2μm高功率激光醫療儀(yi) 市場需求越來越大，而目人機交互模塊前國內(nei) 此類設備在控製上缺乏對係統安全和出光精準度的考慮。同時隨著YY0505-2012醫用電氣電磁兼容標準於(yu) 2014年的執行，設計符合YY0505-2012標準的醫用設備已迫在眉睫。因此，本文采用模塊化設計，設計了一種基於(yu) STM32的2μm光纖激光器醫療儀(yi) 控製係統，將水冷單元的參數監控、電源模塊的抗幹擾設計、輸出功率的校準等集成於(yu) 一體(ti) 。測試結果表明，係統可靠穩定，操作方便。

　　按功能劃分，醫療儀(yi) 主要由2μm光纖激光器模塊、精密水冷單元、STM32主控製器模塊、人機交互模塊等部分組成，結構如圖1所示。控製器是醫療儀(yi) 的大腦，負責整個(ge) 設備的啟停和正常運行。2μm光纖激光器經過光學係統準直聚焦，得到醫用激光，在特定條件下，腳踏開關(guan) 閉合發出相應功率的激光，由光纖傳(chuan) 導到病灶部位。精密水冷單元的循環水流經激光腔，使激光器工作在合適溫度，確保輸出功率穩定，且水冷單元的啟動總是先於(yu) 激光器，防止激光器在高溫高濕環境下結露而損壞。門控直接與(yu) 激光器內(nei) 部的interlock信號相連，同時主控器對其狀態實時監測。此外光纖檢測可對醫用光纖進行規範化管理，防止因光纖老化影響治療效果。

　　圖1醫療儀(yi) 總體(ti) 結構圖

　　設備以觸摸屏為(wei) 主要人機交互平台，實現的功能包括：汽化與(yu) 凝血參數的同時設置；不同方案的保存和調用；能量、計時等治療參數的統計顯示；係統異常狀態的報警提示；出光指示燈的亮度調節。

　　係統硬件以STM32F107VCT6為(wei) 核心，硬件框圖如圖2所示。精密水冷單元的參數監控包括高低水位、水流量、水壓力、水溫的監測；以觸摸屏為(wei) 主的人機交互模塊集成了出光指示燈、鑰匙開關(guan) 、急停、啟動、腳踏、門控等外部硬件控製；配電模塊集成了繼電器驅動電路和電磁兼容設計。其中，水冷單元、光纖激光器、觸摸屏和音效合成模塊分別通過RS232與(yu) 主控製器通信。

　　圖2係統硬件框圖

　　為(wei) 實現高可靠性，配電模塊電路采用冗餘(yu) 設計，每路繼電器驅動電路控製兩(liang) 個(ge) 固態繼電器。以圖3所示激光器的繼電器驅動電路為(wei) 例，U5、U6代表兩(liang) 個(ge) 繼電器，輸出端分別串聯到電源的零線和火線上，實現同開同斷，避免某一個(ge) 繼電器發生故障時影響整個(ge) 係統的工作。每路信號除通過I/O控製外，急停信號也對繼電器可控，達到軟件和硬件同時急停的目的。選用的急停按鈕是常閉型，高電平有效，當急停觸發時，Q3不導通，致9引腳電平拉低，再與(yu) I/O信號經過與(yu) 門，輸出也為(wei) 低電平，致Q4不導通，繼電器處於(yu) 開路狀態，電源斷路。

　　另外，電路一方麵在STOP和I/O信號接口處接入5V瞬態抑製管，以防止靜電積累損壞器件；另一方麵在Q4導通時D3點亮作為(wei) 電路工作狀態指示，當係統出現異常時方便故障排查。

　　圖3繼電器驅動電路

　　電磁兼容問題是影響醫用電氣設備安全有效的重要因素之一，不僅(jin) 直接影響醫用設備的安全使用，甚至會(hui) 對患者以及醫護人員的人身安全造成影響。國家食品藥品監督管理局於(yu) 2012年12月正式發布了新版標準YY0505-2012，並於(yu) 2014年1月正式實施，該醫療儀(yi) 配電模塊結合此標準做了相關(guan) 電磁兼容性（EMC）設計。實際工作環境下該係統電磁幹擾主要來源於(yu) 電源線上的高頻幹擾、接線端口的靜電幹擾、浪湧電流、可控矽通斷時產(chan) 生的幹擾等。

　　首先考慮硬件選型，選用交流單相雙節電源濾波器，不僅(jin) 能抑製共模幹擾，對快速瞬變脈衝(chong) 群（EFT）實驗也有很好的輔助效果。與(yu) 傳(chuan) 統電磁線圈繼電器相比，固態繼電器的壽命長，可靠性好，切換速度可達幾毫秒至幾微秒，沒有觸點燃弧和回跳，減少了電磁幹擾和瞬態效應，但固態繼電器導通時會(hui) 產(chan) 生較大熱量，係統通過在繼電器下方放置散熱片來解決(jue) 此問題。

