用于微小距离的阻抗检测的高精度升降装置研制

侯振中，刘子悦，李文慧，蒋松怿，赵 博，刘玉明，游国鹏，周 宇

目前中国国内治疗瘢痕的主要手段有硅胶、压迫疗法、局部注射皮质类固醇激素、激光治疗、冷冻疗法等[1～3]。其中等离子皮肤再生技术是一种治疗瘢痕的新型安全治疗手段[4～10]。在皮肤很微小的间距内产生高强度的电场，激发空气中氮气分子，形成等离子体放电，在治疗区域内造成可控深度的少量热损伤并形成聚焦的微创通道来剥脱皮肤组织，而周围的正常组织不受影响。近年来，瘢痕的精细化治疗成为医学研究的热点，中国对等离子体皮肤再生技术的研究尚处早期，探究直流电离产生等离子体技术中电离距离对治疗效果影响，有助于研发用于精准治疗的医疗美容设备。采用夹具固定的设备会出现设备针尖无法随实验材料质地和形状的改变而自动调整距离的问题。人工手持则会由于手部的微小抖动造成较大电离距离误差。为解决上述问题，研制了基于阻抗检测的精准距离控制平台。设计以意法半导体公司的STM32F103VG 芯片控制由阻抗检测芯片AD5933 及外围电路组成的检测模块进行实时监测等离子体设备针尖与背极板之间的阻抗变化，来控制伺服电机42SSC-HB 运动状态的人机交互装置，使针尖触及表皮后上升不同的亚毫米级距离。通过实验验证该装置高精度距离升降的功能。

1 材料与方法

1.1 实验材料

LRS-200 系列200 W 开关电源（明纬，中国台湾）；主控芯片STM32F103VG（意法半导体有限公司，瑞士）；7 寸显示屏（武汉中显公司，中国）；SS 系列42SSCHB 伺服步进电机、42SDC-H 电机驱动器（深圳智创公司，中国）；AD5933[亚德诺半导体公司（ADI），美国]；固定微针装置（自制）。明纬电源符合国际标准安全规定国际电工委员会（International Electrotechnical Commission，IEC）/EN（European Norm）60335-1（PD3）、IEC/EN61558-1，-2-16、IEC/EN/UL60950-1 及中国标准GB 4943.1—2011。

1.2 方法

1.2.1 装置的设计

阻抗检测的距离控制系统的总设计框图如图1所示。该系统由5 大模块组成：电源模块，主控模块，人机交互模块，阻抗检测模块，电极升降模块。电源模块采用220 V 转24 V 的明纬电源，24 V 用于伺服电机、直流转直流（direct current-to-direct current，DCDC）电压转换的输入部分及芯片、人机界面的供电部分。主控模块负责与阻抗检测模块和人机交互模块通信、控制电极升降模块的电机运动状态；阻抗检测模块中围绕ADI 公司的AD5933 设计外围电路，进行阻抗测量；人机交互模块采用武汉中显公司的显示屏，实现不同功能的选择和阻抗值显示；电极升降模块通过接收细分数改变步进电机转速完成距离的精确控制。将各模块组装至定制的机械外壳中。如图2所示为距离控制装置实物图。

1.2.1.1 电源模块 电极升降模块中伺服电机及驱动器需24 V/5 A，主控模块电路为3.3 V/200 mA 的供电需求，将主控芯片输入/输出（input/output，I/O）脚产生的3.3 V 高电平电压升至5 V 的驱动电路需要大约5 V/500 mA，总计电源输出功率至少为130 W。为此，采用明纬LRS-200 系列200 W 开关电源[11]，产生24 V 供给电极升降模块，同时使用基于TPS54560 芯片的BUCK（降压）型DC-DC 电路将24 V 电源降至5 V/5 A 和3.3 V/5 A 的输出，作为驱动电路、主控模块、阻抗检测模块的工作电源。

