多波长皮肤光疗仪的设计

陈名松， 潘璐璐,， 鲁远甫， 佘荣斌， 李光元

(1.桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林 541004；2.中国科学院 深圳先进技术研究院，广东 深圳 518055)

光疗法由于具有不良反应小、无耐药性、无创伤、无污染等众多优点，逐渐在皮肤病等临床医疗中得到广泛应用。随着各个波段的生物效应逐渐研究应用，给光疗仪器带来了新的机遇，参数多样的光疗仪器具有实用性和科研性，可为临床研究提供多种参数选择。光疗仪器主要包括光疗光源、光学结构、硬件电路三部分。在Karu等[1]提出光的刺激效应与是否为相干光无关后，LED以其寿命长、质量轻、安全环保、控制方便等特有优势逐渐替代低强度激光在光生物调节的应用以及大面积的光动力疗法。

不同波长在皮肤中的穿透深度也不同[2]，在一些情况下，不同波长的组合可加强治疗效果。如在痤疮的治疗中，以蓝光的卟啉光动力作用为主，红光对卟啉的光动力作用比蓝光弱[3]，但其波长较长，可以作用更深层的皮脂腺，并调节线粒体等通路，发挥抗炎作用，加速新陈代谢[4-5]。光疗治疗痤疮可分为单纯用蓝光和红光照射治疗以及外用光敏剂结合蓝光和红光的治疗方式[6]2种。两者都属于光动力疗法，只不过前者的光敏剂是痤疮丙酸杆菌的自身代谢物质[7]，是内源性的，后者是通过外界给药，将光敏剂富集于皮脂腺。

通过对目前LED皮肤光疗仪的特性和功能调研，发现存在如下不足：只可选择波长，强度不可调；组合模式少；功率较低；可调参数少；操作不便等。针对功能和结构上的一些不足，设计了一种多波长皮肤光疗仪。该光疗仪具有多种波长和负氧离子功能，辐照度高，光能分布较为集中且均匀，光波长可自由组合，可为临床提供稳定可靠、参数丰富的设备。

1 光学系统设计与仿真

光学系统的设计是多波长皮肤光疗仪的关键部分，目的在于按照所需合理地控制光路，使得光能分布集中且均匀，即辐照度尽可能高。

1.1 设计方法

一般外用光敏剂的光动力疗法对辐照度要求不高，但对于单纯的红、蓝光照射治疗痤疮，根据临床经验需要较大的辐照度，一般在20 mW/cm2以上。这对激光来说很容易实现，但激光发光角度小，不适合大面积光疗。常见的LED光疗仪是将直插式的LED设计成LED阵列。目前基于COB(chip on board)集成式封装的LED相对于单颗分离式封装具有更好的散热性能[8]，集成的大功率LED，将几十甚至上百个小型的LED灯珠封装成一块芯片，且面积小、功率高，单个灯珠可高达1 W的辐射功率。本光疗仪的光源采用2块集成的大功率LED芯片，每块内部是10颗×10颗的LED阵列，集成在约20 mm×20 mm的芯片上。为了增加辐照度，将2块LED芯片设计成具有一定距离和夹角，并利用透镜和反光杯的汇聚作用，使照射平面上光斑基本重合，增加照射面接收的辐照度，且照射区域光照均匀。以人感觉的舒适度为基础，设置光源距离照射区域20 cm，期望达到如图1所示的出光效果。

图1 光疗仪出光效果图

1.2 光学仿真

所用的LED光源内部灯珠为SMD封装，可看作具有一定厚度的表面光源，半功率角度通常为±60°。利用测得的光谱图与光源配光曲线，通过光学仿真软件TracePro的插件surface source property generator对选用的红、黄、蓝光进行表面光源模拟。

测量LED光源实物的尺寸参数，根据实际模型在TracePro中建模，如图2所示。在TracePro中将这3种光波长的属性赋予100个表面光源。

图2 LED阵列的TracePro建模

LED为朗伯辐射体，其光强分布可近似表示为

I(θ)=I0cosmθ。

(1)

