可编程设计LED光疗系统

文摘

基于光系统中常用的诊断和外科手术的医学领域,医学摄影、光疗等。光疗涉及光能量的使用身体或精神疾病的治疗。照明等参数可以不同波长和剂量的治疗对细胞和组织具有不同的影响。这就需要可编程的需要设计一个系统与治疗相关的各种参数,还可用于人们对于生物医学应用。介绍一种便携式的设计和实现,手持和可编程的发光二极管(LED)光疗系统使用嵌入式技术。手臂周围的系统设计基于TM4C123GH6PM单片机处理器。单片机的编程,以便选择各种参数如频率、占空因数、曝光时间。矩阵键盘接口和液晶显示器(LCD)提供了易于人机界面。LED驱动电路设计已经有效地调节输出功率的LED。此外,超亮LED(雪橇)的波长633海里已经成功地测试和结果的光学特性,包括光谱和空间响应结果部分中给出。所需的设计系统成功地实现了可编程参数所需剂量优化提高光疗系统的治疗效果。

1。介绍

低光照疗法(低)或光疗暴露一个受伤的是一种非侵入性技术组织(连续或脉冲单色光)光的波长从600到1000海里,以减轻疼痛,减少炎症,促进伤口愈合1]。这种技术中使用的光源可以激光或小,成本有效的雪橇,或领导2]。光疗的主要组件包括源波长、脉冲频率、功率密度和照射时间。所需的功率密度治疗各类伤害1 mW /厘米不等²100 mW /厘米²(3]。这部小说的辐照时间治疗的范围可以从几分钟到几个小时。治疗周期可以从几天到几周根据受伤或伤口的类型。基于激光的治疗在本质上是热而没有这样的报道影响领导。疗效已报告的低强度的增加细胞增殖,迁移和附着力,增强新血管形成,促进血管生成,增加胶原蛋白的合成4- - - - - -8]。细胞增殖据报道在几种类型的细胞在体外:成纤维细胞,角质细胞,内皮细胞,甚至是淋巴细胞(9- - - - - -11]。光疗也称为照片biomodulation是因为光子引起的生物效应对接触组织处理。光疗背后的主要机制是光源的能量吸收。因此,光化学反应启动时,发色团与光反应进入一个组织。的主要因素影响光吸收波长的光源和组织发色团(血红蛋白和黑色素)。发色团吸收波长600纳米以下,而水分子做同样的红外线波长大于1100纳米。因此,600 - 1100纳米光学窗口有效组织渗透。考虑到生物窗口,导致波长介于600和650海里的选择生物医学应用,如伤口愈合。

到目前为止,许多研究已经进行了评估低强度的影响,但已经能够确定的参数对伤口愈合有效应用。主要缺点是nonavailability标准仪器可编程变量的参数如频率、占空因数、曝光时间。因此,需要开发一个可编程和可调仪器,可用于实验室实验导致的详细调查和分析所需的参数治疗治疗。

在本文中,我们提出了基于可编程的设计和分析的系统使用嵌入式技术。在这个设计可以改变经营方式连续或脉冲等。同时,可以控制操作的频率和占空比的最佳使用治疗应用。

2。系统设计和开发基于LED光疗

设计和开发的便携式、可编程LED光疗系统现在详细讨论。

2.1。系统概述

便携式LED光疗系统包括三个不同的单位如图1。单位是:脉冲发生器(处理器模块和用户界面模块),电流驱动电路和LED模块。处理器是脉冲发生器的核心操作指示系统在连续或脉冲模式。键盘用于接受用户定义的变量,即。、频率、占空因数、曝光时间。这些照明参数显示在LCD对用户反馈和传播为脉冲生成微控制器单元。便携式电池是用于电力系统设计。