为了避免浪涌电流和明纬电源的异常工作造成系统损坏的情况，在BUCK 型电路输出端口加入了双路保护。如下图3所示为双路保护电路。一路监测输出电压；另一路监测输出电流。后者采用增益为20 倍的INA293A1IDBVR 电流检测芯片，检测电阻为0.03 Ω。任何一路出现输出大于最大值的异常情况，LM2903双路差分比较器都将拉低TPS5460 的使能引脚EN（Enable，使能），及时切断电源，保护设备安全。

1.2.1.2 主控模块 选用高性能微控制器（micro controller unit，MCU）——STM32F103VG，并进行外围晶振电路、复位电路等设计。该芯片采用Cortex-M3内核，拥有独立的指令总线和数据总线，使得数据访问不再占用指令总线，提升了性能。STM32F103VG 有众多优点，如片上有集成电路总线 （inter-integrated circuit，I2C）、通用同步异步接收发送器（universal synchronous asynchronous receiver transmitter，USART）、12 位同步采样模拟数字转换器 （analog-to-digital converter，ADC）及80 个I/O 接口等丰富的外设和低功耗、低成本的特点。这里MCU 主要实现的功能为：①使用I2C 与阻抗检测模块通信收发指令和阻抗数据；②通过编程，将接收到的AD5933 数据，通过算法处理为待测阻抗的幅值和相位；③采用USART 通信接收人机交互屏幕的命令来控制系统工作的启动与停止及阻抗值显示；④根据距离算法，产生不同的脉宽调制（pulse width modulation，PWM）波调控伺服电机工作状态，实现电极升降模块中针尖的高精度微小运动。

通过测试行动联合组织（Joint Test Action Group，JTAG）、通用串行总线（universal serial bus，USB）接口将编辑好的程序下载到芯片中。

1.2.1.3 电极升降模块和人机交互模块 传统交流伺服电机停止时存在摆动问题，为此选用深圳智创公司的SS系列42SSC-HB 伺服步进电机。该电机具有高精度、高响应、不失步及停止时绝对静止的优点，弥补传统交流伺服的不足。配合10 000 每转脉冲数（pulses per revolution，PPR） 的42SDC-H 编码器及精密滚珠丝杠轴，实现0.001 毫米/转的最小步进距离。编码器根据主控模块产生的PWM 矩形脉冲的脉宽和周期控制电机运动速度，使升降模块中的微针针尖达到离体组织表面亚毫米高的间隙。在标准大气压下，等离子体设备在亚毫米级微小间隙下产生千伏电压能够达到均匀电场中空气间隙的击穿场强约30 kV/cm 的要求[12]。

选用一块武汉中显公司的7 寸用户图形界面设计工具（viewtech graphical user software，VGUS）电容SDWe070T01 屏幕模块。设计了开始、结束、上升和阻抗值显示等功能按钮的人机交互界面，方便实验人员的基本操作。该屏幕采用RS-232C 协议以115 200 bps速度与主控芯片STM32F103VG 进行双向指令和数据的传输。

1.2.1.4 阻抗检测模块 阻抗测量有3 种方法：自动平衡电桥技术、电流转电压（IV）和射频-电流转电压（radio-frequency-IV，RF-IV）技术、传输/反射技术，采用以上任一技术原理来设计单独的检测电路都会增加设计的复杂度并引入电磁干扰。选择Analog Devices的AD5933 进行阻抗测量模块的设计是因为AD5933具有计算0～100 kHz 交直流下1 kΩ～1 MΩ 阻抗值的实部（R）和虚部（I）的功能，而大部分离体组织阻抗值都在该范围内。

AD5933 作为一款高精度阻抗转换器，通过片内直接数字式频率合成器（direct digital synthesizer，DDS）产生0～100 kHz 的电激励信号，使外部测试阻抗两端产生电压差，利用内置12 位、每秒采样一百万次（1 million samples per second，1MSPS） 的模数转换器采样量化该电压差并在片内数字信号处理器（digital signal processor，DSP） 进行离散傅里叶变换（discrete Fourier transformation，DFT）处理得到阻抗实部（R）与虚部（I），最后以I2C 的通信方式将计算结果送入主控模块进行阻抗模值和相角的计算。此外，由于阻抗检测模块数据采样时间标称约为1 ms，在0.23 mm/s 的电极升降模块的下降速度下仅造成升降装置2.3×10-4mm的升降距离误差。

