一種家用手持式紅外偏振光治療儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉振洗,劉 敏,王 婉,牛禮軍

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所,安徽 蚌埠 233010)

1 引 言

紅外偏振光治療儀利用對(duì)人體透射效果最好的0.6～1.6 μm波段的偏振光照射人體疼痛部位和穴位,有改善血液循環(huán)、松弛肌肉、抑制神經(jīng)興奮、促進(jìn)活性物質(zhì)產(chǎn)生、加速致痛物質(zhì)代謝與清理等作用[1],是一種無(wú)創(chuàng)、無(wú)痛、無(wú)感染風(fēng)險(xiǎn)、適用范圍廣的理療器械[2],目前在醫(yī)院康復(fù)科、疼痛科、骨傷科、皮膚科等科室得到了廣泛應(yīng)用[3-6],臨床療效已得到驗(yàn)證。

醫(yī)院使用的紅外偏振光治療儀由于其價(jià)格高、體積大、操作復(fù)雜等原因,不適合推廣到家庭使用。同時(shí)隨著我國(guó)人口結(jié)構(gòu)老齡化的發(fā)展和國(guó)民健康意識(shí)水平的提高,家庭康復(fù)理念日益深入人心,對(duì)高性價(jià)比的家庭康復(fù)器械的需求也日益迫切。然而紅外偏振光治療儀作為一款有效的疼痛康復(fù)光療器械[7-8],據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn),目前國(guó)內(nèi)暫未有已注冊(cè)認(rèn)證、面向家庭使用的相關(guān)產(chǎn)品。為了滿足家庭應(yīng)用需求,本課題組對(duì)手持式紅外偏振光治療儀系統(tǒng)進(jìn)行了探索研制。

作為一款家用醫(yī)療產(chǎn)品,其應(yīng)具有價(jià)格低、體積小、重量輕、工作溫度范圍寬(5～40 ℃)、美觀易用、交互友好、安全有效的特點(diǎn),具有的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

2 系統(tǒng)組成及工作原理

系統(tǒng)采用手持式光滑弧線結(jié)構(gòu),并配高亮液晶屏和簡(jiǎn)易操作按鍵,以便提高操作舒適性的同時(shí),減小系統(tǒng)體積。另外在保證關(guān)鍵性能指標(biāo)不低于醫(yī)院用的同類產(chǎn)品的同時(shí),通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì),優(yōu)化設(shè)計(jì)控制電路與光路,達(dá)到降低成本的目的。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示,主要由控制模塊、光傳輸模塊、安全防護(hù)模塊、藍(lán)牙模塊、供電電源等模塊組成?？刂颇K用于調(diào)節(jié)光源的輸出強(qiáng)度、監(jiān)控安全防護(hù)信息、處理人機(jī)交互信息；光輸出模塊包含光源、濾光單元、偏振單元和治療頭,選用燈壁鍍金的高分子鹵素?zé)糇鳛楣庠?保障治療過(guò)程中能產(chǎn)生極其穩(wěn)定的光線,濾光單元取出透射人體效果最好的0.6～1.6 μm的復(fù)合波段光,偏振單元產(chǎn)生高偏振度的紅外偏振光,偏振度不低于95 %,治療頭輸出的光功率可達(dá)2200 mW；安全防護(hù)模塊設(shè)計(jì)有過(guò)熱保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)及運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)；藍(lán)牙模塊用來(lái)與手機(jī)進(jìn)行通信,實(shí)現(xiàn)手機(jī)終端的無(wú)線控制；系統(tǒng)采用外部醫(yī)療型適配器進(jìn)行供電,以降低系統(tǒng)主機(jī)重量,同時(shí)提高系統(tǒng)供電安全性與可靠性。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

控制系統(tǒng)啟動(dòng)后進(jìn)行安全狀態(tài)自檢,若自檢發(fā)現(xiàn)異常,則進(jìn)行聲光報(bào)警。通過(guò)人機(jī)交互接口設(shè)置照射的參數(shù),并在液晶上顯示,啟動(dòng)照射時(shí),系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置的參數(shù),調(diào)節(jié)控制光源的輸出功率、輸出時(shí)間及輸出模式。照射過(guò)程中,系統(tǒng)通過(guò)溫控開關(guān)、溫度檢測(cè)、散熱風(fēng)扇等組合方式對(duì)設(shè)備內(nèi)部溫度進(jìn)行控制,通過(guò)閉環(huán)反饋控制保證輸出光功率的穩(wěn)定性,同時(shí)對(duì)供電過(guò)壓與過(guò)流進(jìn)行保護(hù)。結(jié)束照射時(shí),系統(tǒng)停止光功率輸出,蜂鳴提示,并將照射參數(shù)恢復(fù)至用戶設(shè)置值,以便再次啟動(dòng)照射。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

依據(jù)手持式紅外偏振光治療儀的功能需求和主控處理器的外設(shè)資源,軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思路,整體劃分為人機(jī)交互模塊、運(yùn)行控制模塊和藍(lán)牙通信模塊三個(gè)功能模塊,每個(gè)功能模塊根據(jù)包含的具體功能又進(jìn)一步劃分為若干單元,如圖2所示。

