侯振中，劉子悅，李文慧，蔣松懌，趙 博，劉玉明，游國(guó)鵬，周 宇

目前中國(guó)國(guó)內(nèi)治療瘢痕的主要手段有硅膠、壓迫療法、局部注射皮質(zhì)類(lèi)固醇激素、激光治療、冷凍療法等[1～3]。其中等離子皮膚再生技術(shù)是一種治療瘢痕的新型安全治療手段[4～10]。在皮膚很微小的間距內(nèi)產(chǎn)生高強(qiáng)度的電場(chǎng)，激發(fā)空氣中氮?dú)夥肿?，形成等離子體放電，在治療區(qū)域內(nèi)造成可控深度的少量熱損傷并形成聚焦的微創(chuàng)通道來(lái)剝脫皮膚組織，而周?chē)恼＝M織不受影響。近年來(lái)，瘢痕的精細(xì)化治療成為醫(yī)學(xué)研究的熱點(diǎn)，中國(guó)對(duì)等離子體皮膚再生技術(shù)的研究尚處早期，探究直流電離產(chǎn)生等離子體技術(shù)中電離距離對(duì)治療效果影響，有助于研發(fā)用于精準(zhǔn)治療的醫(yī)療美容設(shè)備。采用夾具固定的設(shè)備會(huì)出現(xiàn)設(shè)備針尖無(wú)法隨實(shí)驗(yàn)材料質(zhì)地和形狀的改變而自動(dòng)調(diào)整距離的問(wèn)題。人工手持則會(huì)由于手部的微小抖動(dòng)造成較大電離距離誤差。為解決上述問(wèn)題，研制了基于阻抗檢測(cè)的精準(zhǔn)距離控制平臺(tái)。設(shè)計(jì)以意法半導(dǎo)體公司的STM32F103VG 芯片控制由阻抗檢測(cè)芯片AD5933 及外圍電路組成的檢測(cè)模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等離子體設(shè)備針尖與背極板之間的阻抗變化，來(lái)控制伺服電機(jī)42SSC-HB 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的人機(jī)交互裝置，使針尖觸及表皮后上升不同的亞毫米級(jí)距離。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該裝置高精度距離升降的功能。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

LRS-200 系列200 W 開(kāi)關(guān)電源（明緯，中國(guó)臺(tái)灣）；主控芯片STM32F103VG（意法半導(dǎo)體有限公司，瑞士）；7 寸顯示屏（武漢中顯公司，中國(guó)）；SS 系列42SSCHB 伺服步進(jìn)電機(jī)、42SDC-H 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（深圳智創(chuàng)公司，中國(guó)）；AD5933[亞德諾半導(dǎo)體公司（ADI），美國(guó)]；固定微針裝置（自制）。明緯電源符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)安全規(guī)定國(guó)際電工委員會(huì)（International Electrotechnical Commission，IEC）/EN（European Norm）60335-1（PD3）、IEC/EN61558-1，-2-16、IEC/EN/UL60950-1 及中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB 4943.1—2011。

1.2 方法

1.2.1 裝置的設(shè)計(jì)

阻抗檢測(cè)的距離控制系統(tǒng)的總設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)由5 大模塊組成：電源模塊，主控模塊，人機(jī)交互模塊，阻抗檢測(cè)模塊，電極升降模塊。電源模塊采用220 V 轉(zhuǎn)24 V 的明緯電源，24 V 用于伺服電機(jī)、直流轉(zhuǎn)直流（direct current-to-direct current，DCDC）電壓轉(zhuǎn)換的輸入部分及芯片、人機(jī)界面的供電部分。主控模塊負(fù)責(zé)與阻抗檢測(cè)模塊和人機(jī)交互模塊通信、控制電極升降模塊的電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；阻抗檢測(cè)模塊中圍繞ADI 公司的AD5933 設(shè)計(jì)外圍電路，進(jìn)行阻抗測(cè)量；人機(jī)交互模塊采用武漢中顯公司的顯示屏，實(shí)現(xiàn)不同功能的選擇和阻抗值顯示；電極升降模塊通過(guò)接收細(xì)分?jǐn)?shù)改變步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速完成距離的精確控制。將各模塊組裝至定制的機(jī)械外殼中。如圖2所示為距離控制裝置實(shí)物圖。

