多波長皮膚光療儀的設計

陳名松， 潘璐璐,， 魯遠甫， 佘榮斌， 李光元

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

光療法由于具有不良反應小、無耐藥性、無創傷、無污染等眾多優點，逐漸在皮膚病等臨床醫療中得到廣泛應用。隨著各個波段的生物效應逐漸研究應用，給光療儀器帶來了新的機遇，參數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選擇。光療儀器主要包括光療光源、光學結構、硬件電路三部分。在Karu等[1]提出光的刺激效應與是否為相干光無關后，LED以其壽命長、質量輕、安全環保、控制方便等特有優勢逐漸替代低強度激光在光生物調節的應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，并調節線粒體等通路，發揮抗炎作用，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[7]，是內源性的，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研，發現存在如下不足：只可選擇波長，強度不可調；組合模式少；功率較低；可調參數少；操作不便等。針對功能和結構上的一些不足，設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，可為臨床提供穩定可靠、參數豐富的設備。

1 光學系統設計與仿真

光學系統的設計是多波長皮膚光療儀的關鍵部分，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，根據臨床經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，但激光發光角度小，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，且照射區域光照均勻。以人感覺的舒適度為基礎，設置光源距離照射區域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 光學仿真

所用的LED光源內部燈珠為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，根據實際模型在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LED光源為N×M的陣列光源，當N和M都為偶數時，空間坐標點(x,y,z)的輻照度為[9]

(3)

對反光杯與光學透鏡建模，并將其與光源進行組合。如圖3為LED光源光學模型。反光杯內表面設置為吸收率5%的鏡面，透鏡材料設置為肖特基玻璃BK7，其發散角約為60°～70°，生成2組LED陣列。對這200顆LED及相關器件進行光線追跡，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構制約，將兩LED中心距離設置為17 cm，因此通過調整兩LED陣列光源的夾角α來調節接收面的輻射照度分布，讓光斑重合的同時，被照射區域光強較均勻。光強大小與輻照度相關，這里以輻照度參量為準，通過對不同夾角α下的光學模型進行仿真，得到輻照度分布圖，并利用區域最大輻照度Emax和區域平均輻照度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下照射區域的輻照度數據和照度均勻度。表1中的輻照度數據為仿真數據的相對值，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，還與反光杯和透鏡匯聚作用有關，特別是當去除透鏡后，光束發散，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，光強明顯變弱，平均輻照度下降約65%。

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 硬件電路設計

2.1 光療儀電路方案設計

將光療儀的電路分為控制和驅動電路2個部分，兩部分電路之間通過異步串口通信。具體的設計與采用的光源封裝結構有關,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種光所需的電參數不同，故采用3組LED驅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，如圖7所示。

圖7 光療儀電路方案架構

2.2 控制電路設計

光療儀的控制電路包括PIC單片機最小系統、輸入輸出界面、電壓轉換、用電器控制等部分。本光療儀選用的LED光源的電學參數如表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電源選擇醫療專用的開關電源，以解決電磁兼容問題。通過DC-DC電壓轉換電路，給不同模塊提供不同的工作電壓。

表2 LED光源的電學參數

控制電路通過底層協議，發送字符指令至驅動電路控制芯片的接收端，控制其開斷和輸出參數。PIC單片機工作電壓低，基本在3～3.6 V，且功耗低，驅動能力強。它的優勢在于抗干擾能力強，保密性強，其芯片EMC指標高，適合用于醫療器械，且具有極強的保密性。根據3路UART串口和I/O口數量的需求，選用PIC33EP系列的數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，再觸發其他按鍵為無效操作，處于鎖屏狀態，直到工作結束。

2.3 驅動電路設計

考慮LED驅動的架構時，可基于輻射低但效率也較低的線性電源，或者效率高、輻射也高的開關電源形式。大功率的LED驅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如圖8所示。將數模轉換器與運算放大器級聯，通過微控制器和電流檢測電路、模數轉換器構成的反饋環路，調整運放的輸出電壓來控制負載電流，從而構成一個數控的壓控恒流源。

圖8 壓控恒流源的硬件架構

開關式恒流源的架構如圖9所示。采用基于BUCK降壓拓撲結構的功率電路，輸入48 V電壓，通過PWM調光控制功率電路中MOSFET的開關頻率與占空比，調整步進電壓。同時，通過反饋電路對電流取樣，穩定輸出，經模數轉換后，MCU計算實際電流值，當檢測到電流有變化時，通過MCU對PWM調光電路調整，從而改變開關占空比，調整輸出電壓，從而改變輸出電流。

圖9 開關式恒流源的架構

設計路時需考慮MOSFET和續流二極管的散熱，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，在改善傳導和空間輻射時，可在電源的輸入輸出適當加磁環。

3 測試結果

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據如表3所示。光輻射功率與電流大小有關，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 結束語

為提高光療儀輻照度，增加光治療模式，設計了一種具有紅、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進行光學系統的設計與仿真，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動電路，兩部分電路之間通過異步串口通信，將大功率的驅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，實現參數自由組合。測試結果表明，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計思路，若想進一步提高輻照度，可增加集成LED光源數量，通過光學設計將光線匯聚，但對電路的效率和散熱要求較高。

表3 輻照度數據