基於pid控制雷射針灸治療儀的製作方法

2023-05-21 22:29:26 2

專利名稱：基於pid控制雷射針灸治療儀的製作方法
技術領域：
本發明是將傳統中醫針灸理論和實踐與現代儀器科學技術相結合而發 明的醫療儀器，是以MSP430單片機作為控制平臺，將經典PID控制理論融入 雷射二極體功率控制中，並引入混沌數學模型方法來實現新型的動態、深 層且易控的灸療方法的模擬，可實現傳統中醫中最基本的針刺補瀉手法與 灸療補瀉手法的半導體雷射針灸治療儀。
背景技術：
現代針灸治療儀器的研究和發展已逐步走上了現代科技發展與結合的 道路，尤其在基於傳統中醫理論基礎上，結合計算機、微電子和雷射等多 種技術開發的性能完善且功能強大的智能化儀器，是傳統中醫針灸理論和 實踐與現代儀器科學技術的重要結合，雷射針灸治療以無痛、無感染、無 明顯禁忌穴，安全、不暈針且劑量可控、操作簡便等優點，被廣泛的應用 於內科、外科、婦科、兒科、神經科、皮膚科、口腔科、耳鼻喉等各科。 然而，目前各種雷射針灸儀器還存在著缺點和不足某種波長雷射針灸單 純的照射方法，如He-Ne雷射針灸儀器等，採用連續型的直接照射，這是一 種最簡單的工作方式，治療也最簡單但是在治療方法及針灸手法方面都極 為單一，缺乏靈活性，更無法實現博大精深的中醫針灸理論，而採用脈衝 雷射照射，對此有所改進，通過簡單的電子電路能輸出簡單的、 一定規律 的照射光信號，但是總的來說這種方式只能簡單的模擬傳統針灸中最簡單 的針灸手法，而且無法達到針刺與灸療效果的結合實現，通常這種信號也 存在容易被人體適應的缺點。後來的微機控制的雷射針灸儀採用微機分別 控制C02雷射器和He-Ne雷射器開關電源，使其分別模擬雷射針和雷射灸， 從軟體上實現其按針灸規律變化，但這種機型最大的不足就是儀器體積和 重量大，給使用帶來不便。據了解有的光源達一米多長，而且僅光源就有一百多斤重，不僅如此，昂貴的價格也使其走入家庭醫療保健受到限制。隨著現代針灸儀器的迅速發展，有學者在多年研究實踐和對傳統針灸 要旨的理解基礎上提出了 "人體動態、深層刺激"的理論，即對人體系統有效的、合適的刺激信號一定是動態和具有深層刺激效果的。這種理論是 對傳統針灸經驗的科學總結，也是從工程技術角度理論上的提升，這種理 論不僅用來指導現代針灸器具的開發，也可用來指導臨床實踐。目前，市 場上有許多針灸治療儀，大多都存在輸出信號不滿足動態性要求，有些即 使滿足了動態性要求但不滿足符合中醫傳統針灸方法的規律性要求，比如 對灸療的補瀉手法上還沒有實現。換句話說，國內外所有的基於信號刺激 的針灸治療儀還沒有將幾千年不斷豐富的，被實踐證明極為有效的且符合 人體調整自然規律的灸法集成到現代針灸儀器中。 發明內容為了解決現有技術存在的上述不足，本發明提供一種基於PID控制雷射針灸治療儀，該發明能夠實現傳統灸法的動態深沉刺激效果，可實現傳統 中醫中最基本的針剌補瀉手法和灸療補洩手法。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是以MSP430系列單片機作 為控制平臺，選用輸出額定功率為30mW，波長為650nm的AlGalnP半導體激 光器作為光源，基於PID控制雷射針灸治療儀還包括半導體雷射器、光敏二 極管、光功率監測電路、AD轉換器、MSP430單片機主控制電路、P工D控制、 DA轉換器、雷射驅動電路、雷射保護電路、直流電機控制電路和光學系統。為了實現傳統灸法的動態剌激效果，蟲口模型作為一個混沌數學模型 被引入本發明，通過採用混沌序列佔空比信號消除人體適應性，調整和控 制輸出佔空比的改變以達到灸療的補瀉手法的實現。