呂恒勇 李真 崔峰 張海波 李迎新 吳金鵬

300192天津，中國醫(yī)學科學院 北京協(xié)和醫(yī)學院生物醫(yī)學工程研究所（呂恒勇、李真、崔峰、李迎新、吳金鵬）；100029北京中醫(yī)藥大學針灸推拿學院（張海波）

雙波長多通道激光針灸儀的設計與實現(xiàn)

呂恒勇 李真 崔峰 張海波 李迎新 吳金鵬

300192天津，中國醫(yī)學科學院 北京協(xié)和醫(yī)學院生物醫(yī)學工程研究所（呂恒勇、李真、崔峰、李迎新、吳金鵬）；100029北京中醫(yī)藥大學針灸推拿學院（張海波）

目的 利用弱激光的生物刺激效應，針對中醫(yī)針灸穴位配伍的臨床應用特點，在中醫(yī)針灸理論指導下設計一種雙波長多通道激光針灸儀。 方法 采用單片機與半導體激光器設計硬件電路，以實現(xiàn)儀器的基本功能，并設計相應的上位機軟件。 結果 所設計的激光針灸儀可對多個穴位同時進行相同或不同激光參數(shù)（波長、功率密度、連續(xù)/脈沖）的激光針灸治療，每個通道均可輸出635、808 nm兩種波長的激光，且激光功率連續(xù)可調。 結論 雙波長多通道激光針灸儀實現(xiàn)了對針刺療法中提、插等手法以及艾灸療法中小炷、中炷、大炷等灸法的模擬，可滿足針灸臨床治療中對穴位配伍、量化治療參數(shù)及電子病歷管理等多方面需求，操作簡單，使用方便，具有良好的臨床應用價值。

激光針灸； 多通道； 雙波長； 穴位配伍

0 引言

激光針灸是1966年Mester等[1]提出弱激光生物刺激效應之后，與中醫(yī)針灸理論相結合而發(fā)展起來的一種治療技術，是在中醫(yī)針灸經(jīng)絡理論指導下，采用低強度激光束直接或聚焦照射、擴束照射穴位以達到治療的目的[2-3]。從光束或光斑的大小而言，激光光束聚焦后照射穴位，可模擬“針”的部分功能；擴束照射穴位，可實現(xiàn)“灸”的部分效應，并且不會對生物組織造成不可逆性的損傷，而是產(chǎn)生某種與針刺、艾灸等治療方式所獲得的生物刺激相類似的效應[4]。我國從1973年開始將激光針灸應用于臨床，相繼研發(fā)設計了多種激光針灸儀器，所采用光源包括He-Ne激光、CO2激光、Nd-YAG激光及半導體激光等類型，并因其具有無痛、無菌、安全、易控及可調等優(yōu)勢，被廣泛應用于內、外、婦、兒、神經(jīng)及皮膚等臨床各科[5]。隨著激光針灸儀器的不斷研究發(fā)展，已呈現(xiàn)出一些新的趨勢，如從單一的波長輸出發(fā)展為多種波長的聯(lián)合輸出；從單一穴位照射到多穴位聯(lián)合治療；從表面照射到與針刺結合的內部照射；從簡單的電子電路控制到設備輸出的智能控制；從大型化向體積小、質量輕、便攜式發(fā)展[6]。但基于臨床應用，激光針灸設備的設計仍存在一些不足：①中醫(yī)特色不突出，不能充分體現(xiàn)中醫(yī)針灸的治療特點，如穴位配伍的實現(xiàn)、不同穴位的刺激強度及深度調節(jié)。②現(xiàn)階段激光醫(yī)學發(fā)展的新技術如激光耦合輸出技術、激光輸出劑量實時控制技術等應用不足。③人機接口界面較復雜，不易操作。④設備在臨床操作中人性化、規(guī)范化程度低，在波長、照射時間及劑量選擇等方面仍存在很大的盲目性，與臨床應用的實際需求相比還有很大差距。

1 激光針灸的生物學依據(jù)及設計依據(jù)

