红外偏振光治疗仪的光源控制技术

王婉 刘敏 刘振洗

摘要：本文首先介绍了红外偏振光治疗仪光源控制模块的硬件设计方案，主要包括光源控制模块的组成及实现方法。然后讲解了光源控制各子模块的软件设计，详细描述了数字电位器改变光功率大小的控制过程;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，解决电路中冲击电流过大的问题;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光源控制的研制成果进行总结。

关键词：红外偏振光治疗仪;光源控制;光功率;冲击电流;过温保护

0引言

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，在波长为（0.6-1.6）um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，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。

1硬件设计

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 VDC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。

2软件设计

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。

2.1光功率调节

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 P2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SCL。I²C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。最后通过串行总线传输1个字节的数据，该总线具有9个时钟脉冲的序列（8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從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。

2.2光源通断处理

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。

1）连续模式

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、15min。

2）间断模式

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/Z/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H，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。

2.3光源预热处理

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。

2.4过温保护

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。

3结论

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。