圖2 軟件功能模塊劃分

人機(jī)交互模塊主要對(duì)按鍵、液晶、LED、蜂鳴器等人機(jī)交互單元進(jìn)行控制和監(jiān)測(cè)。按鍵管理單元包含按鍵輸入檢測(cè)與處理、按鍵自鎖任務(wù)；液晶顯示單元包含照射參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)顯示程序；報(bào)警控制單元包含對(duì)蜂鳴器和LED視覺報(bào)警的管理控制。

運(yùn)行控制模塊主要包含光源控制、照射計(jì)時(shí)管理、溫度控制、安全防護(hù)監(jiān)測(cè)等功能。光源控制單元包括光源的預(yù)熱處理、光源光功率的調(diào)節(jié)、照射模式的切換控制等；溫度控制單元實(shí)時(shí)采集治療儀內(nèi)部溫度及控制散熱風(fēng)扇運(yùn)行；安全防護(hù)單元包括溫控開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、散熱風(fēng)扇狀態(tài)監(jiān)測(cè)、光源供電電源監(jiān)測(cè)、程序異常監(jiān)測(cè)。

藍(lán)牙通信模塊主要包括接收、解析、處理手機(jī)客戶端發(fā)送的命令信息,并回傳治療儀系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)信息,實(shí)現(xiàn)手機(jī)對(duì)治療儀的無(wú)線操控。

4 關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1 光源啟動(dòng)沖擊電流抑制

由于光源冷態(tài)負(fù)載阻抗很小,如果啟動(dòng)照射時(shí)直接在光源兩端施加目標(biāo)電壓,就會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流,對(duì)電路的過(guò)流能力提出很高的要求,同時(shí)會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的光功率,因此需要抑制啟動(dòng)電流。如果使用常規(guī)的繞線電感抑制,不僅需要的電感體積大,而且發(fā)熱也會(huì)很厲害,特別是運(yùn)行在間斷照射模式下,頻繁地通斷,熱損耗很大。如果使用NTC熱敏電阻來(lái)抑制,雖然啟動(dòng)照射時(shí)NTC具有較高的初始冷態(tài)電阻,可以有效地吸收峰值浪涌電流,但當(dāng)NTC發(fā)熱后其阻值就會(huì)迅速下降,在間斷照射模式下間斷時(shí)間過(guò)后再次點(diǎn)亮光源時(shí),NTC因?yàn)闆]有足夠的時(shí)間冷卻,將無(wú)法恢復(fù)冷態(tài)時(shí)的阻值,難以再起到對(duì)沖擊電流的抑制作用。

為了在不增加成本的前提下,有效地抑制沖擊電流,本方案采取分時(shí)階梯升壓措施,即啟動(dòng)照射時(shí)在光源兩端施加一系列階梯上升的電壓,每個(gè)階梯電壓保持一定的時(shí)間,讓燈絲逐漸預(yù)熱,逐步增加光源阻抗。使光源從較低的安全電壓?jiǎn)?dòng),逐級(jí)提高到目標(biāo)電壓,并且在每一級(jí)電壓留有足夠的時(shí)間使沖擊電流下降,這樣能有效地抑制沖擊電流的幅度。采取抑制措施前后的對(duì)比圖如圖3所示,抑制前沖擊電流高達(dá)14.4 A,抑制后沖擊電流降為6.5 A,可見抑制效果明顯。

4.2 光功率穩(wěn)定性控制

光功率是治療儀的核心指標(biāo)之一,與治療效果緊密相關(guān),如何保證治療過(guò)程中光功率的穩(wěn)定性是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。本方案采取兩種措施解決這一問題,一是利用閉環(huán)反饋技術(shù)實(shí)時(shí)校準(zhǔn)施加在光源兩端的電壓,保證實(shí)際電壓與標(biāo)準(zhǔn)電壓的誤差在40 mV以內(nèi),盡量減少電壓波動(dòng)對(duì)光功率產(chǎn)生的影響；二是根據(jù)治療儀內(nèi)部的溫度,加載與溫度相對(duì)應(yīng)的光源驅(qū)動(dòng)電壓,使光源光功率能夠在不同的環(huán)境溫度下(5～40 ℃)快速穩(wěn)定下來(lái)且滿足要求,盡量減少環(huán)境溫度對(duì)光功率產(chǎn)生的影響。實(shí)現(xiàn)原理框圖如圖4所示。

圖3 沖擊電流抑制前后對(duì)比

圖4 光功率穩(wěn)定性控制原理框圖

4.3 安全防護(hù)技術(shù)

作為一款手持式家用醫(yī)療器械,相對(duì)于醫(yī)院環(huán)境使用的醫(yī)療器械,其使用環(huán)境和使用人員的情況更為復(fù)雜,其安全性尤為重要,因此安全防護(hù)設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn),本方案從硬件、軟件方面分別進(jìn)行安全防護(hù)設(shè)計(jì)。

