周樂(lè)濤，周曉華，余彤

（1.西京學(xué)院 電子信息學(xué)院，陜西西安，710123；2.西京學(xué)院 醫(yī)學(xué)院，陜西西安，710123）

0 引言

等離子體醫(yī)學(xué)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一門(mén)交叉學(xué)科，研究發(fā)現(xiàn)等離子體在皮膚消毒、促進(jìn)傷口愈合、癌癥治療等方面均具有顯著效果。皮膚外表面受到破壞時(shí)，可能會(huì)長(zhǎng)期處于炎癥狀態(tài)，長(zhǎng)時(shí)間使用藥物可能會(huì)使得傷口處的細(xì)菌產(chǎn)生抗藥性。并且由于大量抗生素的不規(guī)范使用，超級(jí)細(xì)菌的抗藥性不斷增強(qiáng)。此外微生物主要以生物膜的形式存在，生物膜可以調(diào)整細(xì)菌的密度和進(jìn)行一些群體行為，使病菌耐藥性增強(qiáng)10-1000 倍，導(dǎo)致傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)滅菌方法失去效果，且易引發(fā)長(zhǎng)期感染。

大氣壓非平衡等離子體射流氣體溫度在室溫附近，化學(xué)活性高，具有廣譜的殺菌能力，能有效滅殺各類(lèi)微生物。

過(guò)去關(guān)于等離子體的研究主要集中在低氣壓等離子體或平衡等離子體中，不適用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。部分大氣壓非平衡等離子體也要以惰性氣體作為工作氣體，但惰性氣體價(jià)格昂貴并且不是所有的環(huán)境都能取得。因此，如果能以空氣作為工作氣體，將極大地提升大氣壓非平衡等離子體的價(jià)值。

1 等離子體射流消毒原理介紹

■1.1 等離子體射流直接殺菌原理

等離子體放電過(guò)程中生成大量活性粒子，殺菌有效成分眾多。相關(guān)研究認(rèn)為等離子體中的O原子和含氧活性粒子可能起主要作用，OH可能會(huì)與生物大分子反應(yīng)殺死細(xì)胞，并生成H2O2破壞細(xì)胞內(nèi)部的DNA。此外，等離子體中活性氮粒子如NO，，也被認(rèn)為起到了重要作用。等離子體中還包含少量紫外線，對(duì)細(xì)菌滅殺起到了一定作用。

■1.2 等離子活化液消毒原理

液體被低溫等離子體處理后，液體分子離解的產(chǎn)物與等離子體中的活性物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生富含更多種類(lèi)活性成分的液體溶液。

等離子體活化水具有多種應(yīng)用場(chǎng)景。在食品保鮮應(yīng)用中，將等離子體活化水制作成冰，可將水產(chǎn)品的保鮮期延后八到十五天。在傷口愈合應(yīng)用中，活化液體中部分正負(fù)粒子、氫過(guò)氧化物和二烷基過(guò)氧化物等會(huì)發(fā)生反應(yīng)，生成具有生物活性和細(xì)胞毒性的含氧活性粒子。在傷口處涂抹活化水可以促進(jìn)細(xì)胞周期蛋白和血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子的產(chǎn)生，促進(jìn)膠原合成和基質(zhì)再生的誘導(dǎo)，從而促進(jìn)傷口愈合。

■1.3 等離子體消毒裝置的優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)消毒手段相比，等離子體消毒可應(yīng)用于精密儀器，敏感性肌膚等多種場(chǎng)景，且安全無(wú)副作用，綠色環(huán)保。

等離子體射流發(fā)生裝置種類(lèi)繁多，傳統(tǒng)的放電只需要施加足夠高的電壓就能將放電間隙擊穿從而產(chǎn)生等離子體，但是放電間隙的擊穿電壓非常高，且人體無(wú)法直接接觸。本文設(shè)計(jì)的等離子體射流裝置通過(guò)電離、激發(fā)、解離的方式，將大部分能量用于形成氮氧化物而非加熱氣體溫度，使得人體可以直接接觸。

