红外偏振光治疗仪的光源控制技术

作者:扑克王APP官网 发布时间:2021-02-18 05:38

  王  婉,刘  敏,刘振洗 (中国电子科技集团公司 第四十一研究所,安徽 蚌埠 233010)大小的控制过程; 间 断模式治疗时通过改变MCU的I/O口电平实现光源的接通、断开处理,使用MCU的计时器功能对光源的通、 断状态进行计时;低温环境时,在光源两端生成阶梯状上升的电压,解决电路中过大的问题;治疗仪 温度过高时,温控开关对设备的保护处理过程。最后,对

  红外偏振光治疗仪是一种将偏振光与近红外光谱 有效整合,作用于人体相应的疼痛部位和穴位,实现 临床疼痛治疗的仪器。采用最新光电技术[1],在波长为 (0.6~1.6) µm的范围内,输出光波功率高达2.2 W,对人 体组织的有效透射深度达5 cm以上,在治疗上实现深浅 组合,点面组合,可对人体炎症、神经性、创伤性疾患 进行有效的无创治疗。

  红外偏振光治疗仪是由日本东京医研株式会社研制 的新型光疗仪器[2],由于该设备的高效治愈性及广泛的 应用性而倍受青睐,在日本医学各领域,获得了很高的 评价。红外偏振光技术在中国还是属于一种较新的技 术,目前市场上只有几家医用红外偏振光治疗仪产品, 家用市场尚属空白。本文研制的新型家用红外偏振光治 疗仪,是顺应当前医疗产业发展趋势的新型家用光疗 仪器。

  红外偏振光治疗仪的关键技术就是光源控制,如图 1所示为光源控制模块的硬件原理图。光源控制模块由 医疗型适配器、主控电源、温控开关、光控电源、数字 电位器和外围电路组成。适配器实现220 V AC—12 V DC的转换,为整个系统供电。光控电源的ON/OFF端通 过MCU的I/O口进行关断、接通控制,实现光源的间断 模式输出;光控电源的输出电压由MCU控制的数字电 位器进行分档调节,从而实现光功率的控制。温控开关 实现超温保护功能,当机壳内部温度超限时切断光控电 源供电,防止意外事故。光控电源的输出电流过大时, 保险丝会切断,对光源起到保护作用。

  红外偏振光治疗仪系统软件是基于 STM32 平台开 发的,本系统需要实现光源的光功率大小控制、通断控 制、预热处理和过温保护等功能。通过MCU控制数字 电位器的输出电阻,改变光控电源的输出电压,实现光 功率大小控制;通过改变MCU的I/O口电平控制光控电 源的ON/OFF端口,实现光源输出的开启和关闭;通过 控制光源两端的输出电压呈阶梯状上升实现光源预热处 理;通过采用外部中断对温控开关进行状态监测实现过 温保护功能。

  通过MCU控制AD5243数字电位器的输出电阻, 改变光控电源MQ7250的输出电压,实现光功率大小 控制。

  AD5243数字电位器兼容I2C通信接口,可以实现与 机械电位计或可变电阻器一样的电子调节功能。本文使 用MCU上2个通用I/O端口模拟I2C总线接口,实现对数 字电位器的读、写数据以及控制操作。

  I2C[3]总线是一种具备总线裁决和 高低速器件同步功能的高性能串行总 线。它只有两根双向信号线,即数据 线SDA和时钟线C总线接口数 据通信协议部分的条件状态主要包括 I2C总线接口的起始条件、停止条件、 应答、无应答、等待应答等。

  向AD5243写数据:首先主机通 过发送起始信号来启动数据传输,即 当SCL为高电平时,SDA从高电平变 为低电平。然后发送7位从地址,并 等待确认信号。接着发送通道编码, 选择通过1或通道2,等待确认信号。 最后通过串行总线个字节的数 据,该总线个数据位,然后是确认位)。