1.2.1.1 電源模塊 電極升降模塊中伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器需24 V/5 A，主控模塊電路為3.3 V/200 mA 的供電需求，將主控芯片輸入/輸出（input/output，I/O）腳產(chǎn)生的3.3 V 高電平電壓升至5 V 的驅(qū)動(dòng)電路需要大約5 V/500 mA，總計(jì)電源輸出功率至少為130 W。為此，采用明緯LRS-200 系列200 W 開(kāi)關(guān)電源[11]，產(chǎn)生24 V 供給電極升降模塊，同時(shí)使用基于TPS54560 芯片的BUCK（降壓）型DC-DC 電路將24 V 電源降至5 V/5 A 和3.3 V/5 A 的輸出，作為驅(qū)動(dòng)電路、主控模塊、阻抗檢測(cè)模塊的工作電源。

為了避免浪涌電流和明緯電源的異常工作造成系統(tǒng)損壞的情況，在BUCK 型電路輸出端口加入了雙路保護(hù)。如下圖3所示為雙路保護(hù)電路。一路監(jiān)測(cè)輸出電壓；另一路監(jiān)測(cè)輸出電流。后者采用增益為20 倍的INA293A1IDBVR 電流檢測(cè)芯片，檢測(cè)電阻為0.03 Ω。任何一路出現(xiàn)輸出大于最大值的異常情況，LM2903雙路差分比較器都將拉低TPS5460 的使能引腳EN（Enable，使能），及時(shí)切斷電源，保護(hù)設(shè)備安全。

1.2.1.2 主控模塊 選用高性能微控制器（micro controller unit，MCU）——STM32F103VG，并進(jìn)行外圍晶振電路、復(fù)位電路等設(shè)計(jì)。該芯片采用Cortex-M3內(nèi)核，擁有獨(dú)立的指令總線(xiàn)和數(shù)據(jù)總線(xiàn)，使得數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)不再占用指令總線(xiàn)，提升了性能。STM32F103VG 有眾多優(yōu)點(diǎn)，如片上有集成電路總線(xiàn) （inter-integrated circuit，I2C）、通用同步異步接收發(fā)送器（universal synchronous asynchronous receiver transmitter，USART）、12 位同步采樣模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器 （analog-to-digital converter，ADC）及80 個(gè)I/O 接口等豐富的外設(shè)和低功耗、低成本的特點(diǎn)。這里MCU 主要實(shí)現(xiàn)的功能為：①使用I2C 與阻抗檢測(cè)模塊通信收發(fā)指令和阻抗數(shù)據(jù)；②通過(guò)編程，將接收到的AD5933 數(shù)據(jù)，通過(guò)算法處理為待測(cè)阻抗的幅值和相位；③采用USART 通信接收人機(jī)交互屏幕的命令來(lái)控制系統(tǒng)工作的啟動(dòng)與停止及阻抗值顯示；④根據(jù)距離算法，產(chǎn)生不同的脈寬調(diào)制（pulse width modulation，PWM）波調(diào)控伺服電機(jī)工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)電極升降模塊中針尖的高精度微小運(yùn)動(dòng)。

通過(guò)測(cè)試行動(dòng)聯(lián)合組織（Joint Test Action Group，JTAG）、通用串行總線(xiàn)（universal serial bus，USB）接口將編輯好的程序下載到芯片中。

1.2.1.3 電極升降模塊和人機(jī)交互模塊 傳統(tǒng)交流伺服電機(jī)停止時(shí)存在擺動(dòng)問(wèn)題，為此選用深圳智創(chuàng)公司的SS系列42SSC-HB 伺服步進(jìn)電機(jī)。該電機(jī)具有高精度、高響應(yīng)、不失步及停止時(shí)絕對(duì)靜止的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)交流伺服的不足。配合10 000 每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)（pulses per revolution，PPR） 的42SDC-H 編碼器及精密滾珠絲杠軸，實(shí)現(xiàn)0.001 毫米/轉(zhuǎn)的最小步進(jìn)距離。編碼器根據(jù)主控模塊產(chǎn)生的PWM 矩形脈沖的脈寬和周期控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度，使升降模塊中的微針針尖達(dá)到離體組織表面亞毫米高的間隙。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，等離子體設(shè)備在亞毫米級(jí)微小間隙下產(chǎn)生千伏電壓能夠達(dá)到均勻電場(chǎng)中空氣間隙的擊穿場(chǎng)強(qiáng)約30 kV/cm 的要求[12]。

選用一塊武漢中顯公司的7 寸用戶(hù)圖形界面設(shè)計(jì)工具（viewtech graphical user software，VGUS）電容SDWe070T01 屏幕模塊。設(shè)計(jì)了開(kāi)始、結(jié)束、上升和阻抗值顯示等功能按鈕的人機(jī)交互界面，方便實(shí)驗(yàn)人員的基本操作。該屏幕采用RS-232C 協(xié)議以115 200 bps速度與主控芯片STM32F103VG 進(jìn)行雙向指令和數(shù)據(jù)的傳輸。

