陳名松， 潘璐璐,， 魯遠甫， 佘榮斌， 李光元

(1.桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.中國科學(xué)院 深圳先進技術(shù)研究院，廣東 深圳 518055)

光療法由于具有不良反應(yīng)小、無耐藥性、無創(chuàng)傷、無污染等眾多優(yōu)點，逐漸在皮膚病等臨床醫(yī)療中得到廣泛應(yīng)用。隨著各個波段的生物效應(yīng)逐漸研究應(yīng)用，給光療儀器帶來了新的機遇，參數(shù)多樣的光療儀器具有實用性和科研性，可為臨床研究提供多種參數(shù)選擇。光療儀器主要包括光療光源、光學(xué)結(jié)構(gòu)、硬件電路三部分。在Karu等[1]提出光的刺激效應(yīng)與是否為相干光無關(guān)后，LED以其壽命長、質(zhì)量輕、安全環(huán)保、控制方便等特有優(yōu)勢逐漸替代低強度激光在光生物調(diào)節(jié)的應(yīng)用以及大面積的光動力療法。

不同波長在皮膚中的穿透深度也不同[2]，在一些情況下，不同波長的組合可加強治療效果。如在痤瘡的治療中，以藍光的卟啉光動力作用為主，紅光對卟啉的光動力作用比藍光弱[3]，但其波長較長，可以作用更深層的皮脂腺，并調(diào)節(jié)線粒體等通路，發(fā)揮抗炎作用，加速新陳代謝[4-5]。光療治療痤瘡可分為單純用藍光和紅光照射治療以及外用光敏劑結(jié)合藍光和紅光的治療方式[6]2種。兩者都屬于光動力療法，只不過前者的光敏劑是痤瘡丙酸桿菌的自身代謝物質(zhì)[7]，是內(nèi)源性的，后者是通過外界給藥，將光敏劑富集于皮脂腺。

通過對目前LED皮膚光療儀的特性和功能調(diào)研，發(fā)現(xiàn)存在如下不足：只可選擇波長，強度不可調(diào)；組合模式少；功率較低；可調(diào)參數(shù)少；操作不便等。針對功能和結(jié)構(gòu)上的一些不足，設(shè)計了一種多波長皮膚光療儀。該光療儀具有多種波長和負氧離子功能，輻照度高，光能分布較為集中且均勻，光波長可自由組合，可為臨床提供穩(wěn)定可靠、參數(shù)豐富的設(shè)備。

1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計與仿真

光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計是多波長皮膚光療儀的關(guān)鍵部分，目的在于按照所需合理地控制光路，使得光能分布集中且均勻，即輻照度盡可能高。

1.1 設(shè)計方法

一般外用光敏劑的光動力療法對輻照度要求不高，但對于單純的紅、藍光照射治療痤瘡，根據(jù)臨床經(jīng)驗需要較大的輻照度，一般在20 mW/cm2以上。這對激光來說很容易實現(xiàn)，但激光發(fā)光角度小，不適合大面積光療。常見的LED光療儀是將直插式的LED設(shè)計成LED陣列。目前基于COB(chip on board)集成式封裝的LED相對于單顆分離式封裝具有更好的散熱性能[8]，集成的大功率LED，將幾十甚至上百個小型的LED燈珠封裝成一塊芯片，且面積小、功率高，單個燈珠可高達1 W的輻射功率。本光療儀的光源采用2塊集成的大功率LED芯片，每塊內(nèi)部是10顆×10顆的LED陣列，集成在約20 mm×20 mm的芯片上。為了增加輻照度，將2塊LED芯片設(shè)計成具有一定距離和夾角，并利用透鏡和反光杯的匯聚作用，使照射平面上光斑基本重合，增加照射面接收的輻照度，且照射區(qū)域光照均勻。以人感覺的舒適度為基礎(chǔ)，設(shè)置光源距離照射區(qū)域20 cm，期望達到如圖1所示的出光效果。

圖1 光療儀出光效果圖

1.2 光學(xué)仿真

所用的LED光源內(nèi)部燈珠為SMD封裝，可看作具有一定厚度的表面光源，半功率角度通常為±60°。利用測得的光譜圖與光源配光曲線，通過光學(xué)仿真軟件TracePro的插件surface source property generator對選用的紅、黃、藍光進行表面光源模擬。

測量LED光源實物的尺寸參數(shù)，根據(jù)實際模型在TracePro中建模，如圖2所示。在TracePro中將這3種光波長的屬性賦予100個表面光源。

圖2 LED陣列的TracePro建模

LED為朗伯輻射體，其光強分布可近似表示為

I(θ)=I0cosmθ。

(1)

其中：m值取決于半功率角；θ為光源光軸與任意發(fā)光面法線的角度。當θ=θ1/2(θ1/2為半值角)時，式(1)可改寫為

(2)

