一種家用手持式紅外偏振光治療儀的設計與實現

劉振洗,劉 敏,王 婉,牛禮軍

(中國電子科技集團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、松弛肌肉、抑制神經興奮、促進活性物質產生、加速致痛物質代謝與清理等作用[1],是一種無創、無痛、無感染風險、適用范圍廣的理療器械[2],目前在醫院康復科、疼痛科、骨傷科、皮膚科等科室得到了廣泛應用[3-6],臨床療效已得到驗證。

醫院使用的紅外偏振光治療儀由于其價格高、體積大、操作復雜等原因,不適合推廣到家庭使用。同時隨著我國人口結構老齡化的發展和國民健康意識水平的提高,家庭康復理念日益深入人心,對高性價比的家庭康復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光療器械[7-8],據調研發現,目前國內暫未有已注冊認證、面向家庭使用的相關產品。為了滿足家庭應用需求,本課題組對手持式紅外偏振光治療儀系統進行了探索研制。

作為一款家用醫療產品,其應具有價格低、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,具有的關鍵技術指標如表1所示。

表1 關鍵技術指標

2 系統組成及工作原理

系統采用手持式光滑弧線結構,并配高亮液晶屏和簡易操作按鍵,以便提高操作舒適性的同時,減小系統體積。另外在保證關鍵性能指標不低于醫院用的同類產品的同時,通過創新設計,優化設計控制電路與光路,達到降低成本的目的。系統原理框圖如圖1所示,主要由控制模塊、光傳輸模塊、安全防護模塊、藍牙模塊、供電電源等模塊組成。控制模塊用于調節光源的輸出強度、監控安全防護信息、處理人機交互信息；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燈作為光源,保障治療過程中能產生極其穩定的光線,濾光單元取出透射人體效果最好的0.6～1.6 μm的復合波段光,偏振單元產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2200 mW；安全防護模塊設計有過熱保護、過壓保護、過流保護及運行狀態監測；藍牙模塊用來與手機進行通信,實現手機終端的無線控制；系統采用外部醫療型適配器進行供電,以降低系統主機重量,同時提高系統供電安全性與可靠性。

圖1 系統原理框圖

控制系統啟動后進行安全狀態自檢,若自檢發現異常,則進行聲光報警。通過人機交互接口設置照射的參數,并在液晶上顯示,啟動照射時,系統根據設置的參數,調節控制光源的輸出功率、輸出時間及輸出模式。照射過程中,系統通過溫控開關、溫度檢測、散熱風扇等組合方式對設備內部溫度進行控制,通過閉環反饋控制保證輸出光功率的穩定性,同時對供電過壓與過流進行保護。結束照射時,系統停止光功率輸出,蜂鳴提示,并將照射參數恢復至用戶設置值,以便再次啟動照射。

3 系統軟件設計

依據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資源,軟件采用模塊化設計思路,整體劃分為人機交互模塊、運行控制模塊和藍牙通信模塊三個功能模塊,每個功能模塊根據包含的具體功能又進一步劃分為若干單元,如圖2所示。

圖2 軟件功能模塊劃分

人機交互模塊主要對按鍵、液晶、LED、蜂鳴器等人機交互單元進行控制和監測。按鍵管理單元包含按鍵輸入檢測與處理、按鍵自鎖任務；液晶顯示單元包含照射參數和運行狀態顯示程序；報警控制單元包含對蜂鳴器和LED視覺報警的管理控制。

運行控制模塊主要包含光源控制、照射計時管理、溫度控制、安全防護監測等功能。光源控制單元包括光源的預熱處理、光源光功率的調節、照射模式的切換控制等；溫度控制單元實時采集治療儀內部溫度及控制散熱風扇運行；安全防護單元包括溫控開關狀態監測、散熱風扇狀態監測、光源供電電源監測、程序異常監測。

藍牙通信模塊主要包括接收、解析、處理手機客戶端發送的命令信息,并回傳治療儀系統運行的狀態信息,實現手機對治療儀的無線操控。

4 關鍵技術研究

4.1 光源啟動沖擊電流抑制

由于光源冷態負載阻抗很小,如果啟動照射時直接在光源兩端施加目標電壓,就會產生很大的沖擊電流,對電路的過流能力提出很高的要求,同時會產生很強的光功率,因此需要抑制啟動電流。如果使用常規的繞線電感抑制,不僅需要的電感體積大,而且發熱也會很厲害,特別是運行在間斷照射模式下,頻繁地通斷,熱損耗很大。如果使用NTC熱敏電阻來抑制,雖然啟動照射時NTC具有較高的初始冷態電阻,可以有效地吸收峰值浪涌電流,但當NTC發熱后其阻值就會迅速下降,在間斷照射模式下間斷時間過后再次點亮光源時,NTC因為沒有足夠的時間冷卻,將無法恢復冷態時的阻值,難以再起到對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,本方案采取分時階梯升壓措施,即啟動照射時在光源兩端施加一系列階梯上升的電壓,每個階梯電壓保持一定的時間,讓燈絲逐漸預熱,逐步增加光源阻抗。使光源從較低的安全電壓啟動,逐級提高到目標電壓,并且在每一級電壓留有足夠的時間使沖擊電流下降,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比圖如圖3所示,抑制前沖擊電流高達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 光功率穩定性控制

