基于STM32的2μm高功率激光醫(yī)療儀控制器

　　2μm高功率激光醫(yī)療儀市場需求越來越大，而目人機(jī)交互模塊前國內(nèi)此類設(shè)備在控制上缺乏對系統(tǒng)安全和出光精準(zhǔn)度的考慮。同時隨著YY0505-2012醫(yī)用電氣電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)于2014年的執(zhí)行，設(shè)計符合YY0505-2012標(biāo)準(zhǔn)的醫(yī)用設(shè)備已迫在眉睫。因此，本文采用模塊化設(shè)計，設(shè)計了一種基于STM32的2μm光纖激光器醫(yī)療儀控制系統(tǒng)，將水冷單元的參數(shù)監(jiān)控、電源模塊的抗干擾設(shè)計、輸出功率的校準(zhǔn)等集成于一體。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)可靠穩(wěn)定，操作方便。

　　1. 系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　按功能劃分，醫(yī)療儀主要由2μm光纖激光器模塊、精密水冷單元、STM32主控制器模塊、人機(jī)交互模塊等部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。控制器是醫(yī)療儀的大腦，負(fù)責(zé)整個設(shè)備的啟停和正常運(yùn)行。2μm光纖激光器經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直聚焦，得到醫(yī)用激光，在特定條件下，腳踏開關(guān)閉合發(fā)出相應(yīng)功率的激光，由光纖傳導(dǎo)到病灶部位。精密水冷單元的循環(huán)水流經(jīng)激光腔，使激光器工作在合適溫度，確保輸出功率穩(wěn)定，且水冷單元的啟動總是先于激光器，防止激光器在高溫高濕環(huán)境下結(jié)露而損壞。門控直接與激光器內(nèi)部的interlock信號相連，同時主控器對其狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測。此外光纖檢測可對醫(yī)用光纖進(jìn)行規(guī)范化管理，防止因光纖老化影響治療效果。采集了16組對應(yīng)值，由于環(huán)境等因素影響采集結(jié)果，導(dǎo)致偶然誤差。為了盡可能準(zhǔn)確地得出未知點(diǎn)，相同實(shí)驗(yàn)重復(fù)4次，并將對應(yīng)值取平均。通過增加節(jié)點(diǎn)個數(shù)來提高差值多項式對函數(shù)的逼近程度，由于此時高次多項式插值容易出現(xiàn)Runge現(xiàn)象，故采用Lagrange線性插值，把節(jié)點(diǎn)分成13段，分段采用低次多項式近似函數(shù)。分段節(jié)點(diǎn)處函數(shù)值如表1所示。

　　圖1 醫(yī)療儀總體結(jié)構(gòu)圖

　　設(shè)備以觸摸屏為主要人機(jī)交互平臺，實(shí)現(xiàn)的功能包括：汽化與凝血參數(shù)的同時設(shè)置;不同方案的保存和調(diào)用;能量、計時等治療參數(shù)的統(tǒng)計顯示;系統(tǒng)異常狀態(tài)的報警提示;出光指示燈的亮度調(diào)節(jié)。

　　2. 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)硬件以STM32F107VCT6為核心，硬件框圖如圖2所示。精密水冷單元的參數(shù)監(jiān)控包括高低水位、水流量、水壓力、水溫的監(jiān)測;以觸摸屏為主的人機(jī)交互模塊集成了出光指示燈、鑰匙開關(guān)、急停、啟動、腳踏、門控等外部硬件控制;配電模塊集成了繼電器驅(qū)動電路和電磁兼容設(shè)計。其中，水冷單元、光纖激光器、觸摸屏和音效合成模塊分別通過RS232與主控制器通信。

　　圖2 系統(tǒng)硬件框圖

　　2.2 配電模塊電路設(shè)計

　　為實(shí)現(xiàn)高可靠性，配電模塊電路采用冗余設(shè)計，每路繼電器驅(qū)動電路控制兩個固態(tài)繼電器。以圖3所示激光器的繼電器驅(qū)動電路為例，U5、U6代表兩個繼電器，輸出端分別串聯(lián)到電源的零線和火線上，實(shí)現(xiàn)同開同斷，避免某一個繼電器發(fā)生故障時影響整個系統(tǒng)的工作。每路信號除通過I/O控制外，急停信號也對繼電器可控，達(dá)到軟件和硬件同時急停的目的。選用的急停按鈕是常閉型，高電平有效，當(dāng)急停觸發(fā)時，Q3不導(dǎo)通，致9引腳電平拉低，再與I/O信號經(jīng)過與門，輸出也為低電平，致Q4不導(dǎo)通，繼電器處于開路狀態(tài)，電源斷路。