其中：m值取决于半功率角；θ为光源光轴与任意发光面法线的角度。当θ=θ1/2(θ1/2为半值角)时，式(1)可改写为

(2)

即对于半功率角为±60°的光源，m值为1。LED是非相干光，因此多个LED对某个平面的照度可线性叠加求解。假设LED光源为N×M的阵列光源，当N和M都为偶数时，空间坐标点(x,y,z)的辐照度为[9]

(3)

对反光杯与光学透镜建模，并将其与光源进行组合。如图3为LED光源光学模型。反光杯内表面设置为吸收率5%的镜面，透镜材料设置为肖特基玻璃BK7，其发散角约为60°～70°，生成2组LED阵列。对这200颗LED及相关器件进行光线追迹，在距离照射面20 cm处插入一个15 cm×15 cm的接收面，LED光源光线追迹如图4所示。

图3 LED光源光学模型

图4 LED光源光线追迹

该仿真目标在光照距离20 cm处两光斑基本重合，即在照射区域光照集中且均匀，能完全覆盖人脸。因底部散热器尺寸和整体结构制约，将两LED中心距离设置为17 cm，因此通过调整两LED阵列光源的夹角α来调节接收面的辐射照度分布，让光斑重合的同时，被照射区域光强较均匀。光强大小与辐照度相关，这里以辐照度参量为准，通过对不同夹角α下的光学模型进行仿真，得到辐照度分布图，并利用区域最大辐照度Emax和区域平均辐照度Eave计算辐照度均匀性U，计算公式为[10]

(4)

将仿真得到的辐照度图进行分析，并计算均匀性，表1为不同夹角α下照射区域的辐照度数据和照度均匀度。表1中的辐照度数据为仿真数据的相对值，非实际辐照度。

从表1可看出，当α=154.6°时，均匀度最佳，为75.1%，当α=154.2°时，均匀度74.9%，且平均辐照度略比α=154.6°高，因此建议取α为154.6°或154.2°。α=154.2°对应的辐照度分布图如图5示。从图5可看出，辐照度曲线在水平或垂直方向都较为平坦。

光斑的辐照度分布除了与LED夹角有关，还与反光杯和透镜汇聚作用有关，特别是当去除透镜后，光束发散，打在目标平面的光强很弱。图6为去掉透镜后目标探测面辐照度分布，相比于图5，光强明显变弱，平均辐照度下降约65%。

表1 LED在20 cm处不同夹角下的辐照度及均匀度

图5 LED以夹角α=154.2°在20 cm处的辐照度分布

图6 LED以夹角α=154.2°和无透镜组合在20 cm处的辐照度分布

2 硬件电路设计

2.1 光疗仪电路方案设计

将光疗仪的电路分为控制和驱动电路2个部分，两部分电路之间通过异步串口通信。具体的设计与采用的光源封装结构有关,本研究采用的是定制的2块集成LED阵列，每块阵列有红、蓝、黄3路接口，因3种光所需的电参数不同，故采用3组LED驱动电路来控制输出的电压电流。采用PIC单片机作为控制芯片的光疗仪电路方案架构，如图7所示。

图7 光疗仪电路方案架构

2.2 控制电路设计

光疗仪的控制电路包括PIC单片机最小系统、输入输出界面、电压转换、用电器控制等部分。本光疗仪选用的LED光源的电学参数如表2所示。工作电压变化范围为20～36 V，单路最大电流为2 400 mA。AC-DC电源选择医疗专用的开关电源，以解决电磁兼容问题。通过DC-DC电压转换电路，给不同模块提供不同的工作电压。

表2 LED光源的电学参数

控制电路通过底层协议，发送字符指令至驱动电路控制芯片的接收端，控制其开断和输出参数。PIC单片机工作电压低，基本在3～3.6 V，且功耗低，驱动能力强。它的优势在于抗干扰能力强，保密性强，其芯片EMC指标高，适合用于医疗器械，且具有极强的保密性。根据3路UART串口和I/O口数量的需求，选用PIC33EP系列的数字信号控制器作为控制电路的核心。

