红外偏振光治疗仪的光源控制技术
王 婉，刘 敏，刘振洗 （中国电子科技集团公司 第四十一研究所，安徽 蚌埠 233010）
摘 要：本文首先介绍了红外偏振光治疗仪光源控制模块的硬件设计方案，主要包括光源控制模块的组成及实 现方法。然后讲解了光源控制各子模块的软件设计，详细描述了数字电位器改变光功率大小的控制过程； 间 断模式治疗时通过改变MCU的I/O口电平实现光源的接通、断开处理，使用MCU的计时器功能对光源的通、 断状态进行计时；低温环境时，在光源两端生成阶梯状上升的电压，解决电路中冲击电流过大的问题；治疗仪 温度过高时，温控开关对设备的保护处理过程。最后，对红外偏振光治疗仪光源控制的研制成果进行总结。
关键词：红外偏振光治疗仪；光源控制；光功率；冲击电流；过温保护
0 引言
红外偏振光治疗仪是一种将偏振光与近红外光谱 有效整合，作用于人体相应的疼痛部位和穴位，实现 临床疼痛治疗的仪器。采用最新光电技术[1]，在波长为 (0.6~1.6) µm的范围内，输出光波功率高达2.2 W，对人 体组织的有效透射深度达5 cm以上，在治疗上实现深浅 组合，点面组合，可对人体炎症、神经性、创伤性疾患 进行有效的无创治疗。
红外偏振光治疗仪是由日本东京医研株式会社研制 的新型光疗仪器[2]，由于该设备的高效治愈性及广泛的 应用性而倍受青睐，在日本医学各领域，获得了很高的 评价。红外偏振光技术在中国还是属于一种较新的技 术，目前市场上只有几家医用红外偏振光治疗仪产品， 家用市场尚属空白。本文研制的新型家用红外偏振光治 疗仪，是顺应当前医疗产业发展趋势的新型家用光疗 仪器。
1 硬件设计
红外偏振光治疗仪的关键技术就是光源控制，如图 1所示为光源控制模块的硬件原理图。光源控制模块由 医疗型适配器、主控电源、温控开关、光控电源、数字 电位器和外围电路组成。适配器实现220 V AC—12 V DC的转换，为整个系统供电。光控电源的ON/OFF端通 过MCU的I/O口进行关断、接通控制，实现光源的间断 模式输出；光控电源的输出电压由MCU控制的数字电 位器进行分档调节，从而实现光功率的控制。温控开关 实现超温保护功能，当机壳内部温度超限时切断光控电 源供电，防止意外事故。光控电源的输出电流过大时， 保险丝会切断，对光源起到保护作用。
2 软件设计
红外偏振光治疗仪系统软件是基于 STM32 平台开 发的，本系统需要实现光源的光功率大小控制、通断控 制、预热处理和过温保护等功能。通过MCU控制数字 电位器的输出电阻，改变光控电源的输出电压，实现光 功率大小控制；通过改变MCU的I/O口电平控制光控电 源的ON/OFF端口，实现光源输出的开启和关闭；通过 控制光源两端的输出电压呈阶梯状上升实现光源预热处 理；通过采用外部中断对温控开关进行状态监测实现过 温保护功能。
2.1 光功率调节
通过MCU控制AD5243数字电位器的输出电阻， 改变光控电源MQ7250的输出电压，实现光功率大小 控制。
AD5243数字电位器兼容I2C通信接口，可以实现与 机械电位计或可变电阻器一样的电子调节功能。本文使 用MCU上2个通用I/O端口模拟I2C总线接口，实现对数 字电位器的读、写数据以及控制操作。
I2C[3]总线是一种具备总线裁决和 高低速器件同步功能的高性能串行总 线。它只有两根双向信号线，即数据 线SDA和时钟线SCL。I2C总线接口数 据通信协议部分的条件状态主要包括 I2C总线接口的起始条件、停止条件、 应答、无应答、等待应答等。
向AD5243写数据：首先主机通 过发送起始信号来启动数据传输，即 当SCL为高电平时，SDA从高电平变 为低电平。然后发送7位从地址，并 等待确认信号。接着发送通道编码， 选择通过1或通道2，等待确认信号。 最后通过串行总线传输1个字节的数 据，该总线具有9个时钟脉冲的序列 （8个数据位，然后是确认位）。
从AD5243读数据：与写数据不同 的是数据字节紧跟在从机地址字节的 确认信号之后。
