基于STM32 低溫等離子體射流儀的設計

田大軍，顏彬 ，朱寧

（1.濟南正平自動化設備有限公司，山東濟南， 250101；2.山東兆宇電子股份有限公司，山東濟南， 250101）

0 引言

低溫等離子體技術用于醫(yī)學的研究始于20 世紀末，近幾十年以來，世界各國的研究學者開始關注和重視低溫等離子體技術在醫(yī)療方面的應用。研究者嘗試使用等離子治療用于取代藥物治療或者輔助治療，彌補傳統(tǒng)的醫(yī)療技術的不足，希望獲得更好的治療效果，從而避免藥物使用造成的副作用，以及替代傳統(tǒng)的手術、放射及化學療法等帶來巨大的傷害。近年來，低溫等離子技術在醫(yī)學應用方面陸續(xù)取得了一系列重要進展，如病菌的滅活、癌細胞處理、正常細胞的處理、凝血等[1]。

等離子體又稱等離子態(tài)，與常見的固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)一起構成物質的4 個基本形態(tài)，是由帶正電荷的正離子、帶負電荷的負離子和不帶電荷的中性粒子組成的、整體呈電中性的氣體。低溫等離子體可以由外部能量的激發(fā)使氣體電離而產生，并呈現出高度激發(fā)的不穩(wěn)定態(tài)。由人工產生的等離子體，其中除了電子、離子之外還有原子、分子、活性自由基及電磁波等。等離子體可分為高溫等離子體和低溫等離子體。其中，低溫等離子體可以在常溫下生成，因此在生物醫(yī)學等領域有著廣泛的應用。圖1 是等離子體生成示意圖。

圖1 等離子體生成示意圖

1 系統(tǒng)原理及結構

現實應用中用于醫(yī)學治療的均為低溫等離子體，等離子體具有極強的殺菌作用，可廣泛用于抗感染治療。低溫等離子體中的各種成分，包括自由電荷、自由基、活性光子（紫外線）、激活的原子和分子、穩(wěn)定的轉換產物等的綜合作用，可以有效地殺滅各種細菌。其作用機理包括粒子穿透細菌細胞壁屏障，直接與胞內生命物質發(fā)生作用，而導致細菌死亡[2]。此外，在等離子的作用下，刺激細菌生長環(huán)境發(fā)生變化或者使細菌代謝酶活性降低等，都可能導致細菌死亡。本系統(tǒng)設計的低溫等離子體射流儀通過儀器的手持治療頭，產生長度約5cm 左右、直徑約5mm 的等離子體射流，如圖2 所示，低溫等離子體射流的溫度為常溫。

圖2 低溫等離子體射流

低溫等離子體射流儀的原理主要是高頻高壓交流電激活氦氣產生的低溫等離子體射流，故設備整體是需要氦氣耐壓容器以及相應控制氣體的開關和壓力表，低溫等離子體治療儀包括硬件電路設計和上位機界面設計兩大部分，其中硬件電路主要是STM32 單片機組成的包括充電控制電路、充電檢測電路、電磁閥控制電路、流量反饋電路、觸摸屏電路以及電源電路等，另外一部分就是由KA3525 的驅動電路、高壓包放大電路和可調開關電源組成。這兩部分組成了整體的硬件電路部分，還有一部分就是上位機界面設計部分。

氦氣選用10~20 升/12MPa 標準瓶裝，約1200~2000標升。在6L/分的流量下，可工作200~400 分鐘。在主機外氦氣瓶配有標準減壓閥，用于氣體的開關和氣壓調節(jié)，再就是配用手動留了調節(jié)閥，用于主機內氣體流量的調節(jié)，該儀器首先產生穩(wěn)定可靠的高頻高壓交流電壓，在儀器的電路控制上利用STM32 單片機根據實際應用進行實時流量的控制，該控制器主要有控制輸出電壓，實時監(jiān)測電壓，以及通過上位機的控制電磁閥控制氦氣氣體的流量開關，以及根據需要得到準確的流量反饋，圖3 是低溫等離子體射流儀結構框圖。

圖3 低溫等離子體治療儀結構框圖

2 硬件電路設計

硬件電路包括STM32 單片機控制部分和高壓驅動電路兩部分，STM32 單片機具有高速低功耗的優(yōu)點，而且基本不需要外部的硬件擴展，且是有大量成熟可用的經典案例可借鑒，主體控制電路主要有充電控制電路、高壓驅動電路、充電檢測電路以及液晶屏電路部分，下面著重介紹以下幾個電路的設計原理。