的设备操作的时间也可编程。最后,控制系统的输出路由到LED驱动电路产生足够的电力来驱动LED模块。

2.1.1。脉冲发生器

脉冲发生器模块的目的是在德州仪器TM4C123GH6PM单片机为核心控制器和一个接口模块组成的矩阵键盘和液晶显示器满足系统的设计要求。

单片机是一个完整的计算机集成在一个硅片上。这意味着单片机芯片上的记忆(RAM和ROM),中央处理单元(CPU),一个算术逻辑单元(ALU)、计时器、看门狗定时器、脉冲宽度调制模块、数模转换器、通用输入/输出端口,等等。TM4C123GH6PM [12)是一种低功耗、高性能的32位微控制器由德州仪器使用高密度非易失性内存技术和兼容行业标准。芯片上的flash允许在系统编程与传统的非易失性内存的程序员。系统设计运行在连续和脉冲模式。它允许从1赫兹到1 KHz频率选择。而在脉冲模式下操作,工作周期可以从1%变化到99%。暴露的持续时间可以设置从1到99分钟。

4 x4矩阵键盘。矩阵键盘包括一组相互关联的按钮。的根本优势4 x4矩阵键盘的16个键只需要八个通用输入/输出有效(GPIO)针接口,四个GPIO管脚的行和列四GPIO管脚。键盘引脚1、2、3、4列针和键盘针5,6,7,8行针。列元件作为输出初始化元件,并先后设置为逻辑高而其余都设置为逻辑低。此外,行针作为输入引脚,用于检测初始化按的键。这个过程返回一个协调值为特定的键被按下,解码的返回值的键显示(而不是位置坐标与按键相关联)。这个过程依赖于事实,要求扫描的时间按的键至少一个数量级小于要求身体上按下一个键。行针的4 x4矩阵键盘界面的通用输入/输出(GPIO)端口E针0到3 (PE 0 - 3)的TM4C123GH6PM单片机开发板而列针键盘的界面的GPIO口C针4 - 7(电脑4 - 7)。

20 x4液晶显示模块。20 x4液晶显示模块包含一个HD4478U液晶显示控制器和驱动程序以及20 x4点阵液晶显示器能显示四行20字符,随机存取存储器(RAM)单元和一个只读存储器(ROM)单元。RAM单元分为两个离散单元,即显示数据内存(DDRAM)和字符图形内存(CGRAM)。DDRAM存储生成的单片机数据显示在液晶屏上。CGRAM,另一方面,商店的任何自定义一个用户可以定义非标准字符。只读存储器单元,称为字符图形罗(CGROM),存储标准字符数据5 x7点阵字符和预定义的命令用来控制液晶控制器的操作。这个内存单元的内容无法编辑的用户界面。

16针的液晶模块连接如下。

液晶(销0),R / W(销4),和领导——(销15)引脚连接到地面。的(销1)连接到5 v电源。的(对比调整)(销2)连接到10的雨刷kΩ电位计的其他终端连接和地面。寄存器选择(RS)(销3)连接到GPIO口针2 (PA 2)。读/写(R / W)(销4)连接到地面。使(En)(销5)连接到GPIO口针销3 (PA 3)。数据(DB 0 - 7)(针6 - 13)界面的GPIO端口B别针(PB 0 - 7)。LED +(亮度调整)(销14)连接通过150Ω电阻。

供应从便携式电池连接和地面销TM4C123GH6PM单片机和外部复位按钮复位销和地面提供。平方脉冲波产生的港口D销6。

2.1.2。软件设计

程序是用C编写使用先进的RISC机器(ARM)指令集发达的解答μ视觉版本4集成开发环境(IDE)包含了一个文本编辑器,链接器,编译器和调试器在一个开发环境。

TM4C123GH6PM单片机在工作使用片上总线16兆赫的频率振荡器。另外,16兆赫的晶体振荡器也可以利用更准确比芯片上的振荡器。通过应用锁相环路(锁相环),TM4C123GH6PM可以配置为运行在80 MHz。TM4C123GH6PM还拥有许多片上硬件定时器是一个更准确的方式生成延迟相比基于固件延迟生成技术。我们有两个这样的硬件定时器编程:一个产生脉冲波在时间和关闭时间延迟,和其他生成等系统延迟1μ年代,10μ年代,10毫秒的延迟用于液晶操作子程序。