控制电路的用电器有LED指示灯、数码管显示、风扇、负氧离子模块，主要通过PIC单片机的I/O口电平控制。负氧离子模块由控制电路控制是否释放负氧离子。风扇用于LED光源和电路板散热。当选定工作模式时，按启停键后光疗仪开始工作，风扇开启，除负氧离子按键和启停键外，再触发其他按键为无效操作，处于锁屏状态，直到工作结束。

2.3 驱动电路设计

考虑LED驱动的架构时，可基于辐射低但效率也较低的线性电源，或者效率高、辐射也高的开关电源形式。大功率的LED驱动电路需采用恒流控制。基于线性电源的恒流电路通常是压控电流源。压控恒流源硬件架构如图8所示。将数模转换器与运算放大器级联，通过微控制器和电流检测电路、模数转换器构成的反馈环路，调整运放的输出电压来控制负载电流，从而构成一个数控的压控恒流源。

图8 压控恒流源的硬件架构

开关式恒流源的架构如图9所示。采用基于BUCK降压拓扑结构的功率电路，输入48 V电压，通过PWM调光控制功率电路中MOSFET的开关频率与占空比，调整步进电压。同时，通过反馈电路对电流取样，稳定输出，经模数转换后，MCU计算实际电流值，当检测到电流有变化时，通过MCU对PWM调光电路调整，从而改变开关占空比，调整输出电压，从而改变输出电流。

图9 开关式恒流源的架构

设计路时需考虑MOSFET和续流二极管的散热，可通过加大散热器面积或者外部风扇进行散热。由于MOSFET和大电感容易产生EMI问题，可采取适当屏蔽措施，如MOSFET的栅极和源极管脚加磁珠，散热器通过小电容再接地，避免高频信号通过散热片向外辐射。另外，选用AC-DC电源时要看输出是否有Y电容，在改善传导和空间辐射时，可在电源的输入输出适当加磁环。

3 测试结果

使用光谱仪分别测试每种颜色的光谱，其中红光的中心波长约为635.4 nm，其半波宽Δλ为17.5 nm；蓝光的中心波长约为454.3 nm，其半波宽Δλ约20.4 nm；黄光的中心波长为597.3 nm，其半波宽Δλ约14.67 nm。图10为距离光源20 cm处的光斑图。从图10可看出，2个LED阵列同时工作时，20 cm处光斑基本重合，距离20 cm处的光斑直径约26 cm，可覆盖人脸，并有一定的余量，光能分布集中且较为均匀。

图10 距离光源20 cm处的光斑

用功率计探头测量光辐射功率。在探头与透镜距离为0(z=0)和探头与透镜距离20 cm(z=20 cm)位置，测得对应光辐射功率，通过已知探测面积2.835 2 cm2即可计算出辐照度。通过计算得到的辐照度数据如表3所示。光辐射功率与电流大小有关，硬件电路可对电流值进行控制，从而切换光能量档位。从表3可看出，在z=20 cm，即光斑重合位置，不同电流值对应的辐照度不同。红光辐照度达18.4 mW/cm2，蓝光辐照度达29.6 mW/cm2，黄光辐照度达2.5 mW/cm2，因此总的辐照度输出达50.5 mW/cm2。但此时电流并未处于最大值，红、蓝光电流值最大为2.4 A，黄光最大为1.2 A，因此总辐照度输出可达50.5 mW/cm2。

4 结束语

为提高光疗仪辐照度，增加光治疗模式，设计了一种具有红、蓝、黄3种波长、光能分布集中且均匀的多波长皮肤光疗仪。用TracePro进行光学系统的设计与仿真，在距离光源20 cm处的目标平面，光斑重合，仿真光照均匀度可达75.1%。光疗仪的电路包括控制电路和驱动电路，两部分电路之间通过异步串口通信，将大功率的驱动电路与小功率的控制电路隔离，便于控制光波长和光能量的选择，实现参数自由组合。测试结果表明，在目标平面光斑直径约26 cm，总辐照度达50.5 mW/cm2以上。基于本设计思路，若想进一步提高辐照度，可增加集成LED光源数量，通过光学设计将光线汇聚，但对电路的效率和散热要求较高。

表3 辐照度数据