，在一些情況下，不同波長的組合可加強(qiáng)治療效果。如在痤瘡的治療中，以藍(lán)光的卟啉光動(dòng)力作用為主，紅光對卟啉的光動(dòng)力作用比藍(lán)光弱[3]，但其波長較長，可以作用更深層的皮脂腺，并調(diào)節(jié)線粒體等通路，發(fā)揮抗炎作用，加速新陳代謝[4-5]。光療治療痤瘡可分為單純用藍(lán)光和紅光照射治療以及外用光敏劑結(jié)合藍(lán)光和紅光的治療方式[6]2種。兩者都屬于光動(dòng)力療法，只不過前者的光敏劑是痤瘡丙酸桿菌的自身代謝物質(zhì)[7]，是內(nèi)源性的，后者是通過外界給藥，將光敏劑富集于皮脂腺。

通過對目前LED皮膚光療儀的特性和功能調(diào)研，發(fā)現(xiàn)存在如下不足：只可選擇波長，強(qiáng)度不可調(diào)；組合模式少；功率較低；可調(diào)參數(shù)少；操作不便等。針對功能和結(jié)構(gòu)上的一些不足，設(shè)計(jì)了一種多波長皮膚光療儀。該光療儀具有多種波長和負(fù)氧離子功能，輻照度高，光能分布較為集中且均勻，光波長可自由組合，可為臨床提供穩(wěn)定可靠、參數(shù)豐富的設(shè)備。

1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是多波長皮膚光療儀的關(guān)鍵部分，目的在于按照所需合理地控制光路，使得光能分布集中且均勻，即輻照度盡可能高。

1.1 設(shè)計(jì)方法

一般外用光敏劑的光動(dòng)力療法對輻照度要求不高，但對于單純的紅、藍(lán)光照射治療痤瘡，根據(jù)臨床經(jīng)驗(yàn)需要較大的輻照度，一般在20 mW/cm2以上。這對激光來說很容易實(shí)現(xiàn)，但激光發(fā)光角度小，不適合大面積光療。常見的LED光療儀是將直插式的LED設(shè)計(jì)成LED陣列。目前基于COB(chip on board)集成式封裝的LED相對于單顆分離式封裝具有更好的散熱性能[8]，集成的大功率LED，將幾十甚至上百個(gè)小型的LED燈珠封裝成一塊芯片，且面積小、功率高，單個(gè)燈珠可高達(dá)1 W的輻射功率。本光療儀的光源采用2塊集成的大功率LED芯片，每塊內(nèi)部是10顆×10顆的LED陣列，集成在約20 mm×20 mm的芯片上。為了增加輻照度，將2塊LED芯片設(shè)計(jì)成具有一定距離和夾角，并利用透鏡和反光杯的匯聚作用，使照射平面上光斑基本重合，增加照射面接收的輻照度，且照射區(qū)域光照均勻。以人感覺的舒適度為基礎(chǔ)，設(shè)置光源距離照射區(qū)域20 cm，期望達(dá)到如圖1所示的出光效果。

圖1 光療儀出光效果圖

1.2 光學(xué)仿真

所用的LED光源內(nèi)部燈珠為SMD封裝，可看作具有一定厚度的表面光源，半功率角度通常為±60°。利用測得的光譜圖與光源配光曲線，通過光學(xué)仿真軟件TracePro的插件surface source property generator對選用的紅、黃、藍(lán)光進(jìn)行表面光源模擬。

測量LED光源實(shí)物的尺寸參數(shù)，根據(jù)實(shí)際模型在TracePro中建模，如圖2所示。在TracePro中將這3種光波長的屬性賦予100個(gè)表面光源。

圖2 LED陣列的TracePro建模

LED為朗伯輻射體，其光強(qiáng)分布可近似表示為

I(θ)=I0cosmθ。

(1)

其中：m值取決于半功率角；θ為光源光軸與任意發(fā)光面法線的角度。當(dāng)θ=θ1/2(θ1/2為半值角)時(shí)，式(1)可改寫為

(2)

即對于半功率角為±60°的光源，m值為1。LED是非相干光，因此多個(gè)LED對某個(gè)平面的照度可線性疊加求解。假設(shè)LED光源為N×M的陣列光源，當(dāng)N和M都為偶數(shù)時(shí)，空間坐標(biāo)點(diǎn)(x,y,z)的輻照度為[9]

(3)

對反光杯與光學(xué)透鏡建模，并將其與光源進(jìn)行組合。如圖3為LED光源光學(xué)模型。反光杯內(nèi)表面設(shè)置為吸收率5%的鏡面，透鏡材料設(shè)置為肖特基玻璃BK7，其發(fā)散角約為60°～70°，生成2組LED陣列。對這200顆LED及相關(guān)器件進(jìn)行光線追跡，在距離照射面20 cm處插入一個(gè)15 cm×15 cm的接收面，LED光源光線追跡如圖4所示。

