電路城論壇 發表於 2020-06-17 11:22:03
2μm高功率雷射醫療儀市場需求越來越大，而目人機互動模塊前國內此類設備在控制上缺乏對系統安全和出光精準度的考慮。同時隨著YY0505-2012醫用電氣電磁兼容標準於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，本文採用模塊化設計，設計了一種基於STM32的2μm光纖雷射器醫療儀控制系統，將水冷單元的參數監控、電源模塊的抗幹擾設計、輸出功率的校準等集成於一體。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2μm光纖雷射器模塊、精密水冷單元、STM32主控制器模塊、人機互動模塊等部分組成，結構如圖1所示。控制器是醫療儀的大腦，負責整個設備的啟停和正常運行。2μm光纖雷射器經過光學系統準直聚焦，得到醫用雷射，在特定條件下，腳踏開關閉合發出相應功率的雷射，由光纖傳導到病灶部位。精密水冷單元的循環水流經雷射腔，使雷射器工作在合適溫度，確保輸出功率穩定，且水冷單元的啟動總是先於雷射器，防止雷射器在高溫高溼環境下結露而損壞。門控直接與雷射器內部的interlock信號相連，同時主控器對其狀態實時監測。此外光纖檢測可對醫用光纖進行規範化管理，防止因光纖老化影響治療效果。採集了16組對應值，由於環境等因素影響採集結果，導致偶然誤差。為了儘可能準確地得出未知點，相同實驗重複4次，並將對應值取平均。通過增加節點個數來提高差值多項式對函數的逼近程度，由於此時高次多項式插值容易出現Runge現象，故採用Lagrange線性插值，把節點分成13段，分段採用低次多項式近似函數。分段節點處函數值如表1所示。
圖1 醫療儀總體結構圖
設備以觸控螢幕為主要人機互動平臺，實現的功能包括：汽化與凝血參數的同時設置；不同方案的保存和調用；能量、計時等治療參數的統計顯示；系統異常狀態的報警提示；出光指示燈的亮度調節。
2. 系統硬體設計
2.1 系統硬體結構
系統硬體以STM32F107VCT6為核心，硬體框圖如圖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；以觸控螢幕為主的人機互動模塊集成了出光指示燈、鑰匙開關、急停、啟動、腳踏、門控等外部硬體控制；配電模塊集成了繼電器驅動電路和電磁兼容設計。其中，水冷單元、光纖雷射器、觸控螢幕和音效合成模塊分別通過RS232與主控制器通信。
圖2 系統硬體框圖
2.2 配電模塊電路設計
為實現高可靠性，配電模塊電路採用冗餘設計，每路繼電器驅動電路控制兩個固態繼電器。以圖3所示雷射器的繼電器驅動電路為例，U5、U6代表兩個繼電器，輸出端分別串聯到電源的零線和火線上，實現同開同斷，避免某一個繼電器發生故障時影響整個系統的工作。每路信號除通過I/O控制外，急停信號也對繼電器可控，達到軟體和硬體同時急停的目的。選用的急停按鈕是常閉型，高電平有效，當急停觸發時，Q3不導通，致9引腳電平拉低，再與I/O信號經過與門，輸出也為低電平，致Q4不導通，繼電器處於開路狀態，電源斷路。
另外，電路一方面在STOP和I/O信號接口處接入5V瞬態抑制管，以防止靜電積累損壞器件；另一方面在Q4導通時D3點亮作為電路工作狀態指示，當系統出現異常時方便故障排查。
圖3 繼電器驅動電路
2.3 配電模塊電磁兼容設計
電磁兼容問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於2012年12月正式發布了新版標準YY0505-2012，並於2014年1月正式實施，該醫療儀配電模塊結合此標準做了相關電磁兼容性（EMC）設計。實際工作環境下該系統電磁幹擾主要於電源線上的高頻幹擾、接線埠的靜電幹擾、浪湧電流、可控矽通斷時產生的幹擾等。
首先考慮硬體選型，選用交流單相雙節電源濾波器，不僅能抑制共模幹擾，對快速瞬變脈衝群（EFT）實驗也有很好的輔助效果。與傳統電磁線圈繼電器相比，固態繼電器的壽命長，可靠性好，切換速度可達幾毫秒至幾微秒，沒有觸點燃弧和回跳，減少了電磁幹擾和瞬態效應，但固態繼電器導通時會產生較大熱量，系統通過在繼電器下方放置散熱片來解決此問題。
