基于STM32的2μm高功率激光醫(yī)療儀控制器設計

2 μm 高功率激光醫(yī)療儀市場需求越來越大，而目前人機交互模塊前國內此類設備在控制上缺乏對系統(tǒng)安全和出光精準度的考慮。同時隨著YY0505-2012 醫(yī)用電氣電磁兼容標準于2014 年的執(zhí)行，設計符合YY0505-2012 標準的醫(yī)用設備已迫在眉睫。因此，本文采用模塊化設計，設計了一種基于STM32的2 μm 光纖激光器醫(yī)療儀控制系統(tǒng)，將水冷單元的參數監(jiān)控、電源模塊的抗干擾設計、輸出功率的校準等集成于一體。測試結果表明，系統(tǒng)可靠穩(wěn)定，操作方便。

1 系統(tǒng)功能和結構設計

按功能劃分，醫(yī)療儀主要由2 μm 光纖激光器模塊、精密水冷單元、STM32 主控制器模塊、人機交互模塊等部分組成， 結構如圖1 所示。控制器是醫(yī)療儀的大腦，負責整個設備的啟停和正常運行。2 μm 光纖激光器經過光學系統(tǒng)準直聚焦，得到醫(yī)用激光，在特定條件下，腳踏開關閉合發(fā)出相應功率的激光，由光纖傳導到病灶部位。精密水冷單元的循環(huán)水流經激光腔，使激光器工作在合適溫度，確保輸出功率穩(wěn)定，且水冷單元的啟動總是先于激光器，防止激光器在高溫高濕環(huán)境下結露而損壞。門控直接與激光器內部的interlock 信號相連，同時主控器對其狀態(tài)實時監(jiān)測。此外光纖檢測可對醫(yī)用光纖進行規(guī)范化管理，防止因光纖老化影響治療效果。

圖1 醫(yī)療儀總體結構圖

設備以觸摸屏為主要人機交互平臺，實現的功能包括：汽化與凝血參數的同時設置;不同方案的保存和調用;能量、計時等治療參數的統(tǒng)計顯示;系統(tǒng)異常狀態(tài)的報警提示; 出光指示燈的亮度調節(jié)。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 系統(tǒng)硬件結構

系統(tǒng)硬件以STM32F107VCT6 為核心，硬件框圖如圖2 所示。精密水冷單元的參數監(jiān)控包括高低水位、水流量、水壓力、水溫的監(jiān)測;以觸摸屏為主的人機交互模塊集成了出光指示燈、鑰匙開關、急停、啟動、腳踏、門控等外部硬件控制;配電模塊集成了繼電器驅動電路和電磁兼容設計。其中，水冷單元、光纖激光器、觸摸屏和音效合成模塊分別通過RS232 與主控制器通信。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

2.2 配電模塊電路設計

為實現高可靠性，配電模塊電路采用冗余設計，每路繼電器驅動電路控制兩個固態(tài)繼電器。以圖3 所示激光器的繼電器驅動電路為例，U5 、U6 代表兩個繼電器，輸出端分別串聯到電源的零線和火線上，實現同開同斷，避免某一個繼電器發(fā)生故障時影響整個系統(tǒng)的工作。每路信號除通過I/O 控制外，急停信號也對繼電器可控，達到軟件和硬件同時急停的目的。選用的急停按鈕是常閉型，高電平有效，當急停觸發(fā)時，Q3 不導通，致9 引腳電平拉低，再與I/O 信號經過與門，輸出也為低電平，致Q4 不導通，繼電器處于開路狀態(tài)，電源斷路。

另外，電路一方面在STOP 和I /O 信號接口處接入5 V 瞬態(tài)抑制管，以防止靜電積累損壞器件;另一方面在Q4 導通時D3 點亮作為電路工作狀態(tài)指示，當系統(tǒng)出現異常時方便故障排查。

圖3 繼電器驅動電路

2.3 配電模塊電磁兼容設計

電磁兼容問題是影響醫(yī)用電氣設備安全有效的重要因素之一，不僅直接影響醫(yī)用設備的安全使用，甚至會對患者以及醫(yī)護人員的人身安全造成影響。國家食品藥品監(jiān)督管理局于2012 年12 月正式發(fā)布了新版標準YY0505—2012 ，并于2014 年1 月正式實施，該醫(yī)療儀配電模塊結合此標準做了相關電磁兼容性(EMC) 設計。實際工作環(huán)境下該系統(tǒng)電磁干擾主要來源于電源線上的高頻干擾、接線端口的靜電干擾、浪涌電流、可控硅通斷時產生的干擾等。

首先考慮硬件選型，選用交流單相雙節(jié)電源濾波器，不僅能抑制共模干擾，對快速瞬變脈沖群(EFT)實驗也有很好的輔助效果。與傳統(tǒng)電磁線圈繼電器相比，固態(tài)繼電器的壽命長，可靠性好，切換速度可達幾毫秒至幾微秒，沒有觸點燃弧和回跳，減少了電磁干擾和瞬態(tài)效應，但固態(tài)繼電器導通時會產生較大熱量，系統(tǒng)通過在繼電器下方放置散熱片來解決此問題。