　　另外，電路一方面在STOP和I/O信號接口處接入5V瞬態(tài)抑制管，以防止靜電積累損壞器件;另一方面在Q4導(dǎo)通時D3點(diǎn)亮作為電路工作狀態(tài)指示，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常時方便故障排查。

　　圖3 繼電器驅(qū)動電路

　　2.3 配電模塊電磁兼容設(shè)計

　　電磁兼容問題是影響醫(yī)用電氣設(shè)備安全有效的重要因素之一，不僅直接影響醫(yī)用設(shè)備的安全使用，甚至?xí)颊咭约搬t(yī)護(hù)人員的人身安全造成影響。國家食品藥品監(jiān)督管理局于2012年12月正式發(fā)布了新版標(biāo)準(zhǔn)YY0505-2012,并于2014年1月正式實(shí)施，該醫(yī)療儀配電模塊結(jié)合此標(biāo)準(zhǔn)做了相關(guān)電磁兼容性(EMC)設(shè)計。實(shí)際工作環(huán)境下該系統(tǒng)電磁干擾主要來源于電源線上的高頻干擾、接線端口的靜電干擾、浪涌電流、可控硅通斷時產(chǎn)生的干擾等。

　　首先考慮硬件選型，選用交流單相雙節(jié)電源濾波器，不僅能抑制共模干擾，對快速瞬變脈沖群(EFT)實(shí)驗(yàn)也有很好的輔助效果。與傳統(tǒng)電磁線圈繼電器相比，固態(tài)繼電器的壽命長，可靠性好，切換速度可達(dá)幾毫秒至幾微秒，沒有觸點(diǎn)燃弧和回跳，減少了電磁干擾和瞬態(tài)效應(yīng)，但固態(tài)繼電器導(dǎo)通時會產(chǎn)生較大熱量，系統(tǒng)通過在繼電器下方放置散熱片來解決此問題。

　　配電模塊的結(jié)構(gòu)框圖如圖4,在電源的進(jìn)線端串入濾波器，然后進(jìn)入瞬態(tài)電壓浪涌抑制模組(包含千瓦級TVS、壓敏電阻、防雷管等)，再接入繼電器，最后在電源進(jìn)入每個模塊之前再分別串入濾波器。測試結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到抑制電磁騷擾(EMI)和提高儀器的電磁抗擾度(EMS)的雙重目的。

　　圖4 配電模塊結(jié)構(gòu)框圖

　　3. 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　3.1 軟件功能設(shè)計

　　系統(tǒng)軟件主要實(shí)現(xiàn)以下功能：(1)5個安全狀態(tài)的實(shí)時檢測，包括檢測光纖連接、腳踏連接、門控、水冷單元連接和激光器連接是否正常。(2)5個工作狀態(tài)的判定，包括開鎖狀態(tài)、初始化狀態(tài)、參數(shù)設(shè)定狀態(tài)、準(zhǔn)備狀態(tài)、異常狀態(tài)的判定。(3)水冷單元參數(shù)的采集，包括壓力傳感器、水位開關(guān)、溫度傳感器、流量傳感器數(shù)據(jù)的采集，并判斷是否超出正常范圍。(4)激光器內(nèi)部狀態(tài)參數(shù)的讀取并分析，激光器內(nèi)部有一個32bit的狀態(tài)字，存放激光器當(dāng)前的工作狀態(tài)，讀取每一位狀態(tài)，判斷激光器當(dāng)前是否正常工作。(5)外部硬件設(shè)備信號的采集和控制，包括鑰匙開關(guān)、急停按鈕、啟動按鈕、出光指示燈和腳踏開光的信號采集或控制。(6)工作參數(shù)的設(shè)定，包括汽化和凝血功率的設(shè)定、指示燈的開閉、存儲方案的設(shè)定和選擇。(7)操作日志的存儲和顯示，包括開機(jī)時間、工作累積時間、出光累積時間和出光能量累積的存儲以及當(dāng)前治療方案的出光時間和出光能量的顯示。(8)激光輸出功率的校準(zhǔn)。