600～1200nm被稱為生物組織光學窗口（Optical window），在此波段內組織對光的吸收最少，激光波長均在“治療光窗”內。其對皮膚組織的穿透性較好，可達穴位深處[7]。同時由于人體組織對不同波長的入射光具有不同的吸收系數(shù)，不同波長弱激光照射產(chǎn)生的生物刺激效應也有很大的差別，且不同波長的激光對同一部位的穿透深度亦不同。已有研究證實，多波長激光的組合使用可產(chǎn)生優(yōu)于單一波長的醫(yī)療效果[8]。因此在臨床應用中聯(lián)合使用多種波長的激光交替照射，可實現(xiàn)傳統(tǒng)針灸的提、插手法的模擬，并可方便而又經(jīng)濟地滿足臨床對傷口治療和護理的需要。

激光的劑量參數(shù)，如功率密度、照射時間及作用方式（連續(xù)/脈沖）也會影響激光針灸的作用效果[9]。低強度激光的生物學作用服從拋物線特性規(guī)律，且具有“累積作用”和“飽和作用”。由于人體穴位深度、各部位皮膚特性及所適應病癥等的不同，在臨床治療中需根據(jù)實際情況來選擇激光波長及照射參數(shù)，并有規(guī)律地連續(xù)照射，以促進“累積”而抑制“飽和”[10]。此外，在傳統(tǒng)針灸過程中常采用多穴位配伍治療，因此本研究設計實現(xiàn)一種雙波長多通道激光參數(shù)可調的激光針灸儀，其主要功能包括：采用635、808 nm兩種波長半導體激光光源可實現(xiàn)波長的任意切換，達到激光8通道的耦合輸出；對激光照射光斑大小進行調劑，以達到對針刺和艾灸等療法的模擬。整機由上位機、嵌入式的控制系統(tǒng)、電源控制電路、激光光源及耦合光路等組成，可實現(xiàn)系統(tǒng)的智能控制。

2 控制系統(tǒng)結構

本研究設計的雙波長多通道激光針灸儀控制系統(tǒng)主要由嵌入式控制系統(tǒng)、半導體激光模塊電源驅動、半導體激光模塊、光纖耦合器、輸出通道和上位機控制軟件組成（圖1）。其中半導體激光模塊包括由8支K808F06FA-4.000W（808 nm，4 W）和8支K635F03RN-0.400W（635 nm，400 mW）激光管（北京凱普林公司）的8組組合激光模塊組成，每一組組合激光模塊由一支635 nm激光管和一支808 nm激光管組成，以作為其中一個通道輸出的光源。同一組合內的激光管通過光纖耦合的方式將兩種不同波長的激光耦合進一根輸出光纖輸出。

圖1 雙波長多通道激光針灸儀控制系統(tǒng)結構

半導體激光模塊電源驅動是設備中的關鍵部分,它接受嵌入式控制系統(tǒng)通過SPI總線發(fā)送來的控制信號,輸出電流給半導體激光模塊內置的半導體制冷片（thermoelectric cooler,TEC），以控制半導體激光管芯的溫度，并提供激光二極管（LD）所需的工作電流；同時，該驅動還可在激光模塊實時工作過程中監(jiān)測激光器各個關鍵參數(shù)（如實際溫度信號、激光管的實際電流信號和電壓信號）以保證激光管的正常工作，當出現(xiàn)異常情況時將信號反饋給嵌入式控制系統(tǒng)，上位機控制軟件通過RS232串口與嵌入式控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸，以實現(xiàn)對電流、功率和溫度的控制及顯示。采用可調金屬臂調節(jié)和固定光纖通道，實現(xiàn)治療過程中光纖的有效工作距離及工作角度的任意控制和調節(jié)。硅膠制成的輸出終端固定裝置將輸出終端固定于照射部位，且根據(jù)照射穴位的位置采用不同規(guī)格的固定裝置。

2.1 嵌入式控制系統(tǒng)

由于半導體激光管的諸多輸出參數(shù)如波長、功率均與溫度和驅動電流有關，其波長隨注入電流的增加而變大（0.025 nm/mA），隨溫度的升高而變大（0.3～0.4 nm/℃），且當驅動電流大于閾值后，激光器輸出功率與驅動電流成正比[11-13]。因此為達到穩(wěn)定的功率輸出和波長，控制系統(tǒng)主要包括激光器電流控制、溫度控制兩部分功能。

