基于STM32的2μm高功率激光醫療儀控制器設計

2 μm 高功率激光醫療儀市場(chǎng)需求越來(lái)越大，而目前人機交互模塊前國內此類(lèi)設備在控制上缺乏對系統安全和出光精準度的考慮。同時(shí)隨著(zhù)YY0505-2012 醫用電氣電磁兼容標準于2014 年的執行，設計符合YY0505-2012 標準的醫用設備已迫在眉睫。因此，本文采用模塊化設計，設計了一種基于STM32的2 μm 光纖激光器醫療儀控制系統，將水冷單元的參數監控、電源模塊的抗干擾設計、輸出功率的校準等集成于一體。測試結果表明，系統可靠穩定，操作方便。

1 系統功能和結構設計

按功能劃分，醫療儀主要由2 μm 光纖激光器模塊、精密水冷單元、STM32 主控制器模塊、人機交互模塊等部分組成， 結構如圖1 所示?？刂破魇轻t療儀的大腦，負責整個(gè)設備的啟停和正常運行。2 μm 光纖激光器經(jīng)過(guò)光學(xué)系統準直聚焦，得到醫用激光，在特定條件下，腳踏開(kāi)關(guān)閉合發(fā)出相應功率的激光，由光纖傳導到病灶部位。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)境下結露而損壞。門(mén)控直接與激光器內部的interlock 信號相連，同時(shí)主控器對其狀態(tài)實(shí)時(shí)監測。此外光纖檢測可對醫用光纖進(jìn)行規范化管理，防止因光纖老化影響治療效果。

圖1 醫療儀總體結構圖

設備以觸摸屏為主要人機交互平臺，實(shí)現的功能包括：汽化與凝血參數的同時(shí)設置;不同方案的保存和調用;能量、計時(shí)等治療參數的統計顯示;系統異常狀態(tài)的報警提示; 出光指示燈的亮度調節。

2 系統硬件設計

2.1 系統硬件結構

系統硬件以STM32F107VCT6 為核心，硬件框圖如圖2 所示。精密水冷單元的參數監控包括高低水位、水流量、水壓力、水溫的監測;以觸摸屏為主的人機交互模塊集成了出光指示燈、鑰匙開(kāi)關(guān)、急停、啟動(dòng)、腳踏、門(mén)控等外部硬件控制;配電模塊集成了繼電器驅動(dòng)電路和電磁兼容設計。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(guò)RS232 與主控制器通信。

圖2 系統硬件框圖

2.2 配電模塊電路設計

為實(shí)現高可靠性，配電模塊電路采用冗余設計，每路繼電器驅動(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(xiàn)和火線(xiàn)上，實(shí)現同開(kāi)同斷，避免某一個(gè)繼電器發(fā)生故障時(shí)影響整個(gè)系統的工作。每路信號除通過(guò)I/O 控制外，急停信號也對繼電器可控，達到軟件和硬件同時(shí)急停的目的。選用的急停按鈕是常閉型，高電平有效，當急停觸發(fā)時(shí)，Q3 不導通，致9 引腳電平拉低，再與I/O 信號經(jīng)過(guò)與門(mén)，輸出也為低電平，致Q4 不導通，繼電器處于開(kāi)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 導通時(shí)D3 點(diǎn)亮作為電路工作狀態(tài)指示，當系統出現異常時(shí)方便故障排查。

圖3 繼電器驅動(dòng)電路

2.3 配電模塊電磁兼容設計

電磁兼容問(wèn)題是影響醫用電氣設備安全有效的重要因素之一，不僅直接影響醫用設備的安全使用，甚至會(huì )對患者以及醫護人員的人身安全造成影響。國家食品藥品監督管理局于2012 年12 月正式發(fā)布了新版標準YY0505—2012 ，并于2014 年1 月正式實(shí)施，該醫療儀配電模塊結合此標準做了相關(guān)電磁兼容性(EMC) 設計。實(shí)際工作環(huán)境下該系統電磁干擾主要來(lái)源于電源線(xiàn)上的高頻干擾、接線(xiàn)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)驗也有很好的輔助效果。與傳統電磁線(xiàn)圈繼電器相比，固態(tài)繼電器的壽命長(cháng)，可靠性好，切換速度可達幾毫秒至幾微秒，沒(méi)有觸點(diǎn)燃弧和回跳，減少了電磁干擾和瞬態(tài)效應，但固態(tài)繼電器導通時(shí)會(huì )產(chǎn)生較大熱量，系統通過(guò)在繼電器下方放置散熱片來(lái)解決此問(wèn)題。