2.1.3。系统任务设计和软件流程

流程图代表脉冲发生器单元的软件设计算法基于LED光疗系统图中概述2。主函数调用不同的子程序来执行特定的任务。主函数初始化的闸门控制(时钟),调用锁相环(PLL)函数操作单片机在80 MHz,脉冲波生成初始化输出端口,初始化液晶显示模块和键盘。子程序已经编写各个功能所需的操作液晶以及扫描的个人密钥和用户定义的变量的4 x4矩阵键盘。它还调用函数接受用户定义的变量,即。、频率、工作周期和时间。这些变量存储和用于脉冲方波的生成。

端口引脚2和3是初始化液晶显示器作为输出控制针,而B端口初始化液晶输出寄存器端口。港口C针4 - 7作为输出初始化列针4 x4矩阵键盘,和港口E针0到3初始化输入行针4 x4矩阵键盘。初始化端口D销6脉冲方波的输出。

2.2。LED驱动电路

LED电流控制设备,这样,即使是最轻微的LED终端电压波动导致电流急剧增加。因此,很容易超过当前的限制导致,如果选择的电压源并不是最理想的选择。LED驱动函数作为控制元件为领导提供稳定的电位差在其终端,或恒流。

LED驱动程序可能是一个简单廉价的电流控制电阻,一个活跃的恒流源,或严格控制电压调节器。电阻器是迄今为止最简单和最便宜的方法设计了驱动电路。然而,它也有一些缺点;具体地说,它非常低效为电流控制元素,因为它消散任何当前过度热量。同时,电阻不能提供保护来自一个不理想的电源电压峰值。交替,电压调节器可能两种,线性稳压器或开关式稳压器,比如一个smp。线性电压调整器本质上执行相同的功能作为一个电阻器但是需要最小电压降为1.5 v。切换监管机构更有效但可能不是精确的线性稳压器,要求非常精确制造组件高公差是昂贵和困难的来源。然而,恒流源电路提供保护电压峰值和控制电流通过领导,而不是非常严格控制LED灯的电压。通过适当的电源的选择,它可以提供一个高达95%的效率。

2.2.1。描述和工作

如图3,LED驱动电路是一个修改限流器电路,由一个反馈回路,MOSFET组成的Q₁还有一个是问₂,不断调节通过负载电流,即,领导。可变电阻器用于设置的限流电路,而电阻作为一个上拉电阻消除任何振动传递到负载的关机时间脉冲栅MOSFET驱动,和电阻提供保护单片机开发板的输出接脚驱动负载。

权力交付给负载,即。,the LED, by a 5V portable power source while current regulation through the LED is achieved by means of three components, namely, MOSFET Q₁,以下是问₂和电阻。作为MOSFET栅极驱动应用Q₁,通过MOSFET功率传递到负载Q₁和电阻 ,提供应用电流调节电压的二次函数基础动力是问₂。电阻上的电压降定义的基本驱动电压送到基地是Q₂。

如果电压 ,即。,voltage at the base of BJT Q₂(定义的常量电阻电阻和电流流经LED)超过最大base-to-emitter电压的是Q₂,并开始进行当前通过其emitter-to-collector结,从而减少MOSFET的栅极驱动电压Q₁通过领导和减少电流。

组件设计的要求和选择标准电流驱动电路和遵循枚举。

MOSFET问₁,IRL3803逻辑电平MOSFET (13]。这意味着Gate-to-Source电压, ,3.3 v会产生实质性的漏极电流, ,和漏-源电阻可以忽略不计(上)。这是直接与常规MOSFET需要一个更大的Gate-to-Source电压, ,产生一个Drain-to-Source阻力可以忽略不计(在),大约5 v至7。这也是很重要的,因为所选TM4C123GH6PM单片机在3.3 v工作高电平。选择MOSFET IRL3803结果在一个简化的设计相比,常规MOSFET,需要一个单独的数字逻辑移器等电路单片机的高3.3 v逻辑转移到一个可接受的MOSFET的栅极驱动。