即對于半功率角為±60°的光源，m值為1。LED是非相干光，因此多個LED對某個平面的照度可線性疊加求解。假設(shè)LED光源為N×M的陣列光源，當N和M都為偶數(shù)時，空間坐標點(x,y,z)的輻照度為[9]

(3)

對反光杯與光學(xué)透鏡建模，并將其與光源進行組合。如圖3為LED光源光學(xué)模型。反光杯內(nèi)表面設(shè)置為吸收率5%的鏡面，透鏡材料設(shè)置為肖特基玻璃BK7，其發(fā)散角約為60°～70°，生成2組LED陣列。對這200顆LED及相關(guān)器件進行光線追跡，在距離照射面20 cm處插入一個15 cm×15 cm的接收面，LED光源光線追跡如圖4所示。

圖3 LED光源光學(xué)模型

圖4 LED光源光線追跡

該仿真目標在光照距離20 cm處兩光斑基本重合，即在照射區(qū)域光照集中且均勻，能完全覆蓋人臉。因底部散熱器尺寸和整體結(jié)構(gòu)制約，將兩LED中心距離設(shè)置為17 cm，因此通過調(diào)整兩LED陣列光源的夾角α來調(diào)節(jié)接收面的輻射照度分布，讓光斑重合的同時，被照射區(qū)域光強較均勻。光強大小與輻照度相關(guān)，這里以輻照度參量為準，通過對不同夾角α下的光學(xué)模型進行仿真，得到輻照度分布圖，并利用區(qū)域最大輻照度Emax和區(qū)域平均輻照度Eave計算輻照度均勻性U，計算公式為[10]

(4)

將仿真得到的輻照度圖進行分析，并計算均勻性，表1為不同夾角α下照射區(qū)域的輻照度數(shù)據(jù)和照度均勻度。表1中的輻照度數(shù)據(jù)為仿真數(shù)據(jù)的相對值，非實際輻照度。

從表1可看出，當α=154.6°時，均勻度最佳，為75.1%，當α=154.2°時，均勻度74.9%，且平均輻照度略比α=154.6°高，因此建議取α為154.6°或154.2°。α=154.2°對應(yīng)的輻照度分布圖如圖5示。從圖5可看出，輻照度曲線在水平或垂直方向都較為平坦。

光斑的輻照度分布除了與LED夾角有關(guān)，還與反光杯和透鏡匯聚作用有關(guān)，特別是當去除透鏡后，光束發(fā)散，打在目標平面的光強很弱。圖6為去掉透鏡后目標探測面輻照度分布，相比于圖5，光強明顯變?nèi)酰骄椪斩认陆导s65%。

表1 LED在20 cm處不同夾角下的輻照度及均勻度

圖5 LED以夾角α=154.2°在20 cm處的輻照度分布

圖6 LED以夾角α=154.2°和無透鏡組合在20 cm處的輻照度分布

2 硬件電路設(shè)計

2.1 光療儀電路方案設(shè)計

將光療儀的電路分為控制和驅(qū)動電路2個部分，兩部分電路之間通過異步串口通信。具體的設(shè)計與采用的光源封裝結(jié)構(gòu)有關(guān),本研究采用的是定制的2塊集成LED陣列，每塊陣列有紅、藍、黃3路接口，因3種光所需的電參數(shù)不同，故采用3組LED驅(qū)動電路來控制輸出的電壓電流。采用PIC單片機作為控制芯片的光療儀電路方案架構(gòu)，如圖7所示。

圖7 光療儀電路方案架構(gòu)

2.2 控制電路設(shè)計

光療儀的控制電路包括PIC單片機最小系統(tǒng)、輸入輸出界面、電壓轉(zhuǎn)換、用電器控制等部分。本光療儀選用的LED光源的電學(xué)參數(shù)如表2所示。工作電壓變化范圍為20～36 V，單路最大電流為2 400 mA。AC-DC電源選擇醫(yī)療專用的開關(guān)電源，以解決電磁兼容問題。通過DC-DC電壓轉(zhuǎn)換電路，給不同模塊提供不同的工作電壓。

表2 LED光源的電學(xué)參數(shù)

控制電路通過底層協(xié)議，發(fā)送字符指令至驅(qū)動電路控制芯片的接收端，控制其開斷和輸出參數(shù)。PIC單片機工作電壓低，基本在3～3.6 V，且功耗低，驅(qū)動能力強。它的優(yōu)勢在于抗干擾能力強，保密性強，其芯片EMC指標高，適合用于醫(yī)療器械，且具有極強的保密性。根據(jù)3路UART串口和I/O口數(shù)量的需求，選用PIC33EP系列的數(shù)字信號控制器作為控制電路的核心。

