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(guó)電子科技集團(tuán)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(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(guò)程； 間 斷模式治療時(shí)通過(guò)改變MCU的I/O口電平實(shí)現(xiàn)光源的接通、斷開(kāi)處理，使用MCU的計(jì)時(shí)器功能對(duì)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(guò)大的問(wèn)題；治療儀 溫度過(guò)高時(shí)，溫控開(kāi)關(guān)對(duì)設(shè)備的保護(hù)處理過(guò)程。最后，對(duì)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(guò)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)^[1]，在波長(zhǎng)為 (0.6~1.6) μm的范圍內(nèi)，輸出光波功率高達(dá)2.2 W，對(duì)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(duì)人體炎癥、神經(jīng)性、創(chuàng)傷性疾患 進(jìn)行有效的無(wú)創(chuàng)治療。 

紅外偏振光治療儀是由日本東京醫(yī)研株式會(huì)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(píng)價(jià)。紅外偏振光技術(shù)在中國(guó)還是屬于一種較新的技 術(shù)，目前市場(chǎng)上只有幾家醫(yī)用紅外偏振光治療儀產(chǎn)品， 家用市場(chǎng)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(shì)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(kāi)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 V DC的轉(zhuǎn)換，為整個(gè)系統(tǒng)供電。光控電源的ON/OFF端通 過(guò)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(kāi)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(guò)大時(shí)， 保險(xiǎn)絲會(huì)切斷，對(duì)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(tái)開(kāi) 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(guò)溫保護(hù)等功能。通過(guò)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(guò)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(kāi)啟和關(guān)閉；通過(guò) 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(guò)采用外部中斷對(duì)溫控開(kāi)關(guān)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)過(guò) 溫保護(hù)功能。 

2.1 光功率調(diào)節(jié) 

通過(guò)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上2個(gè)通用I/O端口模擬I2C總線接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(hào)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(wú)應(yīng)答、等待應(yīng)答等。 

向AD5243寫數(shù)據(jù)：首先主機(jī)通 過(guò)發(fā)送起始信號(hào)來(lái)啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸，即 當(dāng)SCL為高電平時(shí)，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(rèn)信號(hào)。接著發(fā)送通道編碼， 選擇通過(guò)1或通道2，等待確認(rèn)信號(hào)。 最后通過(guò)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(hào)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)楦唠娖健?具體通信過(guò)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(zhǎng)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(duì)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、15 min。 

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(duì)間斷模式，通過(guò)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(kāi)啟和關(guān)閉。 采用定時(shí)器^[4]，對(duì)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(kāi)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(guò)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(cè)試發(fā)現(xiàn)光源在冷態(tài)時(shí)實(shí)際電阻很低， 如果開(kāi)機(jī)瞬間直接在光源兩端加上目標(biāo)電壓，電路會(huì)產(chǎn) 生很高的沖擊電流，使電源模塊產(chǎn)生過(guò)流保護(hù)而關(guān)斷供 電，光源無(wú)法點(diǎn)亮。測(cè)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(duì)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(guò)預(yù)熱電阻逐步提高。這樣使光源從較低的安全電 壓?jiǎn)?dòng)，逐級(jí)提高到目標(biāo)電壓，在每一級(jí)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(duì)電路的影響并且延長(zhǎng)了光源的使用壽命。測(cè)試結(jié) 果如圖5所示，通過(guò)逐級(jí)增壓方式，電流逐級(jí)降低，最 后保持平穩(wěn)。

2.4 過(guò)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(duì)外界的認(rèn)識(shí)刺激都是有感知的，會(huì)有 耐熱范圍，治療時(shí)不能超過(guò)人體所能承受的最高溫度。 選用溫控開(kāi)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(guò)了標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的限值，溫度過(guò) 載保護(hù)裝置就應(yīng)啟動(dòng)，進(jìn)而切斷光源供電，發(fā)出警報(bào)， 對(duì)患者起到安全保護(hù)作用。 

采用外部中斷對(duì)溫控開(kāi)關(guān)^[5]進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)， GPIO用 作外部中斷(EXTI)源的輸入端，通過(guò)GPIO檢測(cè)輸入脈 沖，引起中斷事件，打斷原來(lái)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(guò)程如圖6所示。治 療過(guò)程中，若設(shè)備內(nèi)部溫度超過(guò)限值，溫控開(kāi)關(guān)斷開(kāi)， 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(jué)報(bào)警信息。若檢測(cè)到溫控開(kāi)關(guān)吸合，溫度傳感器 測(cè)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(cè)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(duì)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(duì)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(jí)增壓方式對(duì)光源進(jìn) 行預(yù)熱處理，從而降低沖擊電流對(duì)電路的影響并延長(zhǎng)了 光源的使用壽命，另外通過(guò)軟件檢測(cè)溫控開(kāi)關(guān)狀態(tài)防止 溫度過(guò)高對(duì)患者造成傷害。

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