一种家用手持式红外偏振光治疗仪的设计与实现

刘振洗,刘 敏,王 婉,牛礼军

(中国电子科技集团公司第四十一研究所,安徽 蚌埠 233010)

1 引 言

红外偏振光治疗仪利用对人体透射效果最好的0.6～1.6 μm波段的偏振光照射人体疼痛部位和穴位,有改善血液循环、松弛肌肉、抑制神经兴奋、促进活性物质产生、加速致痛物质代谢与清理等作用[1],是一种无创、无痛、无感染风险、适用范围广的理疗器械[2],目前在医院康复科、疼痛科、骨伤科、皮肤科等科室得到了广泛应用[3-6],临床疗效已得到验证。

医院使用的红外偏振光治疗仪由于其价格高、体积大、操作复杂等原因,不适合推广到家庭使用。同时随着我国人口结构老龄化的发展和国民健康意识水平的提高,家庭康复理念日益深入人心,对高性价比的家庭康复器械的需求也日益迫切。然而红外偏振光治疗仪作为一款有效的疼痛康复光疗器械[7-8],据调研发现,目前国内暂未有已注册认证、面向家庭使用的相关产品。为了满足家庭应用需求,本课题组对手持式红外偏振光治疗仪系统进行了探索研制。

作为一款家用医疗产品,其应具有价格低、体积小、重量轻、工作温度范围宽(5～40 ℃)、美观易用、交互友好、安全有效的特点,具有的关键技术指标如表1所示。

表1 关键技术指标

2 系统组成及工作原理

系统采用手持式光滑弧线结构,并配高亮液晶屏和简易操作按键,以便提高操作舒适性的同时,减小系统体积。另外在保证关键性能指标不低于医院用的同类产品的同时,通过创新设计,优化设计控制电路与光路,达到降低成本的目的。系统原理框图如图1所示,主要由控制模块、光传输模块、安全防护模块、蓝牙模块、供电电源等模块组成。控制模块用于调节光源的输出强度、监控安全防护信息、处理人机交互信息；光输出模块包含光源、滤光单元、偏振单元和治疗头,选用灯壁镀金的高分子卤素灯作为光源,保障治疗过程中能产生极其稳定的光线,滤光单元取出透射人体效果最好的0.6～1.6 μm的复合波段光,偏振单元产生高偏振度的红外偏振光,偏振度不低于95 %,治疗头输出的光功率可达2200 mW；安全防护模块设计有过热保护、过压保护、过流保护及运行状态监测；蓝牙模块用来与手机进行通信,实现手机终端的无线控制；系统采用外部医疗型适配器进行供电,以降低系统主机重量,同时提高系统供电安全性与可靠性。

图1 系统原理框图

控制系统启动后进行安全状态自检,若自检发现异常,则进行声光报警。通过人机交互接口设置照射的参数,并在液晶上显示,启动照射时,系统根据设置的参数,调节控制光源的输出功率、输出时间及输出模式。照射过程中,系统通过温控开关、温度检测、散热风扇等组合方式对设备内部温度进行控制,通过闭环反馈控制保证输出光功率的稳定性,同时对供电过压与过流进行保护。结束照射时,系统停止光功率输出,蜂鸣提示,并将照射参数恢复至用户设置值,以便再次启动照射。

3 系统软件设计

依据手持式红外偏振光治疗仪的功能需求和主控处理器的外设资源,软件采用模块化设计思路,整体划分为人机交互模块、运行控制模块和蓝牙通信模块三个功能模块,每个功能模块根据包含的具体功能又进一步划分为若干单元,如图2所示。

图2 软件功能模块划分

人机交互模块主要对按键、液晶、LED、蜂鸣器等人机交互单元进行控制和监测。按键管理单元包含按键输入检测与处理、按键自锁任务；液晶显示单元包含照射参数和运行状态显示程序；报警控制单元包含对蜂鸣器和LED视觉报警的管理控制。

运行控制模块主要包含光源控制、照射计时管理、温度控制、安全防护监测等功能。光源控制单元包括光源的预热处理、光源光功率的调节、照射模式的切换控制等；温度控制单元实时采集治疗仪内部温度及控制散热风扇运行；安全防护单元包括温控开关状态监测、散热风扇状态监测、光源供电电源监测、程序异常监测。

蓝牙通信模块主要包括接收、解析、处理手机客户端发送的命令信息,并回传治疗仪系统运行的状态信息,实现手机对治疗仪的无线操控。

4 关键技术研究

4.1 光源启动冲击电流抑制

由于光源冷态负载阻抗很小,如果启动照射时直接在光源两端施加目标电压,就会产生很大的冲击电流,对电路的过流能力提出很高的要求,同时会产生很强的光功率,因此需要抑制启动电流。如果使用常规的绕线电感抑制,不仅需要的电感体积大,而且发热也会很厉害,特别是运行在间断照射模式下,频繁地通断,热损耗很大。如果使用NTC热敏电阻来抑制,虽然启动照射时NTC具有较高的初始冷态电阻,可以有效地吸收峰值浪涌电流,但当NTC发热后其阻值就会迅速下降,在间断照射模式下间断时间过后再次点亮光源时,NTC因为没有足够的时间冷却,将无法恢复冷态时的阻值,难以再起到对冲击电流的抑制作用。

