一种红外偏振光治疗仪控制系统的设计与实现

刘振洗，王安意，刘 敏，牛礼军

（中国电子科技集团公司第四十一研究所，安徽 蚌埠 233010）

1 引言

红外偏振光治疗仪，采用近红外光线中对人体透射效果最好的600～1600nm光谱[1]，经线性偏振后进行深浅组合、点面结合照射人体的神经节、神经干、神经根、痛点和穴位，利用红外偏振光的光热效应、光化学效应和光电磁效应发挥临床作用，用于镇痛消炎的一种新型光疗器械。红外偏振光穿透性很强，经证明透射组织深度可达5cm以上[2]，深入皮下组织发挥一系列生物化学效应，而无偏振特性的普通红外线治疗仪穿透能力很弱，且主要是光热效应，主要用于表皮的消炎和伤口愈合，止痛效果不佳。红外偏振光治疗仪不仅止痛效果好、适用范围广，而且生物效应显著，可加速组织活化因子的产生及致痛物质的清理；促进血液循环，改善局部微循环，加速组织修复；降低肌肉痉挛，缓解疼痛；调节机体内环境稳定，增强机体免疫力[3-4]。红外偏振光治疗仪的推广和普及对神经性、炎症性、创伤性等疼痛类疾病的有效康复和理疗具有重要意义[5-6]。

目前进口的此类治疗仪价格较高，比如日本品牌东京医研，价格均在30万元以上，而国产的治疗仪在偏振度指标、使用的便捷性及临床有效性方面还存在一定的差距，因此有必要对其控制系统的设计实现进行深入的研究，以便提高关键性能指标，更好地替代进口产品。

2 系统工作原理

系统工作原理框图如图1所示，系统由控制单元CPU、信息处理单元FPGA、光传输单元、供电电源等组成。控制系统上电启动后进行安全状态自检，若自检发现异常，则进行声光报警。通过键盘或者触摸屏设置治疗参数，并在液晶上显示。治疗时，CPU将收到的治疗参数指令通过USB接口发送给FPGA，FPGA来完成卤素灯开关和输出功率的实时闭环反馈控制以及治疗过程中的各项安全保护监测功能。卤素灯发出的光经滤光后通过光导纤维束和治疗头照射患者皮肤，设计四种不同的治疗，每种治疗头都安装有偏振片用来实现光的偏振，医生根据不同患者的具体症状和部位选择不同的治疗头进行治疗。治疗完成时，系统停止光输出，进行语音提示，并将治疗参数恢复至设置值，以便再次直接启动照射。医生可为每一位患者制作电子病例保存在治疗仪上；可导出和一键加载病例信息，方便临床研究和下次治疗；可另外提供具体疾病的参考治疗药方，供医护人员查看、编辑和调用。

图1 系统工作原理框图

3 系统硬件设计

3.1 系统硬件设计总体架构

红外偏振光治疗仪作为一款光电技术相融合的医疗器械，其硬件设计既要满足电子系统的智能化，又要满足光学系统的稳定性和有效性，原理框图如图2所示。红外偏振光治疗仪硬件系统由CPU主控单元、光能调控单元、光能传输单元和电源模块组成。主控单元主要由工控板和触控液晶屏组成，用于治疗模式选择、治疗参数设置、治疗状态显示及报警信息提示等；光能调控单元主要由FPGA和外围电路组成，用于控制卤素灯的输出功率和开关；光能传输单元主要由滤光片、偏振片、光导纤维束和治疗头组成，主要用于把卤素灯发出的光变换为偏振光；电源模块由三块AC/DC电源组成，为卤素灯、CPU和FPGA提供电源。

图2 系统硬件设计方案

3.2 光源驱动电路

卤素灯光源驱动电路设计框图如图3所示，由AC-DC模块、程控电源模块、参考电压电路、取样电路和积分电路组成。

图3 光源驱动电路设计框图

AC-DC模块采用200W医疗型电源，输出直流电压24V；程控电源模块将直流电压24V调制成驱动卤素灯不同功率所需的对应电压；FPGA根据用户设置的治疗功率参数，经计算后通过D/A转换产生与光功率相应的参考电压信号，用来控制程控电源模块输出光功率所需的电压；卤素灯电压监测信号经由取样电路获取，光源参考电压信号与卤素灯电压信号相比较后，经过两级积分电路，产生控制程控电源模块输出电压的控制信号，连接到程控电源模块的可调TRIM端。积分电路由两级积分单元级联而成，通过给积分电路增加一组负电源，使得驱动电路的稳幅环路更容易锁定，能够大大提高驱动电路的输出电压范围，增强了对大功率卤素灯的驱动能力[7]。

3.2 光功率闭环控制实现

如图4所示是卤素灯光功率控制FPGA内部电路原理框图，本文通过在FPGA内卤素灯供电电源的控制程序来实现对卤素灯输出光功率的精准控制，通过本地20MHz晶振作为时钟基准，通过不同的同步计数器对卤素灯电压及闭环反馈电压进行量化，产生写操作时序信号、写数据时序信号、读操作时序信号、读数据时序信号，根据输出卤素灯光功率的需要，控制供电电压，进而实现光功率快速、精准的调节，从而对卤素灯进行连续功率闭环精准控制。

图4 FPGA闭环控制实现原理框图

4 系统软件设计

选用嵌入式WIN7操作系统，基于MFC框架，在Visual Studio 2010集成开发环境下进行人机交互界面的开发。根据红外偏振光治疗仪的功能定义和CPU智能平台的外设资源，软件采用VC编程和模块化分层设计思路。

软件设计模块化，要求模块功能明确、接口清晰。模块编程上采用面向对象的设计方法，设计人性化的操控界面，提高软件的扩展性和可操作性。软件有板级软件、主机软件和系统驱动软件。系统软件设计方案框图如图5所示，软件划分为不同的层次结构，主要包括以下3个部分：顶层图形用户界面、中间层功能模块以及底层硬件控制。

图5 系统软件设计方案

顶层图形用户界面，支持触摸屏和键盘人机交互，程序软件通过“治疗”“产品简介”“注意事项”“操作指南”和“系统设置”等模块与用户形成交互接口，逐级供用户进行选择操作。

中间层功能模块，实现多种治疗模式的光源输出功率和治疗时间、照射时间、间断时间的控制，可以独立进行左、右治疗臂的治疗参数设置和治疗进度查看等功能，由光源功率控制、治疗模式、药方病历管理、音乐舒缓治疗、紧急叫停控制、安全检测报警、治疗程序锁死等模块组成。

底层硬件控制，实现设备驱动程序对硬件模块的访问控制，这些底层驱动包括USB、RS232等外部接口驱动及总线接口驱动、显示设备和触摸屏驱动等，它们共同负责对底层硬件设备的直接控制以及数据I/O操作。

5 结语

根据系统工作原理，按照系统软硬件设计方案，成功自主研制了红外偏振光治疗仪样机。样机按照产品技术要求和 GB9706.1、YY0505、YY0306等医疗器械标准[8]要求通过了安徽省食品药品检验研究院的检验和临床试验。通过试验表明：其偏振度指标不低于96%，最高可达99%，其治疗有效率不低于97%，达到了国内领先水平，实现了研制开发的目的。