　　軟件流程如圖5所示，按系統(tǒng)要求，異常狀態(tài)優(yōu)先級最高，通過中斷處理。為節(jié)省系統(tǒng)資源，對5個安全狀態(tài)每1s掃描1次，若發(fā)現(xiàn)連接異常，系統(tǒng)重新自檢，直到連接正常方可進(jìn)入主循環(huán)。對其他觸摸屏有效包、水冷單元有效包、激光器有效包依次處理。[!--empirenews.page--]

　　圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

　　3.2 激光功率自動校準(zhǔn)算法

　　由于醫(yī)療產(chǎn)品對可靠性的特殊要求，激光輸出功率的準(zhǔn)確性必然成為衡量一臺醫(yī)療設(shè)備品質(zhì)好壞的重要參數(shù)。激光功率在光纖耦合處和光纖尾端、切口端面會產(chǎn)生衰減，如圖6所示。光纖終端功率小于用戶設(shè)置功率，尤其在設(shè)置功率小于60W時，最大偏差達(dá)63.6%。為了得到準(zhǔn)確的光纖終端功率，需要借助功率計采集終端功率并讀取與之對應(yīng)的激光器驅(qū)動電流，然后通過插值法得到功率與電流的分析表達(dá)式，以便用戶設(shè)置每個功率參數(shù)時都能找到與之對應(yīng)的電流值。

　　圖6 校準(zhǔn)前終端采集功率與用戶設(shè)置功率關(guān)系

　　采集了16組對應(yīng)值，由于環(huán)境等因素影響采集結(jié)果，導(dǎo)致偶然誤差。為了盡可能準(zhǔn)確地得出未知點(diǎn)，相同實(shí)驗(yàn)重復(fù)4次，并將對應(yīng)值取平均。通過增加節(jié)點(diǎn)個數(shù)來提高差值多項式對函數(shù)的逼近程度，由于此時高次多項式插值容易出現(xiàn)Runge現(xiàn)象，故采用Lagrange線性插值，把節(jié)點(diǎn)分成13段，分段采用低次多項式近似函數(shù)。分段節(jié)點(diǎn)處函數(shù)值如表1所示。

　　分段表達(dá)式為：

　　將各點(diǎn)分別帶入式(1)得出分段表達(dá)式：

　　表1節(jié)點(diǎn)處函數(shù)對應(yīng)值

　　隨機(jī)抽取一點(diǎn)值f(18)≈φ0(18)=1.1×18+8.1=27.9,與實(shí)際測量值f(18)=27.7比較，偏差為0.7%,符合精度要求。將式(2)寫入軟件插值函數(shù)子程序中，當(dāng)用戶設(shè)定功率時，算法先判斷該值所在區(qū)間范圍，再求出對應(yīng)電流百分比，通過串口發(fā)送到光纖激光器。經(jīng)插值算法校準(zhǔn)后，用戶設(shè)置功率與終端采集功率之間的關(guān)系如圖7所示，可知最大偏差為2.5%,較之前的63.6%有明顯改善。測試結(jié)果表明，通過此方法獲得了較準(zhǔn)確的激光輸出功率，精度控制在±1W以內(nèi)。

　　圖7 校準(zhǔn)后用戶設(shè)置功率與終端采集功率關(guān)系

　　4. 系統(tǒng)測試及結(jié)果

　　本文設(shè)計了一種基于2μm高功率光纖激光器的醫(yī)療儀，以STM32為控制核心，完成了人性化的人機(jī)觸控界面功能設(shè)計、激光器的驅(qū)動控制、精密水冷單元的參數(shù)監(jiān)控、配電模塊的抗干擾設(shè)計以及輸出功率的校準(zhǔn)。輸出功率0W或4W~80W,步進(jìn)長度1W連續(xù)可調(diào)，可通過腳踏自由切換汽化和凝血兩種功率參數(shù)輸出;溫度采集精度±0.5℃，水流量3.6L/min,符合IPG-TLR-80-WC-Y12型號光纖激光器正常工作要求。經(jīng)過功率校準(zhǔn)算法，用戶設(shè)置功率與終端采集功率的最大偏差由之前的63.6%降低到2.5%,控制精度為±1W.測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、輸出功率穩(wěn)定準(zhǔn)確、操作便利等優(yōu)點(diǎn)。