为了在不增加成本的前提下,有效地抑制冲击电流,本方案采取分时阶梯升压措施,即启动照射时在光源两端施加一系列阶梯上升的电压,每个阶梯电压保持一定的时间,让灯丝逐渐预热,逐步增加光源阻抗。使光源从较低的安全电压启动,逐级提高到目标电压,并且在每一级电压留有足够的时间使冲击电流下降,这样能有效地抑制冲击电流的幅度。采取抑制措施前后的对比图如图3所示,抑制前冲击电流高达14.4 A,抑制后冲击电流降为6.5 A,可见抑制效果明显。

4.2 光功率稳定性控制

光功率是治疗仪的核心指标之一,与治疗效果紧密相关,如何保证治疗过程中光功率的稳定性是设计的重点。本方案采取两种措施解决这一问题,一是利用闭环反馈技术实时校准施加在光源两端的电压,保证实际电压与标准电压的误差在40 mV以内,尽量减少电压波动对光功率产生的影响；二是根据治疗仪内部的温度,加载与温度相对应的光源驱动电压,使光源光功率能够在不同的环境温度下(5～40 ℃)快速稳定下来且满足要求,尽量减少环境温度对光功率产生的影响。实现原理框图如图4所示。

图3 冲击电流抑制前后对比

图4 光功率稳定性控制原理框图

4.3 安全防护技术

作为一款手持式家用医疗器械,相对于医院环境使用的医疗器械,其使用环境和使用人员的情况更为复杂,其安全性尤为重要,因此安全防护设计是系统设计的重点,本方案从硬件、软件方面分别进行安全防护设计。

硬件方面,一是采用外部低压适配器供电,而非市电直接供电,所用适配器具有双重绝缘保护和极低的漏电流,满足医疗安规认证,保证供电安全,同时采取限压限流措施,并实时监测供电电压的幅度,避免输出过大的光功率,灼伤患者皮肤；二是限制设备内部的温度,使温度满足《YY0306-2008热辐射类治疗设备安全专用要求》规定的温度[9],本方案采用散热风扇、温度传感器和温控开关多重保护办法,减少热量积聚,控制温升上限,实时监测温度、风扇旋转及温控开关状态并提前预警,防止意外情况发生。

软件方面,一是对可调电源模块的调控设置值进行合法性判断,并对设置值进行回读验证,防止电源模块输出意外电压；二是对电压采集值进行滤波,剔除坏值,防止误判；三是启用看门狗监视程序运行,防止程序死机或跑飞,失去对治疗仪的控制；四是手机蓝牙和治疗仪进行信息交换时,采用具有校验码的通信协议和握手通信机制,提高通信的可靠性,降低误码率。

5 系统实现及测试

课题组根据系统设计方案,在攻克关键技术基础上,成功自主研制了手持式红外偏振光治疗仪样机,样机外观如图5所示。样机按照产品规范进行了检验,满足《GB 9706.1-2007医用电求气设备 第1部分:安全通用要求》标准和《YY 0505-2012医用电气设备 第1-2部分:安全通用要求 并列标准:电磁兼容要求和试验》标准的规定,通过了关键技术指标的测试。

图5 治疗仪样机外观

5.1 光谱范围测量

治疗仪输出光的有效光谱范围不窄于(600～1600 nm),使用AQ6370D光谱分析仪进行光谱测量,测量结果如图6所示,600～1600 nm波段光谱输出连续。

5.2 偏振度测量

选用THORLABS公司的PAX5710系列偏振态测试仪,配合可调光阑、准直透镜和窄带滤光片进行治疗仪偏振度的测量,测量示意图如图7所示。测量时将治疗仪固定在光学平台上,借助可调光阑把治疗仪发光面模拟成一个点光源,再经过准直透镜变成平行光,平行光通过激光窄带滤光片模拟成为单色光,单色光进入偏振态测试仪测得治疗仪输出光的偏振度[10]。

图6 光谱范围测量结果

图7 偏振度测量示意图

治疗仪输出600～1600 nm的连续光谱,由于连续光谱的偏振度还不能直接测量,本文采用不同波长的激光窄带滤光片模拟单色光,分别测量治疗仪在600 nm、700 nm、800 nm等波长处的偏振度,测量结果如图8所示,偏振度均大于95 %,满足设计要求。

图8 600 nm、700 nm、800 nm波长处偏振度测量结果

5.3 输出光功率测量

使用Gentec-EO公司UNO系统功率计和UP55N-40S-H9功率探头测量治疗仪输出的光功率,治疗仪最大输出功率可达2200 mW,测量结果如图9所示,光功率输出强度可根据用户设置,进行自动调节。

图9 输出光功率测量

6 总 结

本文对手持式红外偏振光治疗仪进行了研究,提出了一种可行的系统实现方案,先后分析了系统组成和工作原理,划分了软件功能模块及任务,并对关键技术进行了研究。目前已完成了样机的设计验证,通过测试实现了预期的功能与性能指标,下一步将继续对样机的功能与性能指标进行优化,并进行注册检验与临床试验,进一步验证治疗仪的安全性与有效性。