本發明通過對混沌數學模型，應用作圖法討論參數對混沌性的影響， 並選擇適合的參數和初始值，通過蟲口模型(Xn+F uxn(l-xj )的迭代產生 一系列取直在[O， l]的混沌序列，單片機程序對混沌序列進行數學方法的 處理後，進行在每個周期的累加，從而達到對佔空比以混沌序列對應數值 的遞增或遞減，來實現補瀉手法。在一個周期內，有高電平和低電平，高 電平對應有刺激，低電平對應無刺激。 一個周期內有無刺激的變化形成了 動態刺激，同時這種變化形成了刺激的規律，調整一個周期內高低電平來 改變佔空比，可以實現強度的調節。頻率的調節就是周期的時間長短調節。本發明基於以上的數字控制信號，具有動態刺激特性，這種動態深層
刺激信號能夠直接到達或接近皮膚下一定深度的腧穴，推動經氣感傳，氣 至病所，激發人體自身的調整功能，達到治病的目的。本發明釆用了閉環反饋，PID控制的方法，同時利用數字PID控制算法 實現對傳統中醫針刺算法的控制，即利用光敏二極體的特性，監測從LD輸 出的光強度，將其轉換為電信號，經過信號放大後，送A/D轉換器轉換。轉 換後的數位訊號與給定值構成控制偏差，通過單片機進行PID控制運算，構 成控制量，對LD的驅動電流進行控制，從而控制雷射功率。PID控制具有算 法簡單、魯棒性好和可靠性高等優點，因此採用了閉環PID控制，保證了流 過LD的電流的穩定性，使系統的抗千擾能力大大加強。本發明的有益效果是該治療儀除具備了雷射針灸儀的常見功能外， 還具有時間和功率可調，傳統針刺補瀉手法可選，雷射照射安全劑量可控 制等特點。它可取代傳統針灸，而且具有傳統針灸許多無法比擬的優點， 本發明能從醫院走向家庭，並推廣成為大眾醫療保健產品。


圖1是基於PID控制雷射針灸治療儀的系統結構框圖； 圖2是基於PID控制雷射針灸治療儀的電路圖； 圖3是基於PID控制雷射針灸治療儀光路產生裝置的結構框圖；圖4是基於PID控制雷射針灸治療儀光路產生裝置的結構圖； 圖5是增量式PID算法的程序框圖；圖6是針灸手法選擇流程圖。
具體實施方式
實施例圖1公開的是本發明的一個實施例，光敏二極體(PD) 2將半導體雷射 器(LD) 1的輸出功率轉化為等比例的電流信號，此電流信號通過光功率監 測電路3後，轉化為等比例的電壓信號，再將此電壓信號送MSP430單片機 的A/D轉換接口 4，進行A/D轉換。轉換後的數位訊號與給定值構成控制偏差，通過單片機5進行PID控制運算，構成控制量。再經過D/A轉換後對 半導體雷射器(LD) 1的驅動電流進行控制。從而控制雷射功率，以實現提 插補瀉。光功率增長的速率即為補瀉中的重插與輕插，減少的速率即為補
瀉中的重提與輕提；光功率的變化幅度即為針刺的幅度；光功率的變化頻 率即為針刺的快慢頻率。經過軟體設計的數位訊號經D/A轉換器7轉換後， 控制直流電機10的轉速快慢，通過帶動光學系統11旋轉，使線偏振光電 矢量旋轉，來實現捻轉補瀉。電矢量旋轉的快慢即為針剌捻轉的頻率快慢， 其大小相應於針刺捻轉的力度輕重。在圖2中，電源由5V電池供電，單片機MSP430F169電源Vcc為3.3V。 單片機TMS、 TCK、 TDI、 TDO及RST/麗I外接JTAG調試器，與PC機連接進 行在線調試與開發。P6.0是ADC4的A0通道作為輸入端，接光功率採樣電 路。光功率採樣電路由放大器LM358、電阻R6 R8、光敏二極體PD組成， P6.6是DAC 7的DAC0作為輸出端，控制半導體雷射器(LD) 1驅動電路的 輸入電壓^，其輸出電壓用於驅動半導體雷射器(LD) 1，並控制其電流的 變化，進而控制其的光功率的變化。P1.0與P2.0接半導體雷射器(LD) 1 的過流保護電路9，用於對過流情況進行控制。