其中，電流控制電路采用STM32F107VCT6作為主控制芯片，發(fā)送的控制指令通過片選信號來控制8通道的DAC芯片TLV5608，以達到控制激光器驅動電流的目的，驅動電流電路通過A/D端口反饋電流值；溫度控制部分采用負溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻作為溫度傳感器采集溫度信號，通過PID調節(jié)電路對激光管內置的TEC進行溫度調節(jié)，以保持激光管工作時的溫度恒定。采用MAX3232實現(xiàn)與上位機軟件的通訊。（圖2）

圖2 嵌入式控制系統(tǒng)原理圖

2.2 激光模塊輸出功率穩(wěn)定性測試

在實際應用中，安全性與有效性是治療過程中的主要問題。有研究指出，在確定治療有效及安全的條件下，無論是直接表面激光照射、間或導入穴位深部照射，在較大功率劑量參數(shù)下能獲得更好的治療效果，但在研究中卻偶發(fā)類似瘢痕灸樣的燒灼現(xiàn)象[14]，因此在設計過程中要保證穩(wěn)定、可靠的光源功率輸出。

為檢測輸出功率的穩(wěn)定性，采用環(huán)境溫度為室溫23℃，激光模塊工作溫度設置為25℃，用SOL02激光功率/能量計（加拿大Gentec公司）對808 nm激光管（設定驅動電流為3 A時）和635 nm通道（設定驅動電流為300 mA時）的激光波長光譜和輸出功率進行測量，得到中心波長分別為（808±5）nm，輸出功率≥2.5W；波長為（635±5）nm，輸出功率≥0.25W。在激光管的線性工作區(qū)域內，激光功率緩慢增大，并趨于穩(wěn)定；此外，在10 min的持續(xù)測量時間內，輸出功率連續(xù)可調，輸出值與預置值的偏差≤±20%，連續(xù)輸出功率不穩(wěn)定度＜±10%，連續(xù)輸出功率復現(xiàn)性優(yōu)于±10%。

2.3 治療終端

現(xiàn)有的臨床激光照射終端，大多采用直接照射或負壓吸附照射，此種照射治療方式在簡便易用的同時，同樣存在以下問題：①激光照射作用部位與光纖輸出距離無統(tǒng)一規(guī)范，造成使用的隨意化。②激光照射作用部位受限，現(xiàn)有的治療設備大多采用直接照射，患者姿勢固定，造成使用不便。③光斑大小固定，不易調節(jié)。

基于以上臨床應用的需要，本研究設計了一種具有多參數(shù)功能的激光治療終端裝置。治療終端分為上、中、下3部分，上部采用SMA905接口與輸出光纖相連；中部用于提供光斑可調的透鏡移動空間；下部采用硅膠結構，黏附于人體，實現(xiàn)光斑的調節(jié)與照射距離的調整。透鏡移動空間的具體原理是利用透鏡成像原理，將激光聚焦后再次轉換成平行光，光斑大小的調整既模仿了艾灸的小炷、中炷、大炷的灸法，又實現(xiàn)了治療距離的可調。

2.4 上位機控制軟件設計

上位機控制軟件主要實現(xiàn)兩個功能：①患者基本信息及治療信息的錄入、查詢和打印。②根據(jù)治療需要通過串口協(xié)議發(fā)送治療指令來控制雙波長激光治療儀的工作，并對工作狀態(tài)進行監(jiān)測。本控制軟件采用RS232接口與嵌入式控制系統(tǒng)進行通訊，以控制8路激光模塊進行工作，主要在Visual Studio2010軟件環(huán)境下采用C#語言進行軟件界面的設計和開發(fā)；同時聯(lián)合SQL Server 2008實現(xiàn)患者數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建[15-16]。開發(fā)過程中主要涉及界面設計、通信協(xié)議執(zhí)行、讀寫數(shù)據(jù)類型的轉換及治療定時等內容。

本系統(tǒng)采用 Windows應用程序的 Windows Form模塊進行軟件開發(fā)。Windows Form模塊是一個控件庫，其中的控件（如按鈕、工具欄、文本框、菜單等）可用于建立Windows用戶界面（UI），應用的主要控件包括 SerialPort、Timer、Button、Textbox、Lable、CheckBox、ComboBox、GroupBox、StatusStrip及MenuStrip等。通過靈活地應用這些控件，實現(xiàn)了系統(tǒng)登錄界面、患者信息添加及查詢界面、患者治療方案設置界面、治療狀態(tài)監(jiān)測界面、患者治療信息反饋及醫(yī)生建議界面的設計。其中治療設置界面是上位機控制軟件中的一個重要部分，該界面完成設置患者治療方案參數(shù)、發(fā)送激光治療儀器的控制命令及保存設置的治療參數(shù)等功能，是與嵌入式控制系統(tǒng)通訊的一個重要部分，是整個雙波長激光治療系統(tǒng)實現(xiàn)治療功能的關鍵環(huán)節(jié)。（圖3）