圖3 LED光源光學(xué)模型

圖4 LED光源光線追跡

該仿真目標(biāo)在光照距離20 cm處兩光斑基本重合，即在照射區(qū)域光照集中且均勻，能完全覆蓋人臉。因底部散熱器尺寸和整體結(jié)構(gòu)制約，將兩LED中心距離設(shè)置為17 cm，因此通過調(diào)整兩LED陣列光源的夾角α來調(diào)節(jié)接收面的輻射照度分布，讓光斑重合的同時(shí)，被照射區(qū)域光強(qiáng)較均勻。光強(qiáng)大小與輻照度相關(guān)，這里以輻照度參量為準(zhǔn)，通過對不同夾角α下的光學(xué)模型進(jìn)行仿真，得到輻照度分布圖，并利用區(qū)域最大輻照度Emax和區(qū)域平均輻照度Eave計(jì)算輻照度均勻性U，計(jì)算公式為[10]

(4)

將仿真得到的輻照度圖進(jìn)行分析，并計(jì)算均勻性，表1為不同夾角α下照射區(qū)域的輻照度數(shù)據(jù)和照度均勻度。表1中的輻照度數(shù)據(jù)為仿真數(shù)據(jù)的相對值，非實(shí)際輻照度。

從表1可看出，當(dāng)α=154.6°時(shí)，均勻度最佳，為75.1%，當(dāng)α=154.2°時(shí)，均勻度74.9%，且平均輻照度略比α=154.6°高，因此建議取α為154.6°或154.2°。α=154.2°對應(yīng)的輻照度分布圖如圖5示。從圖5可看出，輻照度曲線在水平或垂直方向都較為平坦。

光斑的輻照度分布除了與LED夾角有關(guān)，還與反光杯和透鏡匯聚作用有關(guān)，特別是當(dāng)去除透鏡后，光束發(fā)散，打在目標(biāo)平面的光強(qiáng)很弱。圖6為去掉透鏡后目標(biāo)探測面輻照度分布，相比于圖5，光強(qiáng)明顯變?nèi)?，平均輻照度下降約65%。

表1 LED在20 cm處不同夾角下的輻照度及均勻度

圖5 LED以夾角α=154.2°在20 cm處的輻照度分布

圖6 LED以夾角α=154.2°和無透鏡組合在20 cm處的輻照度分布

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 光療儀電路方案設(shè)計(jì)

將光療儀的電路分為控制和驅(qū)動(dòng)電路2個(gè)部分，兩部分電路之間通過異步串口通信。具體的設(shè)計(jì)與采用的光源封裝結(jié)構(gòu)有關(guān),本研究采用的是定制的2塊集成LED陣列，每塊陣列有紅、藍(lán)、黃3路接口，因3種光所需的電參數(shù)不同，故采用3組LED驅(qū)動(dòng)電路來控制輸出的電壓電流。采用PIC單片機(jī)作為控制芯片的光療儀電路方案架構(gòu)，如圖7所示。

圖7 光療儀電路方案架構(gòu)

2.2 控制電路設(shè)計(jì)

光療儀的控制電路包括PIC單片機(jī)最小系統(tǒng)、輸入輸出界面、電壓轉(zhuǎn)換、用電器控制等部分。本光療儀選用的LED光源的電學(xué)參數(shù)如表2所示。工作電壓變化范圍為20～36 V，單路最大電流為2 400 mA。AC-DC電源選擇醫(yī)療專用的開關(guān)電源，以解決電磁兼容問題。通過DC-DC電壓轉(zhuǎn)換電路，給不同模塊提供不同的工作電壓。

表2 LED光源的電學(xué)參數(shù)

控制電路通過底層協(xié)議，發(fā)送字符指令至驅(qū)動(dòng)電路控制芯片的接收端，控制其開斷和輸出參數(shù)。PIC單片機(jī)工作電壓低，基本在3～3.6 V，且功耗低，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)。它的優(yōu)勢在于抗干擾能力強(qiáng)，保密性強(qiáng)，其芯片EMC指標(biāo)高，適合用于醫(yī)療器械，且具有極強(qiáng)的保密性。根據(jù)3路UART串口和I/O口數(shù)量的需求，選用PIC33EP系列的數(shù)字信號(hào)控制器作為控制電路的核心。

控制電路的用電器有LED指示燈、數(shù)碼管顯示、風(fēng)扇、負(fù)氧離子模塊，主要通過PIC單片機(jī)的I/O口電平控制。負(fù)氧離子模塊由控制電路控制是否釋放負(fù)氧離子。風(fēng)扇用于LED光源和電路板散熱。當(dāng)選定工作模式時(shí)，按啟停鍵后光療儀開始工作，風(fēng)扇開啟，除負(fù)氧離子按鍵和啟停鍵外，再觸發(fā)其他按鍵為無效操作，處于鎖屏狀態(tài)，直到工作結(jié)束。