雷射驅動電路8和保護電路 9由運算放大器U3 U4、 二極體D1 D4、三極體Q1 Q2、電容C1 C6、電 阻R1 R3、繼電器K組成，P6.7是DAC 7的DAC1作為輸出端，接直流電 機的控制電路10，通過P6.7輸出電壓值的不同來控制直流電機的輸入電壓， 以控制電機的轉速快慢。直流電機的控制電路由直流電機FF-030PK、運算 放大器U5、電阻R4、三極體Q3、 二極體D5組成。在圖3中，半導體雷射器(LD) 1發出的帶一定發散角的雷射經過透鏡A 13後，為平行光垂直入射到四分之一波片14。由於半導體雷射器(LD) l出 射的雷射為部分偏振光，當其經過四分之一波片14後成為圓偏振光，並垂 直入射到線偏振片15，當直流電機18帶動線偏振片旋轉時，入射到透鏡B16 的雷射的電矢量將隨之以一定的角速度旋轉，即實現了傳統針刺補瀉的捻 轉補瀉。線偏振片的旋轉角速度大，則對應捻轉的頻率快，角速度小，則 反之。入射光的強度大與小則對應捻轉的力度的重與輕。最後由透鏡B 16 將雷射會聚到光纖17內，再通過治療頭12照射人體。圖4中，半導體雷射器(LD) l被安裝在散熱器(4-10)內，透鏡A 13安裝在鏡框(4-9)上，鏡框固定在套管(4-8)內，套管(4-8)用六角鎖 緊螺母(4-7)鎖緊在支架(4-6)的一端，電機(4-1)置於散熱片(4-10) 上，電機軸上帶有上齒輪(4-2)，下齒輪(4-3)置於管套(4-8)夕卜，並 用202膠與六角鎖緊螺母(4-7)粘牢，1/4波片14安裝在套管(4-7)末端， 線偏振片15用202膠與下齒輪(4-3)粘牢，透鏡B 16固定在線偏振片15上， 光纖17加裝光纖保護套管(4-5)，用螺釘固定在支架(4-6)的另一端上， 調節光纖的位置，使光纖的球街頭精確地位於透鏡B 16的焦點上。在圖5中，按模擬PID控制算法，以一系列的採樣時刻點W代表連續 時間"以和式替積分，以一階後向差分近似代替微分，即可得離散位置式 PID表達式formula see original document page 87/ 產0 乂式中，、為比例系係數；r,為積分時間常數；r。為微分時間常數；由 遞推H理可f導formula see original document page 8則formula see original document page 8"W--------第k次採樣時刻的輸出值；"Ot -1)------第k-1次採樣時刻的輸出值；A"("------輸出的控制增量；----第k次採樣時刻的輸入偏差值； rW--------給定值；少("--------測定值；T-----------釆樣周期。在圖6中，系統對單片機進行初始化，通過設置標誌位flag為"O" "1" "2"來選擇連續照射、針刺和灸療，針剌中提供了提插補瀉、捻轉補瀉、疾徐補瀉和平補平瀉等針刺手法選擇，由aflag設置為"l" "2" "3" "4"來選擇，灸療中擇提供了雀啄灸法、混沌序列灸法以及補瀉手法等選擇， 由mflag設置為"1" "2"來選擇，在方式2中，由SelAB設置為"0"和"1"來對補和瀉兩種手法進行設定選擇，"2"為混沌序列波形。
權利要求
1.一種基於PID控制雷射針灸治療儀，包括半導體雷射器(1)、光敏二極體(2)、光功率監測電路(3)、A/D轉換器(4)、單片機主控制電路(5)、PID控制(6)、D/A轉換器(7)、雷射驅動電路(8)、雷射保護電路(9)、直流電機控制電路(10)和光學系統(11)，其特徵是光敏二極體(2)將半導體雷射器(1)的輸出功率轉化為等比例的電流信號，此電流信號通過光功率監測電路(3)後，轉化為等比例的電壓信號，再將此電壓信號送A/D轉換器(4)，進行A/D轉換；轉換後的數位訊號與給定值構成控制偏差，通過單片機進行PID控制(6)運算，構成控制量；再經過D/A轉換器(7)後對LD(1)的驅動電流進行控制，從而控制雷射功率，以實現提插補瀉。