■2.1 充電控制電路

充電控制電路主要是通過STM32 單片機的IO 口，通過圖3 所示的PWM 端，利用LM258 運放的同相放大和第二級的電壓跟隨電路，通過光耦TLD521 來控制后端高壓驅動電路的KA3525 芯片的通斷，從而實現低壓信號控制高壓電路的通斷。圖4 是充電控制電路圖。

圖4 充電控制電路圖

■2.2 高壓驅動電路

通過前端充電控制電路就可以通過KA3525 芯片的驅動電路來控制四片2SA1013 的通斷形成高頻脈沖波形，然后通過D5191-111 驅動雙向脈沖驅動觸發(fā)變壓器和兩片G4P50UD 將來自可調0~110V 的直流電源電壓合成為交流可調高頻脈沖波形，其幅值可調范圍為0~110V，這樣就可以通過外置的滑動電阻器的旋鈕來控制脈沖電壓幅值的大小，在輸出端接入特殊繞制的1:100比例的高壓包，就可以將0~110V 幅值的交流信號放大到0~11000V 的高壓高頻的交流脈沖信號[3]，利用尖端放電原理來激發(fā)氦氣就可以產生出低溫等離子體了。圖5 是高壓驅動電路圖。

圖5 高壓驅動電路圖

■2.3 充電檢測電路

充電檢測電路主要是實時檢測電路中的可調直流電源電壓大小情況，前端是通過電阻分壓的形式按照1:50 的比例將采集到的電壓Vc 通過D7 輸入，然后再通過LM258 的同相放大和第二級的LM258 的電壓跟隨電路將信號輸入到STM32 的模擬IO，通過內部處理和程序判斷可調直流電源電壓的幅值，不會因為可調直流電源的異常情況造成不可逆的影響，保證低溫等離子體在正常范圍內工作[4]。圖6 是充電檢測電路圖。

圖6 充電檢測電路圖

■2.4 液晶屏電路

液晶屏電路是采用的MAX3232 及外圍元件搭建，觸摸屏是采用的迪文觸摸屏，10.4 英寸液晶觸摸屏，面板上包括總電源開關、工作指示燈、故障報警燈、報警蜂鳴器等。圖7 是液晶屏電路圖。

圖7 液晶屏電路圖

3 上位機界面設計

上位機采用迪文10.4 英寸的液晶觸摸屏，其中上位機界面主要有以下顯示參量：

（1）流量。指產生等離子體的氣體流量的多少，以分段標記方式顯示，分別表示“正常”“不足”和“過高”。

（2）電壓。指產生等離子體的激勵電壓的大小，以標記方式顯示“正?！?，以故障標記方式顯示“不足”或“過高”。

（3）治療時間。用戶輸入病灶尺寸，并選擇治療強度類別。

如圖8(a)操作提示界面，點擊【參數設置】, 進入參數設置，如圖8(b)所示?！練怏w壓力】顯示當前氣瓶的壓力值，如數值太小（＜0.12MP），則需要更換氣瓶。

圖8 上位機界面顯示圖

系統(tǒng)還設計了外置的手持治療手柄，點擊待機界面中的【啟動/暫停】按鍵，手柄上的指示燈點亮，治療頭開始輸出等離子體射流，并自動計時。

4 小結

低溫等離子體射流治療儀主要用于手術后動物表皮細菌和真菌感染的治療，用于促進動物表皮慢性炎癥、慢性傷口、術后或糖尿病等并發(fā)癥造成的傷口愈合等治療，目前設計的低溫等離子體射流治療儀主要用于動物方面的治療，以后還會慢慢嘗試用于病人的治療的試驗，彌補傳統(tǒng)藥物副作用或者放射化療對人體的傷害，利用低溫等離子射流治療取代藥物治療或者達到輔助治療的目的，希望獲得更好的治療效果[5]。另外本文設計的低溫等離子體射流儀還有以下優(yōu)點：

（1）具有高效廣譜的抗菌特性，可在幾秒到分鐘的短時間內明顯殺滅在其作用范圍內的病原微生物。

（2）具有無毒副作用和無抗藥性的優(yōu)點，也不會產生過敏反應。

（3）具有促進細胞再生和加快傷口愈合的特性，促進自身新陳代謝和更新，促進傷口的凝血和愈合。