1.2.1.4 阻抗檢測(cè)模塊 阻抗測(cè)量有3 種方法：自動(dòng)平衡電橋技術(shù)、電流轉(zhuǎn)電壓（IV）和射頻-電流轉(zhuǎn)電壓（radio-frequency-IV，RF-IV）技術(shù)、傳輸/反射技術(shù)，采用以上任一技術(shù)原理來(lái)設(shè)計(jì)單獨(dú)的檢測(cè)電路都會(huì)增加設(shè)計(jì)的復(fù)雜度并引入電磁干擾。選擇Analog Devices的AD5933 進(jìn)行阻抗測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)是因?yàn)锳D5933具有計(jì)算0～100 kHz 交直流下1 kΩ～1 MΩ 阻抗值的實(shí)部（R）和虛部（I）的功能，而大部分離體組織阻抗值都在該范圍內(nèi)。

AD5933 作為一款高精度阻抗轉(zhuǎn)換器，通過(guò)片內(nèi)直接數(shù)字式頻率合成器（direct digital synthesizer，DDS）產(chǎn)生0～100 kHz 的電激勵(lì)信號(hào)，使外部測(cè)試阻抗兩端產(chǎn)生電壓差，利用內(nèi)置12 位、每秒采樣一百萬(wàn)次（1 million samples per second，1MSPS） 的模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣量化該電壓差并在片內(nèi)數(shù)字信號(hào)處理器（digital signal processor，DSP） 進(jìn)行離散傅里葉變換（discrete Fourier transformation，DFT）處理得到阻抗實(shí)部（R）與虛部（I），最后以I2C 的通信方式將計(jì)算結(jié)果送入主控模塊進(jìn)行阻抗模值和相角的計(jì)算。此外，由于阻抗檢測(cè)模塊數(shù)據(jù)采樣時(shí)間標(biāo)稱(chēng)約為1 ms，在0.23 mm/s 的電極升降模塊的下降速度下僅造成升降裝置2.3×10-4mm的升降距離誤差。

1.2.2 算法設(shè)計(jì)

1.2.2.1 距離控制算法 為了根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)材料的形狀和質(zhì)地，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整升降實(shí)現(xiàn)保持相同的微小間隙，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制算法。軟件設(shè)計(jì)流程圖見(jiàn)圖4。在收到人機(jī)交互界面的開(kāi)始命令后，主控芯片STM32F103VG 通過(guò)I2C 通信協(xié)議配置AD5933，進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)升降模塊中針尖到其正下方背極板之間的阻抗，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)使針尖下降。若計(jì)算前后2 次阻抗之差遠(yuǎn)低于設(shè)定閾值，則判定針尖還未觸碰實(shí)驗(yàn)材料表面，保持繼續(xù)下降；若前后2 次阻抗之差高于閾值，則針尖已經(jīng)觸碰實(shí)驗(yàn)材料表面，停止針尖的下降。同時(shí)，向AD5933 發(fā)送復(fù)位指令停止檢測(cè)。電機(jī)經(jīng)過(guò)幾秒暫停后，被重新開(kāi)啟。電機(jī)反轉(zhuǎn)使針尖上升至預(yù)先設(shè)定的相對(duì)實(shí)驗(yàn)材料表面的距離d 處。電極上升至指定位置后，再次開(kāi)啟阻抗檢測(cè)，此時(shí)阻抗之差遠(yuǎn)低于設(shè)定閾值，則確定針電極處于實(shí)驗(yàn)材料上方。

1.2.2.2 阻抗幅值與相角 Analog Device 公司的AD5933僅輸出待測(cè)阻抗的實(shí)部（R）和虛部（I），為了得到待測(cè)阻抗的幅值與相位。根據(jù)芯片datasheet 提供的數(shù)學(xué)公式，設(shè)計(jì)了計(jì)算幅值與相角的算法。

因阻抗的實(shí)部（R）和虛部（I）均存在正負(fù)情況，計(jì)算相角時(shí)應(yīng)分為4 種情況予以討論（表1）。根據(jù)表1相角計(jì)算公式，可準(zhǔn)確計(jì)算出阻抗相角情況。此外，將R 和I 值代入公式（1）求得幅度（X）后，乘以校準(zhǔn)項(xiàng)并求倒數(shù)算得阻抗值（O），即公式（2）：