硬件方面,一是采用外部低壓適配器供電,而非市電直接供電,所用適配器具有雙重絕緣保護(hù)和極低的漏電流,滿足醫(yī)療安規(guī)認(rèn)證,保證供電安全,同時(shí)采取限壓限流措施,并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)供電電壓的幅度,避免輸出過(guò)大的光功率,灼傷患者皮膚；二是限制設(shè)備內(nèi)部的溫度,使溫度滿足《YY0306-2008熱輻射類治療設(shè)備安全專用要求》規(guī)定的溫度[9],本方案采用散熱風(fēng)扇、溫度傳感器和溫控開關(guān)多重保護(hù)辦法,減少熱量積聚,控制溫升上限,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度、風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)及溫控開關(guān)狀態(tài)并提前預(yù)警,防止意外情況發(fā)生。

軟件方面,一是對(duì)可調(diào)電源模塊的調(diào)控設(shè)置值進(jìn)行合法性判斷,并對(duì)設(shè)置值進(jìn)行回讀驗(yàn)證,防止電源模塊輸出意外電壓；二是對(duì)電壓采集值進(jìn)行濾波,剔除壞值,防止誤判；三是啟用看門狗監(jiān)視程序運(yùn)行,防止程序死機(jī)或跑飛,失去對(duì)治療儀的控制；四是手機(jī)藍(lán)牙和治療儀進(jìn)行信息交換時(shí),采用具有校驗(yàn)碼的通信協(xié)議和握手通信機(jī)制,提高通信的可靠性,降低誤碼率。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及測(cè)試

課題組根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,在攻克關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)上,成功自主研制了手持式紅外偏振光治療儀樣機(jī),樣機(jī)外觀如圖5所示。樣機(jī)按照產(chǎn)品規(guī)范進(jìn)行了檢驗(yàn),滿足《GB 9706.1-2007醫(yī)用電求氣設(shè)備 第1部分:安全通用要求》標(biāo)準(zhǔn)和《YY 0505-2012醫(yī)用電氣設(shè)備 第1-2部分:安全通用要求 并列標(biāo)準(zhǔn):電磁兼容要求和試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,通過(guò)了關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的測(cè)試。

圖5 治療儀樣機(jī)外觀

5.1 光譜范圍測(cè)量

治療儀輸出光的有效光譜范圍不窄于(600～1600 nm),使用AQ6370D光譜分析儀進(jìn)行光譜測(cè)量,測(cè)量結(jié)果如圖6所示,600～1600 nm波段光譜輸出連續(xù)。

5.2 偏振度測(cè)量

選用THORLABS公司的PAX5710系列偏振態(tài)測(cè)試儀,配合可調(diào)光闌、準(zhǔn)直透鏡和窄帶濾光片進(jìn)行治療儀偏振度的測(cè)量,測(cè)量示意圖如圖7所示。測(cè)量時(shí)將治療儀固定在光學(xué)平臺(tái)上,借助可調(diào)光闌把治療儀發(fā)光面模擬成一個(gè)點(diǎn)光源,再經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡變成平行光,平行光通過(guò)激光窄帶濾光片模擬成為單色光,單色光進(jìn)入偏振態(tài)測(cè)試儀測(cè)得治療儀輸出光的偏振度[10]。

圖6 光譜范圍測(cè)量結(jié)果

圖7 偏振度測(cè)量示意圖

治療儀輸出600～1600 nm的連續(xù)光譜,由于連續(xù)光譜的偏振度還不能直接測(cè)量,本文采用不同波長(zhǎng)的激光窄帶濾光片模擬單色光,分別測(cè)量治療儀在600 nm、700 nm、800 nm等波長(zhǎng)處的偏振度,測(cè)量結(jié)果如圖8所示,偏振度均大于95 %,滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 600 nm、700 nm、800 nm波長(zhǎng)處偏振度測(cè)量結(jié)果

5.3 輸出光功率測(cè)量

使用Gentec-EO公司UNO系統(tǒng)功率計(jì)和UP55N-40S-H9功率探頭測(cè)量治療儀輸出的光功率,治療儀最大輸出功率可達(dá)2200 mW,測(cè)量結(jié)果如圖9所示,光功率輸出強(qiáng)度可根據(jù)用戶設(shè)置,進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。

圖9 輸出光功率測(cè)量

6 總 結(jié)

本文對(duì)手持式紅外偏振光治療儀進(jìn)行了研究,提出了一種可行的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案,先后分析了系統(tǒng)組成和工作原理,劃分了軟件功能模塊及任務(wù),并對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。目前已完成了樣機(jī)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證,通過(guò)測(cè)試實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能與性能指標(biāo),下一步將繼續(xù)對(duì)樣機(jī)的功能與性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化,并進(jìn)行注冊(cè)檢驗(yàn)與臨床試驗(yàn),進(jìn)一步驗(yàn)證治療儀的安全性與有效性。