紅外偏振光治療儀的光源控制技術(shù)

王? 婉，劉? 敏，劉振洗 （中國電子科技集團公司?第四十一研究所，安徽?蚌埠?233010）
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)計方案，主要包括光源控制模塊的組成及實 現(xiàn)方法。然后講解了光源控制各子模塊的軟件設(shè)計，詳細描述了數(shù)字電位器改變光功率大小的控制過程； 間 斷模式治療時通過改變MCU的I/O口電平實現(xiàn)光源的接通、斷開處理，使用MCU的計時器功能對光源的通、 斷狀態(tài)進行計時；低溫環(huán)境時，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，溫控開關(guān)對設(shè)備的保護處理過程。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

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，實現(xiàn) 臨床疼痛治療的儀器。采用最新光電技術(shù)^[1]，在波長為 (0.6~1.6) μm的范圍內(nèi)，輸出光波功率高達2.2 W，對人 體組織的有效透射深度達5 cm以上，在治療上實現(xiàn)深淺 組合，點面組合，可對人體炎癥、神經(jīng)性、創(chuàng)傷性疾患 進行有效的無創(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^[2]，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。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 

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。適配器實現(xiàn)220 V AC—12 V DC的轉(zhuǎn)換，為整個系統(tǒng)供電。光控電源的ON/OFF端通 過MCU的I/O口進行關(guān)斷、接通控制，實現(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 位器進行分檔調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)光功率的控制。溫控開關(guān) 實現(xiàn)超溫保護功能，當(dāng)機殼內(nèi)部溫度超限時切斷光控電 源供電，防止意外事故。光控電源的輸出電流過大時， 保險絲會切斷，對光源起到保護作用。

2  軟件設(shè)計 

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現(xiàn)光源預(yù)熱處 理；通過采用外部中斷對溫控開關(guān)進行狀態(tài)監(jiān)測實現(xiàn)過 溫保護功能。 

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，可以實現(xiàn)與 機械電位計或可變電阻器一樣的電子調(diào)節(jié)功能。本文使 用MCU上2個通用I/O端口模擬I2C總線接口，實現(xiàn)對數(shù) 字電位器的讀、寫數(shù)據(jù)以及控制操作。 

I²C^[3]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，SDA從高電平變 為低電平。然后發(fā)送7位從地址，并 等待確認信號。接著發(fā)送通道編碼， 選擇通過1或通道2，等待確認信號。 最后通過串行總線傳輸1個字節(jié)的數(shù) 據(jù)，該總線具有9個時鐘脈沖的序列 （8個數(shù)據(jù)位，然后是確認位）。 

從AD5243讀數(shù)據(jù)：與寫數(shù)據(jù)不同 的是數(shù)據(jù)字節(jié)緊跟在從機地址字節(jié)的 確認信號之后。

當(dāng)讀取或?qū)懭胨袛?shù)據(jù)位后，由主機建立停止條 件，即當(dāng)SCL為高電平時，SDA從低電平變?yōu)楦唠娖健?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，避免長時間照射人體組織易產(chǎn) 生適應(yīng)性的缺點，家用型紅外偏振光治療儀設(shè)計兩種治 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)模式照射時按設(shè)置參數(shù)一直輸出，中途不間斷 照射。輸出功率強度分高、中、低三檔，治療時間分 5、10、15 min。 

2）間斷模式 

間斷模式按照射時間、間斷時間間隔運行。輸 出功率強度分高、中、低三檔，治療時間分5、10、 15 min，固定照射時間為5 s，間斷時間為2 s。治療時， 輸出功率可以改變。 

針對間斷模式，通過改變MCU的I/O口電平控制光控電源的ON/OFF端口，實現(xiàn)光源輸出的開啟和關(guān)閉。 采用定時器^[4]，對光源點亮階段和熄滅階段進行計時， 并在計時結(jié)束時，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現(xiàn)光功 率的調(diào)節(jié)。實際測試發(fā)現(xiàn)光源在冷態(tài)時實際電阻很低， 如果開機瞬間直接在光源兩端加上目標電壓，電路會產(chǎn) 生很高的沖擊電流，使電源模塊產(chǎn)生過流保護而關(guān)斷供 電，光源無法點亮。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，每個階梯電壓保持固定時間，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，逐級提高到目標電壓，在每一級電壓有足夠的 時間使沖擊電流降低，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 

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識刺激都是有感知的，會有 耐熱范圍，治療時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，及時感知設(shè)備 內(nèi)部溫度，溫度一旦超過了標準中規(guī)定的限值，溫度過 載保護裝置就應(yīng)啟動，進而切斷光源供電，發(fā)出警報， 對患者起到安全保護作用。 

采用外部中斷對溫控開關(guān)^[5]進行狀態(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，進入到 中斷服務(wù)函數(shù)中進行處理，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，進入故障狀態(tài)，顯 示視覺報警信息。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)計要求對光 源控制模塊進行了詳細設(shè)計，實現(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行加壓供電造成電 源進入保護狀態(tài)的現(xiàn)象，采用了逐級增壓方式對光源進 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。

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