此外放電間隙的尺寸會(huì)限制被處理物體的大小，間隙間無(wú)法放置較大物體。若將被處理物體放置在間隙附近，則會(huì)導(dǎo)致活性物質(zhì)發(fā)揮作用前就已消散。本文設(shè)計(jì)了一種能夠在開(kāi)放的空間內(nèi)產(chǎn)生等離子體的設(shè)備。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■2.1 介紹

多功能大氣壓非平衡等離子體射流消毒裝置，包括大氣壓空氣非平衡等離子體射流裝置，溫度警報(bào)系統(tǒng)和機(jī)械臂系統(tǒng)。

等離子體消毒裝置控制系統(tǒng)分為硬件和軟件部分。硬件部分采用STM32 進(jìn)行控制，控制電路中包含六自由度機(jī)械臂，電源，溫度傳感器，顯示屏，蜂鳴器。機(jī)械臂負(fù)責(zé)移動(dòng)等離子體射流裝置，當(dāng)機(jī)械臂接收到按鍵信號(hào)時(shí)，會(huì)按照預(yù)設(shè)模式移動(dòng)等離子體射流裝置。機(jī)械臂的移動(dòng)的角度由機(jī)械臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)角度坐標(biāo)控制程序決定，移動(dòng)由STM32 芯片發(fā)出PWM 信號(hào)控制。

在溫度報(bào)警系統(tǒng)中，編寫(xiě)溫度傳感器控制程序，使用按鍵預(yù)設(shè)溫度，檢測(cè)到的溫度會(huì)實(shí)時(shí)顯示在LED 屏幕上，當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到等離子體溫度高于預(yù)設(shè)溫度時(shí)，蜂鳴器報(bào)警并切斷電源。

■2.2 等離子體射流陣列模塊

本文使用脈沖直流高壓電源驅(qū)動(dòng)。其電流峰值與交流驅(qū)動(dòng)相比大了兩個(gè)量級(jí)，且大多數(shù)譜線強(qiáng)度更強(qiáng)，滅殺細(xì)菌區(qū)域更大，活性粒子密度更高，氣體溫度更接近室溫。

將單個(gè)等離子體射流裝置中電源與100mΩ 電阻連接。電阻另一端連接著直徑2mm 的鎢針作為高壓電極。采用多個(gè)等離子體射流裝置并聯(lián)組成等離子體陣列，當(dāng)手掌靠近等離子體陣列時(shí)，手掌與陣列之間會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)2cm 的空氣等離子體，手掌可靠近針電極甚至與針電極接觸。

單個(gè)等離子體射流裝置簡(jiǎn)化模型如圖3 所示。圖中，C1為包裹高壓電極的內(nèi)部介質(zhì)管的電容，C2、R1 為管內(nèi)等離子體的電容和電阻，C3 為外部介質(zhì)管的電容，C4、R2 為周?chē)諝庵械入x子體射流的電容和電阻，C5、R3 為人體簡(jiǎn)化模型的電阻和電容。通過(guò)分析可得，人體上的壓降在幾十伏之內(nèi)，平均流過(guò)人體的電流為1.5mA。從用電安全上看，此設(shè)備是安全的，人體可以直接接觸等離子體而不會(huì)產(chǎn)生不適。

在該裝置中，中間的針電極被介質(zhì)管包裹，各介質(zhì)管外側(cè)底部均裝有環(huán)形電極，通過(guò)該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，沿著等離子體射流軸向的電場(chǎng)得以增強(qiáng)。該結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)輸?shù)降入x子體的功率較低，等離子體溫度更接近室溫，放電射流可直接作用于人體。通過(guò)將多個(gè)等離子體射流消毒裝置組成陣列可以擴(kuò)大消毒面積，但各管間距過(guò)大或過(guò)小都會(huì)改變發(fā)射電場(chǎng)從而影響發(fā)射電流大小，因此需要合理調(diào)配陣列間距。

■2.3 機(jī)械臂模塊

機(jī)械臂所持有該消毒裝置，機(jī)械臂用于輔助大氣非平衡等離子體射流裝置的移動(dòng)，使等離子體可以勻速地掃過(guò)人體組織，實(shí)現(xiàn)大面積的人體組織消毒。

機(jī)械臂主要由舵機(jī)控制，舵機(jī)構(gòu)成部分如下所示：舵盤(pán)，減速齒輪組，直流電機(jī)，控制電路板，位置反饋電位計(jì)等。