配電模塊的結構框圖如圖4，在電源的進(jìn)線(xiàn)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(gè)模塊之前再分別串入濾波器。測試結果表明，該結構能夠達到抑制電磁騷擾(EMI) 和提高儀器的電磁抗擾度(EMS) 的雙重目的。

圖4 配電模塊結構框圖

3 系統軟件設計

3.1 軟件功能設計

系統軟件主要實(shí)現以下功能：(1)5 個(gè)安全狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測，包括檢測光纖連接、腳踏連接、門(mén)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(kāi)鎖狀態(tài)、初始化狀態(tài)、參數設定狀態(tài)、準備狀態(tài)、異常狀態(tài)的判定。(3) 水冷單元參數的采集，包括壓力傳感器、水位開(kāi)關(guān)、溫度傳感器、流量傳感器數據的采集，并判斷是否超出正常范圍。(4)激光器內部狀態(tài)參數的讀取并分析，激光器內部有一個(gè)32 bit 的狀態(tài)字，存放激光器當前的工作狀態(tài)，讀取每一位狀態(tài)，判斷激光器當前是否正常工作。(5) 外部硬件設備信號的采集和控制，包括鑰匙開(kāi)關(guān)、急停按鈕、啟動(dòng)按鈕、出光指示燈和腳踏開(kāi)光的信號采集或控制。(6) 工作參數的設定，包括汽化和凝血功率的設定、指示燈的開(kāi)閉、存儲方案的設定和選擇。(7) 操作日志的存儲和顯示， 包括開(kāi)機時(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以及當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。

軟件流程如圖5 所示，按系統要求，異常狀態(tài)優(yōu)先級最高，通過(guò)中斷處理。為節省系統資源， 對5 個(gè)安全狀態(tài)每1 s 掃描1 次， 若發(fā)現連接異常， 系統重新自檢，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。

圖5 系統軟件流程圖

3.2 激光功率自動(dòng)校準算法

由于醫療產(chǎn)品對可靠性的特殊要求，激光輸出功率的準確性必然成為衡量一臺醫療設備品質(zhì)好壞的重要參數。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(hù)設置功率，尤其在設置功率小于60 W 時(shí)， 最大偏差達63.6%。為了得到準確的光纖終端功率，需要借助功率計采集終端功率并讀取與之對應的激光器驅動(dòng)電流，然后通過(guò)插值法得到功率與電流的分析表達式，以便用戶(hù)設置每個(gè)功率參數時(shí)都能找到與之對應的電流值。

圖6 校準前終端采集功率與用戶(hù)設置功率關(guān)系

采集了16 組對應值，由于環(huán)境等因素影響采集結果，導致偶然誤差。為了盡可能準確地得出未知點(diǎn)，相同實(shí)驗重復4 次，并將對應值取平均。通過(guò)增加節點(diǎn)個(gè)數來(lái)提高差值多項式對函數的逼近程度，由于此時(shí)高次多項式插值容易出現Runge 現象，故采用Lagrange 線(xiàn)性插值，把節點(diǎn)分成13 段，分段采用低次多項式近似函數。分段節點(diǎn)處函數值如表1 所示。

分段表達式為：

將各點(diǎn)分別帶入式(1) 得出分段表達式：

表1 節點(diǎn)處函數對應值

隨機抽取一點(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(xiě)入軟件插值函數子程序中，當用戶(hù)設定功率時(shí)， 算法先判斷該值所在區間范圍，再求出對應電流百分比，通過(guò)串口發(fā)送到光纖激光器。經(jīng)插值算法校準后，用戶(hù)設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。測試結果表明，通過(guò)此方法獲得了較準確的激光輸出功率，精度控制在±1 W 以?xún)取?/p>

圖7 校準后用戶(hù)設置功率與終端采集功率關(guān)系

4 系統測試及結果

本文設計了一種基于2 μm 高功率光纖激光器的醫療儀，以STM32 為控制核心，完成了人性化的人機觸控界面功能設計、激光器的驅動(dòng)控制、精密水冷單元的參數監控、配電模塊的抗干擾設計以及輸出功率的校準。輸出功率0 W 或4 W～80 W，步進(jìn)長(cháng)度1 W 連續可調, 可通過(guò)腳踏自由切換汽化和凝血兩種功率參數輸出;溫度采集精度±0.5 ℃， 水流量3.6 L/min ，符合IPG-TLR-80 -WC-Y12 型號光纖激光器正常工作要求。經(jīng)過(guò)功率校準算法，用戶(hù)設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。測試結果表明，該系統具有可靠性高、抗干擾能力強、輸出功率穩定準確、操作便利等優(yōu)點(diǎn)。