2.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

考慮LED驅(qū)動(dòng)的架構(gòu)時(shí)，可基于輻射低但效率也較低的線性電源，或者效率高、輻射也高的開關(guān)電源形式。大功率的LED驅(qū)動(dòng)電路需采用恒流控制?；诰€性電源的恒流電路通常是壓控電流源。壓控恒流源硬件架構(gòu)如圖8所示。將數(shù)模轉(zhuǎn)換器與運(yùn)算放大器級(jí)聯(lián)，通過微控制器和電流檢測電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的反饋環(huán)路，調(diào)整運(yùn)放的輸出電壓來控制負(fù)載電流，從而構(gòu)成一個(gè)數(shù)控的壓控恒流源。

圖8 壓控恒流源的硬件架構(gòu)

開關(guān)式恒流源的架構(gòu)如圖9所示。采用基于BUCK降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的功率電路，輸入48 V電壓，通過PWM調(diào)光控制功率電路中MOSFET的開關(guān)頻率與占空比，調(diào)整步進(jìn)電壓。同時(shí)，通過反饋電路對電流取樣，穩(wěn)定輸出，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，MCU計(jì)算實(shí)際電流值，當(dāng)檢測到電流有變化時(shí)，通過MCU對PWM調(diào)光電路調(diào)整，從而改變開關(guān)占空比，調(diào)整輸出電壓，從而改變輸出電流。

圖9 開關(guān)式恒流源的架構(gòu)

設(shè)計(jì)路時(shí)需考慮MOSFET和續(xù)流二極管的散熱，可通過加大散熱器面積或者外部風(fēng)扇進(jìn)行散熱。由于MOSFET和大電感容易產(chǎn)生EMI問題，可采取適當(dāng)屏蔽措施，如MOSFET的柵極和源極管腳加磁珠，散熱器通過小電容再接地，避免高頻信號(hào)通過散熱片向外輻射。另外，選用AC-DC電源時(shí)要看輸出是否有Y電容，在改善傳導(dǎo)和空間輻射時(shí)，可在電源的輸入輸出適當(dāng)加磁環(huán)。

3 測試結(jié)果

使用光譜儀分別測試每種顏色的光譜，其中紅光的中心波長約為635.4 nm，其半波寬Δλ為17.5 nm；藍(lán)光的中心波長約為454.3 nm，其半波寬Δλ約20.4 nm；黃光的中心波長為597.3 nm，其半波寬Δλ約14.67 nm。圖10為距離光源20 cm處的光斑圖。從圖10可看出，2個(gè)LED陣列同時(shí)工作時(shí)，20 cm處光斑基本重合，距離20 cm處的光斑直徑約26 cm，可覆蓋人臉，并有一定的余量，光能分布集中且較為均勻。

圖10 距離光源20 cm處的光斑

用功率計(jì)探頭測量光輻射功率。在探頭與透鏡距離為0(z=0)和探頭與透鏡距離20 cm(z=20 cm)位置，測得對應(yīng)光輻射功率，通過已知探測面積2.835 2 cm2即可計(jì)算出輻照度。通過計(jì)算得到的輻照度數(shù)據(jù)如表3所示。光輻射功率與電流大小有關(guān)，硬件電路可對電流值進(jìn)行控制，從而切換光能量檔位。從表3可看出，在z=20 cm，即光斑重合位置，不同電流值對應(yīng)的輻照度不同。紅光輻照度達(dá)18.4 mW/cm2，藍(lán)光輻照度達(dá)29.6 mW/cm2，黃光輻照度達(dá)2.5 mW/cm2，因此總的輻照度輸出達(dá)50.5 mW/cm2。但此時(shí)電流并未處于最大值，紅、藍(lán)光電流值最大為2.4 A，黃光最大為1.2 A，因此總輻照度輸出可達(dá)50.5 mW/cm2。

4 結(jié)束語

為提高光療儀輻照度，增加光治療模式，設(shè)計(jì)了一種具有紅、藍(lán)、黃3種波長、光能分布集中且均勻的多波長皮膚光療儀。用TracePro進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真，在距離光源20 cm處的目標(biāo)平面，光斑重合，仿真光照均勻度可達(dá)75.1%。光療儀的電路包括控制電路和驅(qū)動(dòng)電路，兩部分電路之間通過異步串口通信，將大功率的驅(qū)動(dòng)電路與小功率的控制電路隔離，便于控制光波長和光能量的選擇，實(shí)現(xiàn)參數(shù)自由組合。測試結(jié)果表明，在目標(biāo)平面光斑直徑約26 cm，總輻照度達(dá)50.5 mW/cm2以上?；诒驹O(shè)計(jì)思路，若想進(jìn)一步提高輻照度，可增加集成LED光源數(shù)量，通過光學(xué)設(shè)計(jì)將光線匯聚，但對電路的效率和散熱要求較高。

表3 輻照度數(shù)據(jù)