以下是问₂2 n3904经常小信号双极结型晶体管。任何是都是可以接受的,只要其Base-to-Emitter电压, ,是可接受的规模较小。

可变电阻器的额定功率至少四分之一瓦。这是选择这样大范围的电路将执行最优功率设置。

的实时PCB实现LED光疗系统在图表示4(一)。以执行各种已和体外研究这种光疗系统以极大的缓解,一个紧凑,重量轻的原型开发,如图4 (b)。

(一)PCB设计系统的实现

(b)的原型开发治疗系统

3所示。结果

3.1。电LED驱动模块的输出

设备提供的灵活性调整频率、工作周期和时间。实时波形的脉冲输出的LED驱动电路见图5各种组合的频率和占空比(D)如f = 5赫兹,D = 50%;f = 10 Hz, D = 75%;f = 50 Hz, D = 25%, f = 100 Hz, D = 50%。

3.2。领导的特征

在本节中,我们提出的各种测量数据进行描述的LED用于光疗的应用程序。

(一)光谱响应。LED的光谱特性作了详细研究使用lms - 6000光谱仪。相对光谱功率分布的情节是波长的函数图6。它可以观察到,在峰值波长λp = 633.9海里。观察到的半宽度(应用)是17.6海里。LED的光谱测量通量是28.708 lm V = 2.2 V和I = 66.63 lm / W 200毫安和效率。

国际照明委员会(CIE)色度图,这是另一种方法来研究颜色,如图7。主波长,决定从画一条线的颜色坐标参考光源和LED的色度坐标测量是623.6海里。

(b)空间响应。的辐射模式是一个阴谋的LED光强空间分布极坐标系(14,15]。这个属性的研究尤为重要,决定了设备的功效为生物医学应用。空间辐射方向图的测量LED进行了使用测角仪。在实验设置中,传感器是固定的和领导一直围绕着它旋转测量辐射模式如图8。可以看出辐射模式的传播是没有方向的。

图9说明了相对强度的情节在三维笛卡尔平面上用CCD探测器的光学装置数据采集和图像处理软件和LED (16]。相应的2 d图辐射通量进行了使用新星II俄斐手持仪和图给出10。可以预见的是,峰值功率输出θ= 0⁰这减弱了两侧的最大值。

4所示。结论和未来的工作

领导建立光疗可编程设备组成的脉冲发生器,LED驱动电路和高功率的领导一直在开发和描述这个工作。领导的一个脉冲发生器专门设计的驱动系统设计的灵活性不同时间和责任周期在低频率(1 Hz - 1 KHz)了。使用单片机实现的需要灵活地设计,消除了需要改变软件时需要一个变量脉冲,通过这个设计。脉冲发生器系统键盘和LCD接口使设备用户友好。单片机的输出脉冲的频率被发现是非常准确的。高功率LED的驱动电路是低成本,只需要四个离散的组件。不同的测量进行了描述领导的领导包括光谱和空间分布。在未来的工作中,该系统将升级到模型所需的辐射模式和优化photo-therapy应用程序。变量的描述系统提供简单的可编程性光疗所需照明参数如频率、工作周期、曝光时间和功率密度,从而使这个系统恰当的治疗协议的标准化在活的有机体内和在体外研究。在我们研究的初始阶段,系统将检测传染性细菌的减少使用微生物文化。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者感谢导演DIPAS, DRDO的浓厚兴趣和许可用于实验和出版。他们也感谢国防研究与发展组织(DRDO),印度政府对金融的支持。他们也感谢教授Enakshi k·夏尔马(德里大学电子科学部门)和她的团队协助领导的光谱测量结果。

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