1.2.2 算法设计

1.2.2.1 距离控制算法 为了根据不同实验材料的形状和质地，通过动态调整升降实现保持相同的微小间隙，设计了相应的控制算法。软件设计流程图见图4。在收到人机交互界面的开始命令后，主控芯片STM32F103VG 通过I2C 通信协议配置AD5933，进行实时检测升降模块中针尖到其正下方背极板之间的阻抗，同时驱动电机使针尖下降。若计算前后2 次阻抗之差远低于设定阈值，则判定针尖还未触碰实验材料表面，保持继续下降；若前后2 次阻抗之差高于阈值，则针尖已经触碰实验材料表面，停止针尖的下降。同时，向AD5933 发送复位指令停止检测。电机经过几秒暂停后，被重新开启。电机反转使针尖上升至预先设定的相对实验材料表面的距离d 处。电极上升至指定位置后，再次开启阻抗检测，此时阻抗之差远低于设定阈值，则确定针电极处于实验材料上方。

1.2.2.2 阻抗幅值与相角 Analog Device 公司的AD5933仅输出待测阻抗的实部（R）和虚部（I），为了得到待测阻抗的幅值与相位。根据芯片datasheet 提供的数学公式，设计了计算幅值与相角的算法。

因阻抗的实部（R）和虚部（I）均存在正负情况，计算相角时应分为4 种情况予以讨论（表1）。根据表1相角计算公式，可准确计算出阻抗相角情况。此外，将R 和I 值代入公式（1）求得幅度（X）后，乘以校准项并求倒数算得阻抗值（O），即公式（2）：

表1 阻抗相位角度Tab.1 Phase angles of impedance

其中：增益系数β 通过公式（3）计算：

由于不同频率下码值不一致，因此将AD5933 得到的阻抗码值与阻抗网络分析仪测得阻抗值作比较，计算两者误差，求得该频率下增益系数。通过多次实验，将相同频率下的计算所得增益系数做平均处理，减小误差的影响，实现对阻抗检测精度的矫正。

1.2.3 设备功能验证

1.2.3.1 阻抗测量验证实验 选取检测芯片最小测量值附近的9.76 kΩ 标准碳膜电阻、最大检测值附近的530 kΩ 标准碳膜电阻及大小适中的31.4 kΩ 标准碳膜电阻作为实验材料。通过编程使AD5933 产生50 kHz 交流激励，进行阻抗检测，观察装置屏幕显示的阻抗幅值。将上述3 个电阻通过阻抗网络分析仪测得50 kHz 下的阻抗值，作为对照值。记录实验值和对照值结果，并计算相对误差。

1.2.3.2 精确的距离控制验证实验 首先，通过STM32F103VG 芯片外设的定时器中断技术，采用逐次逼近的方法，大致估算出一次阻抗检测时间约为7 ms。由于阻抗检测和针电极的下降是同步进行，7 ms 的信息延迟使得0.23 mm/s 移动速度下的电极至多下降0.001 6 mm，约占0.1 mm 的1.6%，因此该延迟对距离控制的精度影响较小。

在此前提下，进行了距离控制实验。选用同一马铃薯块作为实验材料并预先设定目标间隙（d）为0.10 mm、0.15 mm、0.20 mm 和0.30 mm。每一距离下随机移动该马铃薯块的位置并重复进行3 次电极升降。在升降过程中，使用电极升降模块外置五按键数显高度尺记录针尖接触马铃薯块表面的位置（h0）和上升到目标间隙的位置（h1），通过计算求得实际间隙（h0-h1）与目标间隙（d）误差率。

1.2.4 离体组织电离实验

1.2.4.1 实验材料 依据国内外已有的基于马铃薯为实验材料的电穿孔及射频消融实验的成功案例，实验选用马铃薯作为实验对象[13～15]。马铃薯块的氧化面积颜色深浅不同，适宜于作为不同场强下观察电离效果的实验材料。根据相关文献，等离子体会对生物大分子淀粉产生氧化作用，使其中部分化学键断裂或产生羰基及羧基，导致淀粉生物大分子发生结构变化[16，17]。笔者实验将在不同间隙下施加相同的电离能量在马铃薯上，根据马铃薯不同的氧化情况分析实验效果。