其工作原理為：當(dāng)控制電路板接收到信號(hào)線傳輸?shù)男盘?hào)，控制電機(jī)帶動(dòng)齒輪組轉(zhuǎn)動(dòng)，并傳動(dòng)至輸出舵盤(pán)。舵盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)位置反饋電位計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)，電位計(jì)將信號(hào)反饋至控制電路板，控制電路根據(jù)反饋回來(lái)的信號(hào)判斷當(dāng)前位置是否與設(shè)定位置一致，決定是否需要再次進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)。

舵機(jī)的控制信號(hào)是PWM 信號(hào)，脈沖周期為20ms，當(dāng)脈沖寬度為0.5ms～2.5ms 時(shí)，對(duì)應(yīng)舵盤(pán)位置為0～180 度，兩者呈線性關(guān)系。給舵機(jī)一定脈寬，其輸出軸會(huì)保持在對(duì)應(yīng)的角度，直到接收到下一個(gè)脈寬，斷電恢復(fù)后，機(jī)械臂控制芯片會(huì)自動(dòng)讀取最后一個(gè)脈沖信號(hào)，并將機(jī)械臂移動(dòng)到相應(yīng)角度，因此每次操作完成后，需將機(jī)械臂復(fù)位。

舵機(jī)內(nèi)部存在一個(gè)基準(zhǔn)電路，輸出基準(zhǔn)信號(hào)，接收到外加信號(hào)時(shí)，會(huì)將外加信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比較，判斷舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向與大小。舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍不能超過(guò)180 度。

舵機(jī)規(guī)格選用DS3115，該舵機(jī)工作電壓為直流4.8V～6V，工作電流為2A～3A，舵機(jī)供電電源為5V1A電源。

■2.4 溫度警報(bào)模塊

溫度報(bào)警系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)等離子體溫度，主要用于測(cè)量“離子風(fēng)”吹動(dòng)的氣流溫度，并將溫度實(shí)時(shí)顯示到數(shù)碼管上，當(dāng)氣流溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，并切斷電源，防止故障設(shè)備發(fā)射出的等離子體射流灼傷人體。

溫度傳感器選用DS18B20，DS18B20 是一款高精度單總線數(shù)字溫度測(cè)量芯片，其工作穩(wěn)定，體積小，功耗低，抗干擾能力強(qiáng)，可由數(shù)據(jù)線供電而不需要額外電源，其測(cè)量精度高于常見(jiàn)的溫度傳感器DHT11，其溫度測(cè)量范圍為-55℃～+125℃。當(dāng)芯片斷電時(shí)仍會(huì)保存報(bào)警溫度和設(shè)定的分辨率。

■2.5 按鍵控制模塊

按鍵模塊通過(guò)按鍵信號(hào)接收器與舵機(jī)控制板連接，需要通過(guò)6 根杜邦線分別連接控制板的DI、DO、GND、VDD、CS、CLK 管腳。DI、DO 管腳功能為支持?jǐn)?shù)據(jù)從按鍵模塊流向主機(jī)和從主機(jī)流向按鍵模塊，信號(hào)以8 比特位傳輸。VDD用于連接接收器工作電源，電源范圍是3V～5V，實(shí)驗(yàn)中選用3V3。按鍵模塊通信時(shí)序通過(guò)四線完成，分別是DI，DO，CS，CLK。DI 與DO 是一對(duì)同時(shí)傳輸?shù)? 比特位串行數(shù)據(jù)，傳輸時(shí)CS 需要降為低電平，CLK 由高電平變低電平。

按鍵模塊使用兩節(jié)7 號(hào)1.5V 電池供電，接收器和單片機(jī)共用電源，電壓源范圍為3V～5V。按鍵模塊上有電源開(kāi)關(guān)，在開(kāi)通情況下，一定時(shí)間內(nèi)未搜索到接收器，按鍵模塊會(huì)進(jìn)入待機(jī)模式，指示燈將熄滅，直到按下“START”按鍵。在按鍵模塊與接收器均供電打開(kāi)的情況下，按鍵模塊與接收器會(huì)自動(dòng)匹配。