2. 根據權利要求1所述的基於PID控制雷射針灸治療儀，其特徵是經 過軟體設計的數位訊號經D/A轉換器(7)轉換後，控制直流電機(10)的 轉速快慢，通過帶動光學系統(11)旋轉，使線偏振光電矢量旋轉，來實 現捻轉補瀉。
3. 根據權利要求1或2所述的基於PID控制雷射針灸治療儀，其特徵 是單片機主控制電路(5)以MSP430系列單片機作為控制平臺，半導體 雷射器(1)的輸出額定功率為30mW，波長為650nm。
4. 根據權利要求1所述的基於PID控制雷射針灸治療儀，其特徵是採 用數字PID控制雷射二極體的驅動電流。
5. 根據權利要求1所述的基於PID控制雷射針灸治療儀，其特徵是通 過光功率增長的速度的快慢為補瀉中的重插與輕插，減少的速度的快慢為 補瀉中的重提與輕提；光功率的變化幅度為針刺的幅度；光功率的變化頻 率為針刺的快慢頻率。
6. 根據權利要求1所述的基於PID控制雷射針灸治療儀，其特徵是通 過單片機程序對蟲口模型產生的取值在[O， l]的混沌序列進行數學方法的 處理，從而達到對佔空比以混沌序列對應數值的遞增或遞減，來實現灸療 補瀉手法。
7. 根據權利要求1所述的基於PID控制雷射針灸治療儀，其特徵是光學系統(11)是由透鏡A (12) 、 1/4波片(13)、線偏振器(14)、透鏡B (15)、醫用光纖(16)組成；通過線偏振光電矢量的旋轉實現捻轉補瀉 手法，線偏振光電矢量的旋轉即為捻轉，電矢量旋轉的快慢即為針刺捻轉 的頻率快慢，其大小相應於針刺捻轉的力度輕重。
8. 根據權利要求1所述的基於PID控制雷射針灸治療儀，其特徵是半 導體雷射器(LD) (1)被安裝在光學系統(11)的散熱器(4-10)內，散 熱器(4-10)內裝有鏡框(4-9)，鏡框(4-9)內安裝透鏡A (13)。
9. 根據權利要求8所述的基於PID控制雷射針灸治療儀，其特徵是鏡 框(4-9)固定在套管(4-8)內，套管(4-8)用六角鎖緊螺母(4-7)鎖 緊在支架(4-6)的一端，支架(4-6)的另一端安裝光纖(17)及光纖保 護套管(4-5)。
10. 根據權利要求8所述的基於PID控制雷射針灸治療儀，其特徵是 電機(4-1)置於散熱片(4-10)上，電機軸的齒輪(4-2)與置於管套(4-8) 外的下齒輪(4-3)嚙合，1/4波片(14)安裝在套管(4-7)末端，線偏振 片(15)與下齒輪(4-3)粘牢，透鏡B (16)固定在線偏振片(15)上。
全文摘要
本發明公開一種基於PID控制雷射針灸治療儀。其特徵是光敏二極體(2)將半導體雷射器(1)的輸出功率轉化為等比例的電流信號，此電流信號通過光功率監測電路(3)後，轉化為等比例的電壓信號，再將此電壓信號送A/D轉換器(4)進行A/D轉換；轉換後的數位訊號與給定值構成控制偏差，通過單片機進行PID控制(6)運算構成控制量；再經過D/A轉換器(7)後對LD(1)的驅動電流進行控制，從而控制雷射功率，以實現提插補瀉。本發明還具有時間和功率可調，傳統針刺補瀉手法可選，雷射照射安全劑量可控制等特點。它可取代傳統針灸，而且具有傳統針灸許多無法比擬的優點，能從醫院走向家庭，並推廣成為大眾的醫療保健產品。
文檔編號A61N5/06GK101164636SQ200710061530
公開日2008年4月23日 申請日期2007年2月7日 優先權日2007年2月7日
發明者晉志高, 李成偉, 英 林, 貞 黃 申請人:燕山大學