基于STM32的2μm高功率激光醫(yī)療儀控制器設(shè)計(jì)

2 μm 高功率激光醫(yī)療儀市場(chǎng)需求越來(lái)越大，而目前人機(jī)交互模塊前國(guó)內(nèi)此類設(shè)備在控制上缺乏對(duì)系統(tǒng)安全和出光精準(zhǔn)度的考慮。同時(shí)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(jì)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(jì)，設(shè)計(jì)了一種基于STM32的2 μm 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(jì)、輸出功率的校準(zhǔn)等集成于一體。測(cè)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(jì)

按功能劃分，醫(yī)療儀主要由2 μm 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(gè)設(shè)備的啟停和正常運(yùn)行。2 μm 光纖激光器經(jīng)過(guò)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(dòng)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(hào)相連，同時(shí)主控器對(duì)其狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。此外光纖檢測(cè)可對(duì)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。

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(tái)，實(shí)現(xiàn)的功能包括：汽化與凝血參數(shù)的同時(shí)設(shè)置;不同方案的保存和調(diào)用;能量、計(jì)時(shí)等治療參數(shù)的統(tǒng)計(jì)顯示;系統(tǒng)異常狀態(tài)的報(bào)警提示; 出光指示燈的亮度調(diào)節(jié)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(cè);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(dòng)、腳踏、門控等外部硬件控制;配電模塊集成了繼電器驅(qū)動(dòng)電路和電磁兼容設(shè)計(jì)。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(guò)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(jì)

為實(shí)現(xiàn)高可靠性，配電模塊電路采用冗余設(shè)計(jì)，每路繼電器驅(qū)動(dòng)電路控制兩個(gè)固態(tài)繼電器。以圖3 所示激光器的繼電器驅(qū)動(dòng)電路為例，U5 、U6 代表兩個(gè)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(gè)繼電器發(fā)生故障時(shí)影響整個(gè)系統(tǒng)的工作。每路信號(hào)除通過(guò)I/O 控制外，急停信號(hào)也對(duì)繼電器可控，達(dá)到軟件和硬件同時(shí)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(shí)，Q3 不導(dǎo)通，致9 引腳電平拉低，再與I/O 信號(hào)經(jīng)過(guò)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(hào)接口處接入5 V 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(shí)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(shí)方便故障排查。

圖3 繼電器驅(qū)動(dòng)電路

2.3 配電模塊電磁兼容設(shè)計(jì)

電磁兼容問(wèn)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)?duì)患者以及醫(yī)護(hù)人員的人身安全造成影響。國(guó)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(jì)。實(shí)際工作環(huán)境下該系統(tǒng)電磁干擾主要來(lái)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(shí)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(duì)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(zhǎng)，可靠性好，切換速度可達(dá)幾毫秒至幾微秒，沒(méi)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(shí)會(huì)產(chǎn)生較大熱量，系統(tǒng)通過(guò)在繼電器下方放置散熱片來(lái)解決此問(wèn)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(jí)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(gè)模塊之前再分別串入濾波器。測(cè)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(jì)

3.1 軟件功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要實(shí)現(xiàn)以下功能：(1)5 個(gè)安全狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，包括檢測(cè)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(gè)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(gè)32 bit 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(hào)的采集和控制，包括鑰匙開關(guān)、急停按鈕、啟動(dòng)按鈕、出光指示燈和腳踏開光的信號(hào)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(chǔ)方案的設(shè)定和選擇。(7) 操作日志的存儲(chǔ)和顯示， 包括開機(jī)時(shí)間、工作累積時(shí)間、出光累積時(shí)間和出光能量累積的存儲(chǔ)以及當(dāng)前治療方案的出光時(shí)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(jí)最高，通過(guò)中斷處理。為節(jié)省系統(tǒng)資源， 對(duì)5 個(gè)安全狀態(tài)每1 s 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(duì)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。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

3.2 激光功率自動(dòng)校準(zhǔn)算法

由于醫(yī)療產(chǎn)品對(duì)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(tái)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(huì)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60 W 時(shí)， 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(jì)采集終端功率并讀取與之對(duì)應(yīng)的激光器驅(qū)動(dòng)電流，然后通過(guò)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(gè)功率參數(shù)時(shí)都能找到與之對(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)值取平均。通過(guò)增加節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)來(lái)提高差值多項(xiàng)式對(duì)函數(shù)的逼近程度，由于此時(shí)高次多項(xiàng)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(xiàng)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(duì)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(cè)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(shí)， 算法先判斷該值所在區(qū)間范圍，再求出對(duì)應(yīng)電流百分比，通過(guò)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(cè)試結(jié)果表明，通過(guò)此方法獲得了較準(zhǔn)確的激光輸出功率，精度控制在±1 W 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(cè)試及結(jié)果

本文設(shè)計(jì)了一種基于2 μm 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(jì)、激光器的驅(qū)動(dòng)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(jì)以及輸出功率的校準(zhǔn)。輸出功率0 W 或4 W～80 W，步進(jìn)長(zhǎng)度1 W 連續(xù)可調(diào), 可通過(guò)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3.6 L/min ，符合IPG-TLR-80 -WC-Y12 型號(hào)光纖激光器正常工作要求。經(jīng)過(guò)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±1 W。測(cè)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)。