表1 按鍵接收器引腳與單片機(jī)接口接線

按鍵模塊工作時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)。CS 在數(shù)據(jù)輸出和輸入時(shí)都是低電平，在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)需要由高拉低，數(shù)據(jù)傳輸完成后再由低拉高。數(shù)據(jù)傳輸是全雙工通信，DI 與DO 同時(shí)完成在時(shí)鐘上升沿的時(shí)候，DI 與DO 的數(shù)據(jù)有交換部分，即此時(shí)不能進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)，讀取到的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。因此只有等到時(shí)鐘為下降沿，數(shù)據(jù)穩(wěn)定后才能讀取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)從低位到高位進(jìn)行讀寫(xiě)。

當(dāng)按鍵模塊的信號(hào)傳輸給機(jī)械臂控制板時(shí)，機(jī)械臂會(huì)執(zhí)行對(duì)應(yīng)按鍵預(yù)設(shè)的程序。

3 軟件設(shè)計(jì)

■3.1 機(jī)械臂控制程序設(shè)計(jì)

軟件控制部分通過(guò)編寫(xiě)c 文件，使用Keil5 進(jìn)行編譯和調(diào)試。當(dāng)編譯STM32 程序完成后，通過(guò)Keil5 下載到STM32 的控制板中。

機(jī)械臂是由機(jī)械系統(tǒng)，電氣系統(tǒng)組成。機(jī)械系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，機(jī)械連桿等串接而成。電氣系統(tǒng)是機(jī)械臂的控制系統(tǒng)，由單片機(jī)、舵機(jī)、舵機(jī)控制板等組成。單片機(jī)負(fù)責(zé)發(fā)送舵機(jī)控制指令，舵機(jī)系統(tǒng)由6 個(gè)舵機(jī)組成，在接收指令后可調(diào)控六個(gè)自由度，完成具體動(dòng)作。舵機(jī)控制板由STM32 構(gòu)成，負(fù)責(zé)接收系統(tǒng)控制指令、放大信號(hào)并輸送到各個(gè)舵機(jī)。

舵機(jī)手臂控制系統(tǒng)軟件的任務(wù)是將編寫(xiě)好的程序燒錄至舵機(jī)控制板并輸送到各個(gè)舵機(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的具體動(dòng)作。在編寫(xiě)動(dòng)作時(shí)，需要考慮各舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度。在通電后，按下復(fù)位按鍵后，系統(tǒng)先進(jìn)行初始化，配置定時(shí)器，配置按鍵模塊，從寄存器中讀取PWM 數(shù)組，更新PWM 數(shù)組為最后一次接收到的數(shù)據(jù)，并使舵機(jī)運(yùn)動(dòng)到相應(yīng)位置并保持，在循環(huán)中等待命令，當(dāng)接收到新的動(dòng)作命令時(shí)，更新寄存器中的設(shè)置，再一次讀取PWM 數(shù)組，使舵機(jī)運(yùn)動(dòng)并保持到相應(yīng)位置。

■3.2 機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)路徑計(jì)算程序設(shè)計(jì)

機(jī)械臂通常使用DH 模型進(jìn)行描述。DH 模型至今仍是推導(dǎo)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)方法。在找到兩兩相鄰的關(guān)節(jié)坐標(biāo)之間的關(guān)系后，通過(guò)有限次數(shù)的平移和旋轉(zhuǎn)可以使用一個(gè)齊次線性矩陣表示這種關(guān)系，將相應(yīng)的矩陣相乘，就可以得到任意兩個(gè)坐標(biāo)系之間的關(guān)系。當(dāng)知道首關(guān)節(jié)與末關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)換關(guān)系時(shí)，在首關(guān)節(jié)確定的情況下，通過(guò)該轉(zhuǎn)換關(guān)系，就可以確定末端關(guān)節(jié)執(zhí)行器的位置與姿態(tài)。

在實(shí)際應(yīng)用中，我們通常使用機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)確定機(jī)械臂到達(dá)理想位置時(shí)，各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，程序流程圖如圖11 所示。

