应用于角膜胶原交联术的紫外LED照射仪的设计

史明坤，胡 兵，应花山，余安澜，沈政伟，姜 黎

应用于角膜胶原交联术的紫外LED照射仪的设计

史明坤，胡 兵，应花山，余安澜，沈政伟，姜 黎

目的：设计一种应用于角膜胶原交联术的紫外LED照射仪，可进行光强均匀的照射，以满足角膜胶原术的需求。方法：以资源丰富的C8051F410单片机作为控制系统核心，采用触摸屏作为人机交互界面，并通过精密电阻对工作电流进行采样，以实时监控紫外LED的工作状态；通过使用光学设计软件ZEMAX设计和优化的非球面镜匀光系统，实现紫外LED均匀照明。结果：在距离透镜45 mm、直径约为12 mm的范围内实现了均匀光强分布。最大辐照度为90.223 5 mW/cm2，探测器光通量为247.3 mW，光源能量利用率为60%。结论：该紫外LED照射仪在均匀度和辐照度方面均达到了角膜胶原交联术的需求，并在医院眼科中心通过对小白兔眼睛的照射实验已经验证了照射仪的性能，可以满足角膜胶原交联术的需求。

紫外LED；角膜胶原交联术；非球面镜；触摸屏

0 引言

角膜胶原交联术（corneal collagen cross-linking，CCL）是最近几年用来治疗圆锥角膜和角膜溃疡的新技术，它通过增加角膜基质胶原纤维间的连接强度来延缓甚至阻止角膜扩张，提高对酶消化的抵抗力，其安全性已在国外获得验证。控制好实验参数对角膜之后的前房、晶状体及其他组织不会造成损伤[1-2]。

CCL运用了光氧化反应，反应原料为紫外线A（UVA）和核黄素滴眼液（riboflavin）[3]。核黄素在角膜基质达到饱和状态后，在370 nm波长的紫外光照射下，产生一些活性氧自由基（ROS），活性氧自由基处于非稳定状态，直到诱导角膜基质胶原纤维间形成新的共价键后才变为稳定的形式，这个过程就称为cross-linking。CCL的效果主要有：增加角膜的硬度[4]和增加角膜的耐酶性[5]。紫外光核黄素角膜胶原交联疗法的出现，为圆锥角膜、医源性角膜扩张、角膜溃疡等疾病的治疗带来了新的希望[6]。

本文所述的紫外LED照射仪可产生（370±5）nm波长的紫外光，且为基于点光源的紫外LED照射仪，具有体积小、易于携带、操作便捷、功率控制精度高等优点[7]。该照射仪使用单片机控制，高精度电阻采样，可实时监控照射仪的工作状态，并采用了非球面镜构成的匀光系统。实践表明，本照射仪的性能满足角膜胶原交联术的需求，为角膜胶原交联术提供了有效可靠的光源。

1 总体设计

紫外LED照射仪由光源系统和控制系统2部分组成，总体构架如图1所示。

光源系统是由非球面镜、光阑和紫外LED组成的匀光系统；控制系统以C8051F410单片机为核心，通过高精度的电阻采样实现对光功率实时控制，由LED驱动电源、系统控制单元和界面操作单元构成。

紫外LED照射仪的界面操作单元实现了人机交流的功能，主要由触摸屏及其控制单元组成，通过触摸屏可调节光功率以及照射时间等参数。调节好照射参数后点击触摸屏上的启动按钮，系统控制单元随即收到启动信号并控制LED驱动电源工作，紫外LED发出对应功率的紫外光，紫外光通过非球面镜匀光系统均匀地照射在目标物体表面。

图1 紫外LED照射仪总体构架

2 光源系统

紫外光照射人眼时，对照射深度是有一定要求的，若局部紫外光过强，照射深度超过了安全区域（如图2所示）则会对人眼造成不可修复的伤害[8]。因此，需要对紫外LED的出射光进行光束整形，使其成为空间光强均匀分布的光束。

图2 紫外光照射深度示意

该紫外LED照射仪采用1片非球面镜对光源进行二次配光，从而达到均匀照射的目的，基本结构示意如图3所示。非球面镜的设计由传统光学设计软件ZEMAX进行设计和优化完成。首先，由点光源出发在序列设计模式中得到基本镜面设计，再将其转化为非序列设计；然后，将紫外LED的光源配光曲线输入软件得到简化的近似光源，通过编写非序列探测器评价函数（NSDD）对镜面参数进行优化；最后，设计得到的光学系统可将光源出射光在一定工作距离内整形成为空间光强均匀分布的光束。

图3 非球面镜匀光基本结构示意

在ZEMAX软件的序列设计模式中将镜面后表面类型选为Even Asphere面型，将曲率半径、conic及r2、r4、r6、r8、r10的系数设为变量[9]，偶次非球面公式如下：