表1 阻抗相位角度Tab.1 Phase angles of impedance

其中：增益系數(shù)β 通過(guò)公式（3）計(jì)算：

由于不同頻率下碼值不一致，因此將AD5933 得到的阻抗碼值與阻抗網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)得阻抗值作比較，計(jì)算兩者誤差，求得該頻率下增益系數(shù)。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，將相同頻率下的計(jì)算所得增益系數(shù)做平均處理，減小誤差的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)阻抗檢測(cè)精度的矯正。

1.2.3 設(shè)備功能驗(yàn)證

1.2.3.1 阻抗測(cè)量驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) 選取檢測(cè)芯片最小測(cè)量值附近的9.76 kΩ 標(biāo)準(zhǔn)碳膜電阻、最大檢測(cè)值附近的530 kΩ 標(biāo)準(zhǔn)碳膜電阻及大小適中的31.4 kΩ 標(biāo)準(zhǔn)碳膜電阻作為實(shí)驗(yàn)材料。通過(guò)編程使AD5933 產(chǎn)生50 kHz 交流激勵(lì)，進(jìn)行阻抗檢測(cè)，觀(guān)察裝置屏幕顯示的阻抗幅值。將上述3 個(gè)電阻通過(guò)阻抗網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)得50 kHz 下的阻抗值，作為對(duì)照值。記錄實(shí)驗(yàn)值和對(duì)照值結(jié)果，并計(jì)算相對(duì)誤差。

1.2.3.2 精確的距離控制驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) 首先，通過(guò)STM32F103VG 芯片外設(shè)的定時(shí)器中斷技術(shù)，采用逐次逼近的方法，大致估算出一次阻抗檢測(cè)時(shí)間約為7 ms。由于阻抗檢測(cè)和針電極的下降是同步進(jìn)行，7 ms 的信息延遲使得0.23 mm/s 移動(dòng)速度下的電極至多下降0.001 6 mm，約占0.1 mm 的1.6%，因此該延遲對(duì)距離控制的精度影響較小。

在此前提下，進(jìn)行了距離控制實(shí)驗(yàn)。選用同一馬鈴薯塊作為實(shí)驗(yàn)材料并預(yù)先設(shè)定目標(biāo)間隙（d）為0.10 mm、0.15 mm、0.20 mm 和0.30 mm。每一距離下隨機(jī)移動(dòng)該馬鈴薯塊的位置并重復(fù)進(jìn)行3 次電極升降。在升降過(guò)程中，使用電極升降模塊外置五按鍵數(shù)顯高度尺記錄針尖接觸馬鈴薯塊表面的位置（h0）和上升到目標(biāo)間隙的位置（h1），通過(guò)計(jì)算求得實(shí)際間隙（h0-h1）與目標(biāo)間隙（d）誤差率。

1.2.4 離體組織電離實(shí)驗(yàn)

1.2.4.1 實(shí)驗(yàn)材料 依據(jù)國(guó)內(nèi)外已有的基于馬鈴薯為實(shí)驗(yàn)材料的電穿孔及射頻消融實(shí)驗(yàn)的成功案例，實(shí)驗(yàn)選用馬鈴薯作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象[13～15]。馬鈴薯塊的氧化面積顏色深淺不同，適宜于作為不同場(chǎng)強(qiáng)下觀(guān)察電離效果的實(shí)驗(yàn)材料。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，等離子體會(huì)對(duì)生物大分子淀粉產(chǎn)生氧化作用，使其中部分化學(xué)鍵斷裂或產(chǎn)生羰基及羧基，導(dǎo)致淀粉生物大分子發(fā)生結(jié)構(gòu)變化[16，17]。筆者實(shí)驗(yàn)將在不同間隙下施加相同的電離能量在馬鈴薯上，根據(jù)馬鈴薯不同的氧化情況分析實(shí)驗(yàn)效果。

1.2.4.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 準(zhǔn)備一批長(zhǎng)2.0 cm、高寬1.5 cm的馬鈴薯塊作為實(shí)驗(yàn)材料，分為4 組，每組有8 個(gè)實(shí)驗(yàn)樣本。擦拭干凈馬鈴薯塊表面，確保無(wú)液體殘留。其中一組不做任何處理，作為對(duì)照組。其余3 組，將馬鈴薯塊放在貼有金屬箔的背極板上。利用導(dǎo)線(xiàn)把自研的等離子體設(shè)備[18]的電極與升降模塊的微針相連接。使用該高精度升降裝置分別在0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm 距離下進(jìn)行0.03 J 的2 000 V 等離子體治療實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)中，點(diǎn)擊電離設(shè)備的開(kāi)始按鈕后，可觀(guān)察電極針與馬鈴薯之間有弧光出現(xiàn)，這時(shí)高壓電離空氣產(chǎn)生等離子體作用于馬鈴薯。