圖1 等離子體射流消毒裝置系統(tǒng)框架圖

圖2 等離子體射流陣列

圖3 等離子體射流陣列等效原理圖

圖4 機(jī)械臂實(shí)物圖

圖5 DS3115 機(jī)械臂控制板

圖6 舵機(jī)控制原理圖

圖7 蜂鳴器與溫度傳感器電路圖

圖8 按鍵信號(hào)接收器實(shí)物

圖9 按鍵信號(hào)接收器引腳功能圖

圖10 機(jī)械臂控制程序流程圖

圖11 機(jī)械臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算流程圖

圖12 溫度警報(bào)系統(tǒng)流程圖

圖13 系統(tǒng)整體實(shí)物

圖14 等離子體射流消毒

圖15 等離子體活化水制造

圖16 殺菌效果對(duì)比

■3.3 溫度警報(bào)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

溫度控制系統(tǒng)包含DS18B20 溫度傳感器、數(shù)碼管。DS18B20 內(nèi)部主要由4 部分組成：64 位ROM、溫度警報(bào)觸發(fā)器TH 和Tl，溫度傳感器，配置寄存器。開(kāi)啟電源開(kāi)關(guān)后，DS18B20 先進(jìn)行初始化設(shè)置，之后發(fā)送讀取數(shù)據(jù)，一位一位驗(yàn)證數(shù)據(jù)，驗(yàn)證完成后，數(shù)碼管顯示當(dāng)前溫度。其具體工作原理為，低溫度系數(shù)晶振和高溫度系數(shù)晶振分別將脈沖信號(hào)傳輸給計(jì)數(shù)器，溫度寄存器根據(jù)基值和接收到的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而得到準(zhǔn)確的溫度數(shù)值。

在操作過(guò)程中，在按下設(shè)置按鍵后，設(shè)定選擇溫度。選定溫度將與測(cè)量溫度進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)測(cè)量溫度超過(guò)選定溫度后，蜂鳴器報(bào)警并切斷電源。

4 系統(tǒng)測(cè)試

設(shè)備測(cè)試主要分為三個(gè)部分。大氣非平衡等離子體射流發(fā)生裝置測(cè)試，測(cè)試等離子體射流是否正常工作。機(jī)械臂控制系統(tǒng)測(cè)試，測(cè)試各舵機(jī)是否均能正常工作，機(jī)械臂能否按照規(guī)定路線移動(dòng)等離子體設(shè)備。溫度警報(bào)系統(tǒng)測(cè)試，主要測(cè)試能否正常測(cè)量等離子體溫度，在溫度超出選定值時(shí)能否讓蜂鳴器發(fā)出警報(bào)。通過(guò)這三方面的測(cè)試與分析，進(jìn)而對(duì)整體設(shè)備性能進(jìn)行評(píng)估。

電路通過(guò)變壓模塊，限流模塊，等離子體放電針，暗通道形成回路。通電時(shí)，手臂放置在平臺(tái)上，機(jī)械臂將等離子體射流裝置移動(dòng)到手臂上，等離子體均勻地?fù)]灑在手臂上，手臂無(wú)電擊感和熱感。溫度傳感器顯示當(dāng)前離子溫度，接近室溫。在溫度傳感器外側(cè)放置一打火機(jī)后，蜂鳴器報(bào)警并通過(guò)繼電器切斷所有電源。

等離子體活化水制造時(shí)，無(wú)菌水放置在燒杯中，燒杯底部貼有平面電極，機(jī)械臂將空氣等離子體射流陣列移動(dòng)到水平面上方0.9cm 處，開(kāi)始生產(chǎn)制造等離子體活化水，3 分鐘后將完成制作。

取菌種分別放置于兩組不同培養(yǎng)皿中，將實(shí)驗(yàn)組用等離子體射流持續(xù)照射十分鐘，并將兩組培養(yǎng)皿放置在無(wú)菌環(huán)境中培養(yǎng)，24h 后培養(yǎng)結(jié)果如圖所示，說(shuō)明等離子體射流存在廣譜的殺菌效果。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)一種實(shí)用的等離子體殺菌消毒，可用于人體外部和內(nèi)部組織、醫(yī)療器械、食品消毒。設(shè)計(jì)的等離子體射流發(fā)生裝置工作性能安全可靠。但是，目前對(duì)于等離子體劑量，醫(yī)學(xué)上尚未有明確標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)劑量過(guò)高時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致一系列的病理生理效應(yīng)。