式中：c为基准球面曲率（c=1/R，R为基准球面曲率半径）；k为二次曲面参数conic；a1，a2，…，a8为高次项系数。

通过默认评价函数Angular Radius对镜面进行优化，使得点光源出射光准直得到镜面初步设计，然后将优化好的设计转换为非序列模式。

该紫外LED照射仪选用ENGIN公司生产的LZ1-00U600紫外LED作为照射光源，典型出射光功率为410 mW，通过ZEMAX中的光源模型Source Radial，将LED制造商提供的光源配光曲线输入ZEMAX中得到光源基本模型[10]。原厂提供的光源配光曲线和输入后软件生成的配光曲线如图4所示，可以看出，输入的配光曲线与厂家提供的配光曲线相匹配。

图4 配光曲线对比

选用石英玻璃JGS1为透镜材料，365 nm波长紫外光透过率超过90%，透镜厚度为7 mm，直径为12 mm，光源与透镜前表面距离为d=5 mm。通过编写软件评价函数NSDD改变优化参数所占权重值（weight），对透镜后表面参数进行反复优化，NSDD优化操作数见表1。

首先使用NSDD操作数将ZEMAX中所有探测器清零，然后通过NSTR操作数使得ZEMAX进行光线的追迹。第2个NSDD操作数可读出像素数据的半径值的均方根值（root mean square，RMS值），用于约束光斑直径。第3个NSDD操作数用于读出探测器总的光通量，并用于保持光通量最大，使得光源能量利用率得以提高。最后一个NSDD操作数返回值为所有非0像素数据的标准差（RMS值），将目标值（Target）设为0可使得目标照射面上辐照度分布均匀。在开始优化时使用正交下降优化法（orthogonal descent optimizer）得到初步解，然后用阻尼最小二乘法（damped least squares）提炼结果。

表1 NSDD优化操作数

经过反复调整优化参数权重得到非球面镜参数为：c=9.301 69，k=-0.560 34，a1=-0.054 31，a2= -5.463 66×10-4，a3=-5.107 80×10-6，a4=-2.016 49× 10-8，a5=-5.177 86×10-9。为了限制光斑大小，在透镜前表面和透镜后25 mm处分别加入一个光阑，使得整个系统入射孔径为Φ1=10 mm，出射孔径为Φ2= 12 mm。系统的3D模型和光强分布如图5所示。

图5 匀光系统的3D模型及光强分布

从图5（b）和图5（c）中可以很直观地看出，在距离透镜45 mm、直径约为12 mm的范围内实现了均匀光强分布。最大辐照度为90.223 5 mW/cm2，探测器光通量为247.3 mW，光源能量利用率为60%。

3 控制系统

控制系统单元以C8051F410单片机为核心，内部资源丰富，外围电路简洁，采用C语言编程，方便功能扩展，并具有多个数字/模拟接口，可以用于采集LED和环境的不同参数，做到实时监控。操作界面单元采用5.7 in（1 in=25.4 mm）液晶触摸屏，通过单片机的串口通信接口，可以方便地实现实时控制，且界面简洁易于操作。紫外LED照射仪驱动电源采用PTH12040W电源模块对LED工作电压进行控制，并通过高精度采样电阻对LED工作状态进行实时检测。操作流程如图6所示。

图6 控制系统工作流程

3.1 界面操作单元

使用触摸屏作为界面操作单元的核心不仅让操作界面简洁易于操作，而且使得单片机编程的复杂性降低，可扩展性得到增强。触摸屏通过串口通信（RS232标准）与单片机进行数据交换，但由于单片机供电电压为5 V，必须使用电压转换芯片将输出电压转换为RS232电压才能正常进行数据通信。本系统选用MAX232作为电压转换芯片，通信电路如图7所示。图中IC02为MAX232芯片，T1IN和R1OUT引脚分别接到单片机串口通信引脚P0.4/TX和P0.5/RX，引脚T1OUT和R1IN分别接到排针CN05的5号和6号引脚，而5号、6号引脚分别接到触摸屏的TX和RX引脚，从而通过MAX232芯片使得低电平信号转换成高电平，实现了单片机和触摸屏之间的通信。

图7 MAX232电压转换电路

3.2 紫外LED驱动电源

向触摸屏控制系统中导入图形文件和配置文件后，点击屏幕上相应功能的按钮，触摸屏通过串行通信接口向单片机发送相应的指令。单片机接收指令后对指令进行识别和处理，一方面通过通信接口将控制指令反馈给触摸屏改变触摸屏的显示状态，另一方面生成具体的控制信号发送给紫外LED驱动电源，电源根据控制信号驱动紫外LED。紫外LED驱动电源通过电压源驱动方式对LED进行驱动，使用德州仪器生产的PTH12040W电源模块对紫外LED驱动电压的大小进行调节，将单片机具有DAC功能的引脚接到电源模块的Track引脚，通过单片机改变Track引脚的电压值调节LED两端驱动电压。