控制電路的用電器有LED指示燈、數(shù)碼管顯示、風扇、負氧離子模塊，主要通過PIC單片機的I/O口電平控制。負氧離子模塊由控制電路控制是否釋放負氧離子。風扇用于LED光源和電路板散熱。當選定工作模式時，按啟停鍵后光療儀開始工作，風扇開啟，除負氧離子按鍵和啟停鍵外，再觸發(fā)其他按鍵為無效操作，處于鎖屏狀態(tài)，直到工作結(jié)束。

2.3 驅(qū)動電路設(shè)計

考慮LED驅(qū)動的架構(gòu)時，可基于輻射低但效率也較低的線性電源，或者效率高、輻射也高的開關(guān)電源形式。大功率的LED驅(qū)動電路需采用恒流控制?；诰€性電源的恒流電路通常是壓控電流源。壓控恒流源硬件架構(gòu)如圖8所示。將數(shù)模轉(zhuǎn)換器與運算放大器級聯(lián)，通過微控制器和電流檢測電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的反饋環(huán)路，調(diào)整運放的輸出電壓來控制負載電流，從而構(gòu)成一個數(shù)控的壓控恒流源。

圖8 壓控恒流源的硬件架構(gòu)

開關(guān)式恒流源的架構(gòu)如圖9所示。采用基于BUCK降壓拓撲結(jié)構(gòu)的功率電路，輸入48 V電壓，通過PWM調(diào)光控制功率電路中MOSFET的開關(guān)頻率與占空比，調(diào)整步進電壓。同時，通過反饋電路對電流取樣，穩(wěn)定輸出，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，MCU計算實際電流值，當檢測到電流有變化時，通過MCU對PWM調(diào)光電路調(diào)整，從而改變開關(guān)占空比，調(diào)整輸出電壓，從而改變輸出電流。

圖9 開關(guān)式恒流源的架構(gòu)

設(shè)計路時需考慮MOSFET和續(xù)流二極管的散熱，可通過加大散熱器面積或者外部風扇進行散熱。由于MOSFET和大電感容易產(chǎn)生EMI問題，可采取適當屏蔽措施，如MOSFET的柵極和源極管腳加磁珠，散熱器通過小電容再接地，避免高頻信號通過散熱片向外輻射。另外，選用AC-DC電源時要看輸出是否有Y電容，在改善傳導(dǎo)和空間輻射時，可在電源的輸入輸出適當加磁環(huán)。

3 測試結(jié)果

使用光譜儀分別測試每種顏色的光譜，其中紅光的中心波長約為635.4 nm，其半波寬Δλ為17.5 nm；藍光的中心波長約為454.3 nm，其半波寬Δλ約20.4 nm；黃光的中心波長為597.3 nm，其半波寬Δλ約14.67 nm。圖10為距離光源20 cm處的光斑圖。從圖10可看出，2個LED陣列同時工作時，20 cm處光斑基本重合，距離20 cm處的光斑直徑約26 cm，可覆蓋人臉，并有一定的余量，光能分布集中且較為均勻。

圖10 距離光源20 cm處的光斑

用功率計探頭測量光輻射功率。在探頭與透鏡距離為0(z=0)和探頭與透鏡距離20 cm(z=20 cm)位置，測得對應(yīng)光輻射功率，通過已知探測面積2.835 2 cm2即可計算出輻照度。通過計算得到的輻照度數(shù)據(jù)如表3所示。光輻射功率與電流大小有關(guān)，硬件電路可對電流值進行控制，從而切換光能量檔位。從表3可看出，在z=20 cm，即光斑重合位置，不同電流值對應(yīng)的輻照度不同。紅光輻照度達18.4 mW/cm2，藍光輻照度達29.6 mW/cm2，黃光輻照度達2.5 mW/cm2，因此總的輻照度輸出達50.5 mW/cm2。但此時電流并未處于最大值，紅、藍光電流值最大為2.4 A，黃光最大為1.2 A，因此總輻照度輸出可達50.5 mW/cm2。

4 結(jié)束語

為提高光療儀輻照度，增加光治療模式，設(shè)計了一種具有紅、藍、黃3種波長、光能分布集中且均勻的多波長皮膚光療儀。用TracePro進行光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計與仿真，在距離光源20 cm處的目標平面，光斑重合，仿真光照均勻度可達75.1%。光療儀的電路包括控制電路和驅(qū)動電路，兩部分電路之間通過異步串口通信，將大功率的驅(qū)動電路與小功率的控制電路隔離，便于控制光波長和光能量的選擇，實現(xiàn)參數(shù)自由組合。測試結(jié)果表明，在目標平面光斑直徑約26 cm，總輻照度達50.5 mW/cm2以上?；诒驹O(shè)計思路，若想進一步提高輻照度，可增加集成LED光源數(shù)量，通過光學(xué)設(shè)計將光線匯聚，但對電路的效率和散熱要求較高。

表3 輻照度數(shù)據(jù)