当读取或写入所有数据位后，由主机建立停止条 件，即当SCL为高电平时，SDA从低电平变为高电平。 具体通信过程如图2所示。
2.2 光源通断处理
为了增加治疗效果，避免长时间照射人体组织易产 生适应性的缺点，家用型红外偏振光治疗仪设计两种治 疗模式，分别是连续模式和周期模式。对于不同的治疗 模式，光源的输出方式有所不同。
1）连续模式
连续模式照射时按设置参数一直输出，中途不间断 照射。输出功率强度分高、中、低三档，治疗时间分 5、10、15 min。
2）间断模式
间断模式按照射时间、间断时间间隔运行。输 出功率强度分高、中、低三档，治疗时间分5、10、 15 min，固定照射时间为5 s，间断时间为2 s。治疗时， 输出功率可以改变。
针对间断模式，通过改变MCU的I/O口电平控制光控电源的ON/OFF端口，实现光源输出的开启和关闭。 采用定时器[4]，对光源点亮阶段和熄灭阶段进行计时， 并在计时结束时，处理光源开关和控制参数的改变，具 体如图3所示。
2.3 光源预热处理
红外偏振光治疗仪输出的光功率在两种治疗模式下 分三档可调，通过改变光源两端的输出电压实现光功 率的调节。实际测试发现光源在冷态时实际电阻很低， 如果开机瞬间直接在光源两端加上目标电压，电路会产 生很高的冲击电流，使电源模块产生过流保护而关断供 电，光源无法点亮。测试结果如图4所示，其中绿线表 示电流，黄线表示电压。因此考虑对光源两端加上一系 列阶梯形上升的电压，每个阶梯电压保持固定时间，光 源经过预热电阻逐步提高。这样使光源从较低的安全电 压启动，逐级提高到目标电压，在每一级电压有足够的 时间使冲击电流降低，起到限流的作用，从而降低冲击 电流对电路的影响并且延长了光源的使用寿命。测试结 果如图5所示，通过逐级增压方式，电流逐级降低，最 后保持平稳。
2.4 过温保护
红外偏振光治疗仪发出的光波透射到人体组织内被 吸收，但是人体对外界的认识刺激都是有感知的，会有 耐热范围，治疗时不能超过人体所能承受的最高温度。 选用温控开关安放在高分子碘光源附近，及时感知设备 内部温度，温度一旦超过了标准中规定的限值，温度过 载保护装置就应启动，进而切断光源供电，发出警报， 对患者起到安全保护作用。
采用外部中断对温控开关[5]进行状态监测， GPIO用 作外部中断(EXTI)源的输入端，通过GPIO检测输入脉 冲，引起中断事件，打断原来的代码执行流程，进入到 中断服务函数中进行处理，处理完后再返回到中断之前 的代码中执行。
EXTI中断向量的服务函数处理过程如图6所示。治 疗过程中，若设备内部温度超过限值，温控开关断开， 光源部分供电中断，立即停止治疗，进入故障状态，显 示视觉报警信息。若检测到温控开关吸合，温度传感器 测得的温度小于门限值，且当前未处于治疗状态，消除 报警信息，设备显示设置参数，若当前测得的温度小于风扇停止的温度阈值，则停止风扇。
3 结论
本文根据家用型红外偏振光治疗仪的设计要求对光 源控制模块进行了详细设计，实现了光功率调节、光源 的通断管理，针对直接在光源两端进行加压供电造成电 源进入保护状态的现象，采用了逐级增压方式对光源进 行预热处理，从而降低冲击电流对电路的影响并延长了 光源的使用寿命，另外通过软件检测温控开关状态防止 温度过高对患者造成伤害。
参考文献：
[1] 苏志深.HA-2200LE1型超激光疼痛治疗仪常见故障排除[J]. 医疗卫生装备,2016:163.
[2] 张琼晖,彭子明.直线偏振光近红外线治疗仪[J].中国医疗器械, 2002:307.
[3] 刘波文,孙岩,等.嵌入式实时操作系统µC/OS-II经典实例 ——基于STM32处理器[M].北京:北京航空航天大学出版社,2014:403-435.
[4] 刘火良,杨森.STM32库开发实战指南[M].北京:机械工业出版 社,2015:150-167. [5] 张春峰.中央空调终端风机智能温控开关[J].电 子世界,2002:38-39.
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