　　配電模塊的結構框圖如圖4，在電源的進線端串入濾波器，然後進入瞬態電壓浪湧抑製模組（包含千瓦級TVS、壓敏電阻、防雷管等），再接入繼電器，最後在電源進入每個(ge) 模塊之前再分別串入濾波器。測試結果表明，該結構能夠達到抑製電磁騷擾(EMI)和提高儀(yi) 器的電磁抗擾度(EMS)的雙重目的。

　　圖4配電模塊結構框圖

　　係統軟件主要實現以下功能：(1)5個(ge) 安全狀態的實時檢測，包括檢測光纖連接、腳踏連接、門控、水冷單元連接和激光器連接是否正常。(2)5個(ge) 工作狀態的判定，包括開鎖狀態、初始化狀態、參數設定狀態、準備狀態、異常狀態的判定。(3)水冷單元參數的采集，包括壓力傳(chuan) 感器、水位開關(guan) 、溫度傳(chuan) 感器、流量傳(chuan) 感器數據的采集，並判斷是否超出正常範圍。(4)激光器內(nei) 部狀態參數的讀取並分析，激光器內(nei) 部有一個(ge) 32bit的狀態字，存放激光器當前的工作狀態，讀取每一位狀態，判斷激光器當前是否正常工作。(5)外部硬件設備信號的采集和控製，包括鑰匙開關(guan) 、急停按鈕、啟動按鈕、出光指示燈和腳踏開光的信號采集或控製。(6)工作參數的設定，包括汽化和凝血功率的設定、指示燈的開閉、存儲(chu) 方案的設定和選擇。(7)操作日誌的存儲(chu) 和顯示，包括開機時間、工作累積時間、出光累積時間和出光能量累積的存儲(chu) 以及當前治療方案的出光時間和出光能量的顯示。(8)激光輸出功率的校準。

　　軟件流程如圖5所示，按係統要求，異常狀態優(you) 先級最高，通過中斷處理。為(wei) 節省係統資源，對5個(ge) 安全狀態每1s掃描1次，若發現連接異常，係統重新自檢，直到連接正常方可進入主循環。對其他觸摸屏有效包、水冷單元有效包、激光器有效包依次處理。

　　圖5係統軟件流程圖

　　由於(yu) 醫療產(chan) 品對可靠性的特殊要求，激光輸出功率的準確性必然成為(wei) 衡量一台醫療設備品質好壞的重要參數。激光功率在光纖耦合處和光纖尾端、切口端麵會(hui) 產(chan) 生衰減，如圖6所示。光纖終端功率小於(yu) 用戶設置功率，尤其在設置功率小於(yu) 60W時，最大偏差達63.6%。為(wei) 了得到準確的光纖終端功率，需要借助功率計采集終端功率並讀取與(yu) 之對應的激光器驅動電流，然後通過插值法得到功率與(yu) 電流的分析表達式，以便用戶設置每個(ge) 功率參數時都能找到與(yu) 之對應的電流值。

　　圖6校準前終端采集功率與(yu) 用戶設置功率關(guan) 係

采集了16組對應值，由於(yu) 環境等因素影響采集結果，導致偶然誤差。為(wei) 了盡可能準確地得出未知點，相同實驗重複4次，並將對應值取平均。通過增加節點個(ge) 數來提高差值多項式對函數的逼近程度，由於(yu) 此時高次多項式插值容易出現Runge現象，故采用Lagrange線性插值，把節點分成13段，分段采用低次多項式近似函數。

　　隨機抽取一點值f(18)≈φ0(18)=1.1×18+8.1=27.9，與(yu) 實際測量值f(18)=27.7比較，偏差為(wei) 0.7%，符合精度要求。將式(2)寫(xie) 入軟件插值函數子程序中，當用戶設定功率時，算法先判斷該值所在區間範圍，再求出對應電流百分比，通過串口發送到光纖激光器。經插值算法校準後，用戶設置功率與(yu) 終端采集功率之間的關(guan) 係如圖7所示，可知最大偏差為(wei) 2.5%，較之前的63.6%有明顯改善。測試結果表明，通過此方法獲得了較準確的激光輸出功率，精度控製在±1W以內(nei) 。

　　圖7校準後用戶設置功率與(yu) 終端采集功率關(guan) 係

　　本文設計了一種基於(yu) 2μm高功率光纖激光器的醫療儀(yi) ，以STM32為(wei) 控製核心，完成了人性化的人機觸控界麵功能設計、激光器的驅動控製、精密水冷單元的參數監控、配電模塊的抗幹擾設計以及輸出功率的校準。輸出功率0W或4W～80W，步進長度1W連續可調,可通過腳踏自由切換汽化和凝血兩(liang) 種功率參數輸出；溫度采集精度±0.5℃，水流量3.6L/min，符合IPG-TLR-80-WC-Y12型號光纖激光器正常工作要求。經過功率校準算法，用戶設置功率與(yu) 終端采集功率的最大偏差由之前的63.6%降低到2.5%，控製精度為(wei) ±1W。測試結果表明，該係統具有可靠性高、抗幹擾能力強、輸出功率穩定準確、操作便利等優(you) 點。