  从AD5243读数据:与写数据不同 的是数据字节紧跟在从机地址字节的 确认信号之后。

  当读取或写入所有数据位后,由主机建立停止条 件,即当SCL为高电平时,SDA从低电平变为高电平。 具体通信过程如图2所示。

  为了增加治疗效果,避免长时间照射人体组织易产 生适应性的缺点,家用型红外偏振光治疗仪设计两种治 疗模式,分别是连续模式和周期模式。对于不同的治疗 模式,光源的输出方式有所不同。

  连续模式照射时按设置参数一直输出,中途不间断 照射。输出功率强度分高、中、低三档,治疗时间分 5、10、15 min。

  间断模式按照射时间、间断时间间隔运行。输 出功率强度分高、中、低三档,治疗时间分5、10、 15 min,固定照射时间为5 s,间断时间为2 s。治疗时, 输出功率可以改变。

  针对间断模式,通过改变MCU的I/O口电平控制光控电源的ON/OFF端口,实现光源输出的开启和关闭。 采用定时器[4],对光源点亮阶段和熄灭阶段进行计时, 并在计时结束时,处理光源开关和控制参数的改变,具 体如图3所示。

  红外偏振光治疗仪输出的光功率在两种治疗模式下 分三档可调,通过改变光源两端的输出电压实现光功 率的调节。实际测试发现光源在冷态时实际电阻很低, 如果开机瞬间直接在光源两端加上目标电压,电路会产 生很高的冲击电流,使电源模块产生过流保护而关断供 电,光源无法点亮。测试结果如图4所示,其中绿线表 示电流,黄线表示电压。因此考虑对光源两端加上一系 列阶梯形上升的电压,每个阶梯电压保持固定时间,光 源经过预热电阻逐步提高。这样使光源从较低的安全电 压启动,逐级提高到目标电压,在每一级电压有足够的 时间使冲击电流降低,起到限流的作用,从而降低冲击 电流对电路的影响并且延长了光源的使用寿命。测试结 果如图5所示,通过逐级增压方式,电流逐级降低,最 后保持平稳。

  红外偏振光治疗仪发出的光波透射到人体组织内被 吸收,但是人体对外界的认识刺激都是有感知的,会有 耐热范围,治疗时不能超过人体所能承受的最高温度。 选用温控开关安放在高分子碘光源附近,及时感知设备 内部温度,温度一旦超过了标准中规定的限值,温度过 载保护装置就应启动,进而切断光源供电,发出警报, 对患者起到安全保护作用。

  采用外部中断对温控开关[5]进行状态监测, GPIO用 作外部中断(EXTI)源的输入端,通过GPIO检测输入脉 冲,引起中断事件,打断原来的代码执行流程,进入到 中断服务函数中进行处理,处理完后再返回到中断之前 的代码中执行。

  EXTI中断向量的服务函数处理过程如图6所示。治 疗过程中,若设备内部温度超过限值,温控开关断开, 光源部分供电中断,立即停止治疗,进入故障状态,显 示视觉报警信息。若检测到温控开关吸合,温度传感器 测得的温度小于门限值,且当前未处于治疗状态,消除 报警信息,设备显示设置参数,若当前测得的温度小于风扇停止的温度阈值,则停止风扇。

  本文根据家用型红外偏振光治疗仪的设计要求对光 源控制模块进行了详细设计,实现了光功率调节、光源 的通断管理,针对直接在光源两端进行加压供电造成电 源进入保护状态的现象,采用了逐级增压方式对光源进 行预热处理,从而降低冲击电流对电路的影响并延长了 光源的使用寿命,另外通过软件检测温控开关状态防止 温度过高对患者造成伤害。

  [2] 张琼晖,彭子明.直线偏振光近红外线治疗仪[J].中国医疗器械, 2002:307.

  [3] 刘波文,孙岩,等.嵌入式实时操作系统µC/OS-II经典实例 ——基于STM32处理器[M].北京:北京航空航天大学出版社,2014:403-435.


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