1.2.4.2 实验设计 准备一批长2.0 cm、高宽1.5 cm的马铃薯块作为实验材料，分为4 组，每组有8 个实验样本。擦拭干净马铃薯块表面，确保无液体残留。其中一组不做任何处理，作为对照组。其余3 组，将马铃薯块放在贴有金属箔的背极板上。利用导线把自研的等离子体设备[18]的电极与升降模块的微针相连接。使用该高精度升降装置分别在0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm 距离下进行0.03 J 的2 000 V 等离子体治疗实验。

实验中，点击电离设备的开始按钮后，可观察电极针与马铃薯之间有弧光出现，这时高压电离空气产生等离子体作用于马铃薯。

1.2.4.3 分析方法 将电离后的马铃薯放置恒温箱40 h，观察氧化结果。在同一环形灯的照射下，用水平支架固定手机，拍摄同一距离下所有马铃薯块正面图片。采用Adobe 公司的Photoshop 软件分析图片中的氧化面积。将图片导入Photoshop 中，选择色彩范围分析法计算出选区内取样颜色的总面积。图5A 为色彩范围设定界面，选定容差值为101，容差是指颜色相似度，数值越小表示越精确。图5B 中白色线框内即为选中区域，通过Photoshop 软件中记录测量功能计算所选区域内像素面积。图片尺寸以像素为单位，测量比例为1 像素，氧化面积的单位是像素平方。

2 结果

2.1 阻抗测量实验结果

50 kHz 交流下阻抗分析仪和检测模块测得的对照值与实验值见表2。50 kHz 下阻抗测量的误差率基本保持在5%以内，满足阻抗检测的设计要求。

表2 阻抗测量实验检测数据结果Tab.2 Results of impedance measurement experiment

2.2 距离控制实验结果

对采用同一马铃薯块的实验材料进行不同间隙下的距离实验。如表3所示为0.30 mm、0.20 mm、0.15 mm 和0.10 mm 的目标间隙与实际间隙的误差率情况。0.10 mm、0.20 mm、0.30 mm 距离实验的误差率近似为0%，0.15 mm 间隙下的3 次实验均出现6.7%的误差率。

表3 距离控制实验测量数据结果Tab.3 Results of distance control experiment

2.3 离体组织电离实验

如图6所示为不同间隙下离体组织电离实验的结果，从左向右依次为0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm 及对照组的马铃薯块正面氧化情况。使用OriginPro 软件进行数据处理。如图7所示为马铃薯正面氧化面积与间隙距离关系。3 组样本均发生电离。

3 讨论

该装置解决了等离子体设备不能在微小间隙下进行电离的问题，为进一步探究等离子体技术提供了便捷的平台。该装置外壳内外两侧均涂有绝缘漆，保障了使用者的安全性。同时简洁的人体界面，降低了人员的操作难度。但该装置断电时偶有发生伺服电机失步的情况，导致电极升降模块中微针受压形变，增加了设备的维修成本。对于距离控制实验所选实验材料单一的问题，后期将加入不同材质和形状的离体组织的实验数据。此外，0.15 mm 距离下的多次实验中均出现6.7%的误差率是因为程序内只加入了0.1 mm精度下的修正系数，所以后期将通过增加0.01 mm 精度下的修正系数，重新进行实验。

通过2 000 V 下不同距离的马铃薯块的电离实验结果发现，在0.3 mm 以下，间隙距离越小，氧化面积越大。该实验为等离子体治疗技术提供了新的研究角度。

4 总结

笔者研制的阻抗检测的高精度升降装置，通过阻抗检测实验和距离控制实验，验证了装置能够检测±5%误差范围1 kΩ～1 MΩ 的阻抗值和实现相对误差在0.1 mm±7%精度的距离控制，证明了装置设计的可行性和装置的高精度特性。离体组织电离实验的成功，说明了该装置用于微小距离下的等离子体实验可能性，为后续进一步探究电离距离对等离子体皮肤治疗效果影响提供实验平台。