1.2.4.3 分析方法 將電離后的馬鈴薯放置恒溫箱40 h，觀(guān)察氧化結(jié)果。在同一環(huán)形燈的照射下，用水平支架固定手機(jī)，拍攝同一距離下所有馬鈴薯塊正面圖片。采用Adobe 公司的Photoshop 軟件分析圖片中的氧化面積。將圖片導(dǎo)入Photoshop 中，選擇色彩范圍分析法計(jì)算出選區(qū)內(nèi)取樣顏色的總面積。圖5A 為色彩范圍設(shè)定界面，選定容差值為101，容差是指顏色相似度，數(shù)值越小表示越精確。圖5B 中白色線(xiàn)框內(nèi)即為選中區(qū)域，通過(guò)Photoshop 軟件中記錄測(cè)量功能計(jì)算所選區(qū)域內(nèi)像素面積。圖片尺寸以像素為單位，測(cè)量比例為1 像素，氧化面積的單位是像素平方。

2 結(jié)果

2.1 阻抗測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

50 kHz 交流下阻抗分析儀和檢測(cè)模塊測(cè)得的對(duì)照值與實(shí)驗(yàn)值見(jiàn)表2。50 kHz 下阻抗測(cè)量的誤差率基本保持在5%以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足阻抗檢測(cè)的設(shè)計(jì)要求。

表2 阻抗測(cè)量實(shí)驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果Tab.2 Results of impedance measurement experiment

2.2 距離控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)采用同一馬鈴薯塊的實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行不同間隙下的距離實(shí)驗(yàn)。如表3所示為0.30 mm、0.20 mm、0.15 mm 和0.10 mm 的目標(biāo)間隙與實(shí)際間隙的誤差率情況。0.10 mm、0.20 mm、0.30 mm 距離實(shí)驗(yàn)的誤差率近似為0%，0.15 mm 間隙下的3 次實(shí)驗(yàn)均出現(xiàn)6.7%的誤差率。

表3 距離控制實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果Tab.3 Results of distance control experiment

2.3 離體組織電離實(shí)驗(yàn)

如圖6所示為不同間隙下離體組織電離實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，從左向右依次為0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm 及對(duì)照組的馬鈴薯塊正面氧化情況。使用OriginPro 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。如圖7所示為馬鈴薯正面氧化面積與間隙距離關(guān)系。3 組樣本均發(fā)生電離。

3 討論

該裝置解決了等離子體設(shè)備不能在微小間隙下進(jìn)行電離的問(wèn)題，為進(jìn)一步探究等離子體技術(shù)提供了便捷的平臺(tái)。該裝置外殼內(nèi)外兩側(cè)均涂有絕緣漆，保障了使用者的安全性。同時(shí)簡(jiǎn)潔的人體界面，降低了人員的操作難度。但該裝置斷電時(shí)偶有發(fā)生伺服電機(jī)失步的情況，導(dǎo)致電極升降模塊中微針受壓形變，增加了設(shè)備的維修成本。對(duì)于距離控制實(shí)驗(yàn)所選實(shí)驗(yàn)材料單一的問(wèn)題，后期將加入不同材質(zhì)和形狀的離體組織的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。此外，0.15 mm 距離下的多次實(shí)驗(yàn)中均出現(xiàn)6.7%的誤差率是因?yàn)槌绦騼?nèi)只加入了0.1 mm精度下的修正系數(shù)，所以后期將通過(guò)增加0.01 mm 精度下的修正系數(shù)，重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

通過(guò)2 000 V 下不同距離的馬鈴薯塊的電離實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在0.3 mm 以下，間隙距離越小，氧化面積越大。該實(shí)驗(yàn)為等離子體治療技術(shù)提供了新的研究角度。

4 總結(jié)

筆者研制的阻抗檢測(cè)的高精度升降裝置，通過(guò)阻抗檢測(cè)實(shí)驗(yàn)和距離控制實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了裝置能夠檢測(cè)±5%誤差范圍1 kΩ～1 MΩ 的阻抗值和實(shí)現(xiàn)相對(duì)誤差在0.1 mm±7%精度的距離控制，證明了裝置設(shè)計(jì)的可行性和裝置的高精度特性。離體組織電離實(shí)驗(yàn)的成功，說(shuō)明了該裝置用于微小距離下的等離子體實(shí)驗(yàn)可能性，為后續(xù)進(jìn)一步探究電離距離對(duì)等離子體皮膚治療效果影響提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。