配電模塊的結構框圖如圖4，在電源的進線端串入濾波器，然后進入瞬態(tài)電壓浪涌抑制模組( 包含千瓦級TVS 、壓敏電阻、防雷管等)，再接入繼電器，最后在電源進入每個模塊之前再分別串入濾波器。測試結果表明，該結構能夠達到抑制電磁騷擾(EMI) 和提高儀器的電磁抗擾度(EMS) 的雙重目的。

圖4 配電模塊結構框圖

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 軟件功能設計

系統(tǒng)軟件主要實現以下功能：(1)5 個安全狀態(tài)的實時檢測，包括檢測光纖連接、腳踏連接、門控、水冷單元連接和激光器連接是否正常。(2)5 個工作狀態(tài)的判定，包括開鎖狀態(tài)、初始化狀態(tài)、參數設定狀態(tài)、準備狀態(tài)、異常狀態(tài)的判定。(3) 水冷單元參數的采集，包括壓力傳感器、水位開關、溫度傳感器、流量傳感器數據的采集，并判斷是否超出正常范圍。(4)激光器內部狀態(tài)參數的讀取并分析，激光器內部有一個32 bit 的狀態(tài)字，存放激光器當前的工作狀態(tài)，讀取每一位狀態(tài)，判斷激光器當前是否正常工作。(5) 外部硬件設備信號的采集和控制，包括鑰匙開關、急停按鈕、啟動按鈕、出光指示燈和腳踏開光的信號采集或控制。(6) 工作參數的設定，包括汽化和凝血功率的設定、指示燈的開閉、存儲方案的設定和選擇。(7) 操作日志的存儲和顯示， 包括開機時間、工作累積時間、出光累積時間和出光能量累積的存儲以及當前治療方案的出光時間和出光能量的顯示。(8) 激光輸出功率的校準。

軟件流程如圖5 所示，按系統(tǒng)要求，異常狀態(tài)優(yōu)先級最高，通過中斷處理。為節(jié)省系統(tǒng)資源， 對5 個安全狀態(tài)每1 s 掃描1 次， 若發(fā)現連接異常， 系統(tǒng)重新自檢，直到連接正常方可進入主循環(huán)。對其他觸摸屏有效包、水冷單元有效包、激光器有效包依次處理。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

3.2 激光功率自動校準算法

由于醫(yī)療產品對可靠性的特殊要求，激光輸出功率的準確性必然成為衡量一臺醫(yī)療設備品質好壞的重要參數。激光功率在光纖耦合處和光纖尾端、切口端面會產生衰減，如圖6 所示。光纖終端功率小于用戶設置功率，尤其在設置功率小于60 W 時， 最大偏差達63.6%。為了得到準確的光纖終端功率，需要借助功率計采集終端功率并讀取與之對應的激光器驅動電流，然后通過插值法得到功率與電流的分析表達式，以便用戶設置每個功率參數時都能找到與之對應的電流值。

圖6 校準前終端采集功率與用戶設置功率關系

采集了16 組對應值，由于環(huán)境等因素影響采集結果，導致偶然誤差。為了盡可能準確地得出未知點，相同實驗重復4 次，并將對應值取平均。通過增加節(jié)點個數來提高差值多項式對函數的逼近程度，由于此時高次多項式插值容易出現Runge 現象，故采用Lagrange 線性插值，把節(jié)點分成13 段，分段采用低次多項式近似函數。分段節(jié)點處函數值如表1 所示。

分段表達式為：

將各點分別帶入式(1) 得出分段表達式：

表1 節(jié)點處函數對應值

隨機抽取一點值f (18)≈φ0 (18) =1.1 ×18 +8.1 =27.9 ，與實際測量值f(18)=27.7 比較，偏差為0.7%，符合精度要求。將式(2) 寫入軟件插值函數子程序中，當用戶設定功率時， 算法先判斷該值所在區(qū)間范圍，再求出對應電流百分比，通過串口發(fā)送到光纖激光器。經插值算法校準后，用戶設置功率與終端采集功率之間的關系如圖7所示，可知最大偏差為2.5%，較之前的63.6%有明顯改善。測試結果表明，通過此方法獲得了較準確的激光輸出功率，精度控制在±1 W 以內。

圖7 校準后用戶設置功率與終端采集功率關系

4 系統(tǒng)測試及結果

本文設計了一種基于2 μm 高功率光纖激光器的醫(yī)療儀，以STM32 為控制核心，完成了人性化的人機觸控界面功能設計、激光器的驅動控制、精密水冷單元的參數監(jiān)控、配電模塊的抗干擾設計以及輸出功率的校準。輸出功率0 W 或4 W～80 W，步進長度1 W 連續(xù)可調, 可通過腳踏自由切換汽化和凝血兩種功率參數輸出;溫度采集精度±0.5 ℃， 水流量3.6 L/min ，符合IPG-TLR-80 -WC-Y12 型號光纖激光器正常工作要求。經過功率校準算法，用戶設置功率與終端采集功率的最大偏差由之前的63.6%降低到2.5%， 控制精度為±1 W。測試結果表明，該系統(tǒng)具有可靠性高、抗干擾能力強、輸出功率穩(wěn)定準確、操作便利等優(yōu)點。