配電模塊的結構框圖如圖4，在電源的進線端串入濾波器，然後進入瞬態電壓浪湧抑制模組（包含千瓦級TVS、壓敏電阻、防雷管等），再接入繼電器，最後在電源進入每個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. 系統軟體設計
3.1 軟體功能設計
系統軟體主要實現以下功能：（1）5個安全狀態的實時檢測，包括檢測光纖連接、腳踏連接、門控、水冷單元連接和雷射器連接是否正常。（2）5個工作狀態的判定，包括開鎖狀態、初始化狀態、參數設定狀態、準備狀態、異常狀態的判定。（3）水冷單元參數的採集，包括壓力傳感器、水位開關、溫度傳感器、流量傳感器數據的採集，並判斷是否超出正常範圍。（4）雷射器內部狀態參數的讀取並分析，雷射器內部有一個32bit的狀態字，存放雷射器當前的工作狀態，讀取每一位狀態，判斷雷射器當前是否正常工作。（5）外部硬體設備信號的採集和控制，包括鑰匙開關、急停按鈕、啟動按鈕、出光指示燈和腳踏開光的信號採集或控制。（6）工作參數的設定，包括汽化和凝血功率的設定、指示燈的開閉、存儲方案的設定和選擇。（7）操作日誌的存儲和顯示，包括開機時間、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前治療方案的出光時間和出光能量的顯示。（8）雷射輸出功率的校準。
軟體流程如圖5所示，按系統要求，異常狀態優先級最高，通過中斷處理。為節省系統資源，對5個安全狀態每1s掃描1次，若發現連接異常，系統重新自檢，直到連接正常方可進入主循環。對其他觸控螢幕有效包、水冷單元有效包、雷射器有效包依次處理。
圖5 系統軟體流程圖
3.2 雷射功率自動校準算法
由於醫療產品對可靠性的特殊要求，雷射輸出功率的準確性必然成為衡量一臺醫療設備品質好壞的重要參數。雷射功率在光纖耦合處和光纖尾端、切口端面會產生衰減，如圖6所示。光纖終端功率小於用戶設置功率，尤其在設置功率小於60W時，最大偏差達63.6%。為了得到準確的光纖終端功率，需要藉助功率計採集終端功率並讀取與之對應的雷射器驅動電流，然後通過插值法得到功率與電流的分析表達式，以便用戶設置每個功率參數時都能找到與之對應的電流值。
圖6 校準前終端採集功率與用戶設置功率關係
採集了16組對應值，由於環境等因素影響採集結果，導致偶然誤差。為了儘可能準確地得出未知點，相同實驗重複4次，並將對應值取平均。通過增加節點個數來提高差值多項式對函數的逼近程度，由於此時高次多項式插值容易出現Runge現象，故採用Lagrange線性插值，把節點分成13段，分段採用低次多項式近似函數。分段節點處函數值如表1所示。
分段表達式為：
將各點分別帶入式（1）得出分段表達式：
表1節點處函數對應值
隨機抽取一點值f（18）≈φ0（18）=1.1×18+8.1=27.9，與實際測量值f（18）=27.7比較，偏差為0.7%，符合精度要求。將式（2）寫入軟體插值函數子程序中，當用戶設定功率時，算法先判斷該值所在區間範圍，再求出對應電流百分比，通過串口發送到光纖雷射器。經插值算法校準後，用戶設置功率與終端採集功率之間的關係如圖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，通過此方法獲得了較準確的雷射輸出功率，精度控制在±1W以內。
圖7 校準後用戶設置功率與終端採集功率關係
4. 系統測試及結果
本文設計了一種基於2μm高功率光纖雷射器的醫療儀，以STM32為控制核心，完成了人性化的人機觸控界面功能設計、雷射器的驅動控制、精密水冷單元的參數監控、配電模塊的抗幹擾設計以及輸出功率的校準。輸出功率0W或4W~80W，步進長度1W連續可調，可通過腳踏自由切換汽化和凝血兩種功率參數輸出；溫度採集精度±0.5℃，水流量3.6L/min，符合IPG-TLR-80-WC-Y12型號光纖雷射器正常工作要求。經過功率校準算法，用戶設置功率與終端採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.測試結果表明，該系統具有可靠性高、抗幹擾能力強、輸出功率穩定準確、操作便利等優點。
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