光功率是治療儀的核心指標之一,與治療效果緊密相關,如何保證治療過程中光功率的穩定性是設計的重點。本方案采取兩種措施解決這一問題,一是利用閉環反饋技術實時校準施加在光源兩端的電壓,保證實際電壓與標準電壓的誤差在40 mV以內,盡量減少電壓波動對光功率產生的影響；二是根據治療儀內部的溫度,加載與溫度相對應的光源驅動電壓,使光源光功率能夠在不同的環境溫度下(5～40 ℃)快速穩定下來且滿足要求,盡量減少環境溫度對光功率產生的影響。實現原理框圖如圖4所示。

圖3 沖擊電流抑制前后對比

圖4 光功率穩定性控制原理框圖

4.3 安全防護技術

作為一款手持式家用醫療器械,相對于醫院環境使用的醫療器械,其使用環境和使用人員的情況更為復雜,其安全性尤為重要,因此安全防護設計是系統設計的重點,本方案從硬件、軟件方面分別進行安全防護設計。

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和極低的漏電流,滿足醫療安規認證,保證供電安全,同時采取限壓限流措施,并實時監測供電電壓的幅度,避免輸出過大的光功率,灼傷患者皮膚；二是限制設備內部的溫度,使溫度滿足《YY0306-2008熱輻射類治療設備安全專用要求》規定的溫度[9],本方案采用散熱風扇、溫度傳感器和溫控開關多重保護辦法,減少熱量積聚,控制溫升上限,實時監測溫度、風扇旋轉及溫控開關狀態并提前預警,防止意外情況發生。

軟件方面,一是對可調電源模塊的調控設置值進行合法性判斷,并對設置值進行回讀驗證,防止電源模塊輸出意外電壓；二是對電壓采集值進行濾波,剔除壞值,防止誤判；三是啟用看門狗監視程序運行,防止程序死機或跑飛,失去對治療儀的控制；四是手機藍牙和治療儀進行信息交換時,采用具有校驗碼的通信協議和握手通信機制,提高通信的可靠性,降低誤碼率。

5 系統實現及測試

課題組根據系統設計方案,在攻克關鍵技術基礎上,成功自主研制了手持式紅外偏振光治療儀樣機,樣機外觀如圖5所示。樣機按照產品規范進行了檢驗,滿足《GB 9706.1-2007醫用電求氣設備 第1部分:安全通用要求》標準和《YY 0505-2012醫用電氣設備 第1-2部分:安全通用要求 并列標準:電磁兼容要求和試驗》標準的規定,通過了關鍵技術指標的測試。

圖5 治療儀樣機外觀

5.1 光譜范圍測量

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

5.2 偏振度測量

選用THORLABS公司的PAX5710系列偏振態測試儀,配合可調光闌、準直透鏡和窄帶濾光片進行治療儀偏振度的測量,測量示意圖如圖7所示。測量時將治療儀固定在光學平臺上,借助可調光闌把治療儀發光面模擬成一個點光源,再經過準直透鏡變成平行光,平行光通過激光窄帶濾光片模擬成為單色光,單色光進入偏振態測試儀測得治療儀輸出光的偏振度[10]。

圖6 光譜范圍測量結果

圖7 偏振度測量示意圖

治療儀輸出600～1600 nm的連續光譜,由于連續光譜的偏振度還不能直接測量,本文采用不同波長的激光窄帶濾光片模擬單色光,分別測量治療儀在600 nm、700 nm、800 nm等波長處的偏振度,測量結果如圖8所示,偏振度均大于95 %,滿足設計要求。

圖8 600 nm、700 nm、800 nm波長處偏振度測量結果

5.3 輸出光功率測量

使用Gentec-EO公司UNO系統功率計和UP55N-40S-H9功率探頭測量治療儀輸出的光功率,治療儀最大輸出功率可達2200 mW,測量結果如圖9所示,光功率輸出強度可根據用戶設置,進行自動調節。

圖9 輸出光功率測量

6 總 結

本文對手持式紅外偏振光治療儀進行了研究,提出了一種可行的系統實現方案,先后分析了系統組成和工作原理,劃分了軟件功能模塊及任務,并對關鍵技術進行了研究。目前已完成了樣機的設計驗證,通過測試實現了預期的功能與性能指標,下一步將繼續對樣機的功能與性能指標進行優化,并進行注冊檢驗與臨床試驗,進一步驗證治療儀的安全性與有效性。