3 結果與討論

激光針灸的治療效果是一個由多種因素決定的復雜過程，受多種因素的制約。首先，作為對傳統(tǒng)針灸技術的繼承和發(fā)展，治療效果不僅受針灸的時機、手法及治療療程的影響，而且激光自身的參數(shù)（如波長、功率、工作模式、劑量）、患處的組織特征及設備的可靠性均對其有很大的影響；其次，激光的作用特性跟波長相關。本設備之所以選擇635、808 nm，是因為兩個波長分別處于不同的波段。635 nm處于可見光波段，現(xiàn)有文獻已經(jīng)證明，此波段的光穿透組織深度較淺，對人體有提高局部免疫力、促進創(chuàng)傷愈合及促進血液循環(huán)的作用[17]；808 nm處于紅外波段，此波段的光穿透組織深度較深，能有效促進神經(jīng)修復和鎮(zhèn)痛作用[18]。本設備實現(xiàn)了兩種波長的單獨或耦合輸出，對于不同作用部位有著更好的適應性，能更好地實現(xiàn)對傳統(tǒng)針灸治療技術的模擬應用。雙波長的組合輸出及相關劑量參數(shù)的調整能否產(chǎn)生優(yōu)于單波長作用的效果，仍有待進一步的臨床應用驗證。

圖3 治療設置界面的操作流程圖

4 結 論

本研究所設計的雙波長多通道激光針灸儀能輸出635、808 nm兩種波長的激光，可同時對多個穴位進行相同或不同參數(shù)的治療。激光針灸儀每個輸出通道均能單獨輸出一種波長或兩種波長交替輸出，所有輸出通道均可實現(xiàn)連續(xù)輸出和脈沖輸出。連續(xù)模式可設置激光波長和功率，脈沖模式可設置脈沖寬度、重復頻率和占空比。輸出通道間可以是同步輸出或異步輸出，通過上位機軟件可使操作簡單化，通過治療終端來調整光斑的大小及與照射部位之間的距離，使用方便可行。因此，本研究所設計的雙波長多通道激光針灸儀能滿足臨床針灸穴位配伍治療的需求，且操作簡單、使用方便，具有良好的推廣價值。

利益沖突 無

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Design of a dual wavelength multi-channel laser acupuncture instrument

Lyu Hengyong,Li Zhen,Cui Feng, Zhang Haibo,Li Yingxin,Wu Jinpeng
Institute of Biomedical Engineering,Chinese Academy of Medical Sciences&Peking Union Medical College,Tianjin 300192,China(Lyu HY,Li Z,Cui F,Li YX,Wu JP);School of Acupuncture-Moxibustion and Tuin,Beijing University of Chinese Medicine,Beijing 100029,China(Zhang HB) Corresponding author:Wu Jinpeng,Email:microkn@126.com

Objective To design a laser acupuncture instrument with dual wavelength and multi-channel, under the guidance of traditional Chinese medicine acupuncture theory and according to low-level laser induced effect in bio-tissues and compatibility characteristics of acupuncture points.Methods Using SCM and semiconductor laser,hardware circuitry was designed to achieve the basic functions of the instrument,and the corresponding PC software was developed.Results The laser acupuncture treatment for several acupuncture points could be carried out at the same time with the same or different laser parameters (wavelength,power density, continuous/pulse),and each channel could output 635 nm and 808 nm laser,with continuous adjustable power. Conclusions The dual wavelength multi-channel laser acupuncture instrument can meet the needs of compatibility during clinical acupuncture treatment and is easy to operate.

Laser acupuncture;Multi-channel;Dual wavelength;Compatibility of acupuncture points

Key Projects in the National Science&Technology Pillar Program during the Twelfth Five-year Plan Period(2012BAI25B03)

吳金鵬，Email：microkn@126.com

10．3760/cma．j．issn．1673-4181．2016．02．008

“十二五”國家科技支撐計劃（2012BAI25B03）

2015-12-18）