阻值为1 mΩ的高精度检流电阻PBV-R001-F1-1.0将紫外LED的工作电流值反馈给单片机，电流采样电路如图8所示。图中J01和J02分别接LED的正负极，检流电阻与紫外LED串联，由于R22电阻很大，产生的电流可忽略不计，故检流电阻通过的电流值与紫外LED的工作电流值相等，并通过U+和U-引脚将电流信息以电压的形式反馈到单片机的具有ADC功能的引脚，由单片机计算得到LED的工作电流，通过单片机与触摸屏的数据交换对紫外LED工作状态进行实时监控与调节。

图8 电流采样电路

4 结论

本文从紫外LED照射仪的总体构架出发，讨论了非球面镜匀光系统的设计方法，并通过ZEMAX光学软件的设计，在距离透镜45mm、直径约为12mm的范围内实现了均匀照明，最大辐照度为90.223 5 mW/cm2，光源能量利用率为60%，满足了角膜胶原交联术的需求。该照射仪通过单片机控制，高精度电阻采样反馈，并采用触摸屏作为人机界面，不仅实现了对系统工作状态的实时监控，还由于触摸屏显示图形直观清晰使得照射仪操作简单易懂。该照射仪已在广州军区武汉总医院眼科中心对小白兔眼睛的照射实验中得以应用。角膜胶原交联术7 d后，通过电镜观察实验组较对照组角膜胶原纤维排列更密集，细胞轻度肿胀（如图9所示），说明该照射仪可以满足现阶段角膜胶原交联术实验的基本要求。

图9 角膜胶原交联术实验

[1]Mazzotta C，Traversi C，Caporossi T，et al.Treatment of progressive keratoconus by riboflavin-UVA-induced cross-linking of corneal collagen-Ultrastructural analysis by Heidelberg Retinal Tomograph in vivo confocal microscopy in humans[J].Cornea，2007，26（4）：390-397.

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[3]Kohlhaas M，Schilde T，Wittig C.Biomechanical evidence of the distribution of cross-links in corneas treated with riboflavin and ultraviolet A light[J].Journal of Cataract and Refractive Surgery，2006，32（2）：279-283.

[4]Wollensak G，Wilsch M，Spoerl E，et al.Collagen fiber diameter in the rabbit cornea after collagen crosslinking by riboflavin/UVA[J]. Cornea，2004，23（5）：503-507.

[5]Spoerl E，Wollensak G，Seiler T.Increased resistance of crosslinked cornea against enzymatic digestion[J].Current Eye Research，2004，29（1）：35-40.

[6]李婧，姜黎，沈政伟.角膜交联术新进展与临床运用[J].国际眼科杂志，2010，10（9）：1 713-1 715.

[7]邓麒麟，吴云峰，孙文博.紫外LED照射器的控制系统设计[J].电子器件，2012，35（1）：57-60.

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[9]李林.LED照明光学系统的研究与设计[D].西安：中国科学院西安光学精密机械研究所，2012：37-45.

[10]Nicholson M.How to model LEDs and other complex sources[DB/ OL].（2005-08-26）[2014-05-10].http：//kb-en.radiantzemax.com/ Knowledgebase/How-to-Model-LEDs-and-Other-Complex-Sources.

（收稿：2014-05-08 修回：2014-08-09）

Design of UV-LED irradiator applied in corneal collagen cross-linking

SHI Ming-kun1,HU Bing1,YING Hua-shan1,YU An-lan1,SHEN Zheng-wei2,JIANG Li2
（1.Department of Laser Engineering,College of Optical and Electronic Information,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China;2.Wuhan General Hospital of Guangzhou Military Area Command,Wuhan 430074,China）

ObjectiveTo design a UV-LED irradiator with uniform illumination in order to meet the need of corneal collagen cross-linking.MethodsC8051F410 was used as the core unit,and touch screen as the interface.Precision resistance was applied to sampling of working current in order to monitor the status of UV-LED irradiator at real time. Optical software ZEMAX was used to design and optimize the aspheric lens to realize uniform illumination.ResultsAt a distance of 45 mm from lens the irradiator achieved uniform irradiance in 12 mm diameter area.Irradiance maximum value was 90.223 5 mW/cm2,radiant flux was 247.3 mW,and utilization factor reached 60 percent.ConclusionThe performance of the irradiator can fully meet the needs of corneal collagen cross-linking.In the rabbit eyes irradiation experiments the performance of the UV-LED irradiation has been verified. [Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（1）：19-22]

UV-LED;corneal collagen cross-linking;aspheric lens;touch screen

R318.6；R454.2

A

1003-8868（2015）01-0019-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.01.019

史明坤（1989—），男，主要研究方向为电源技术，E-mail：smk03@ 163.com。

430074武汉，华中科技大学光学与电子信息学院激光工程系（史明坤，胡 兵，应花山，余安澜）；430074武汉，广州军区武汉总医院（沈政伟，姜 黎）