基于PID控制激光针灸治疗仪.pdf

本发明公开一种基于PID控制激光针灸治疗仪。其特征是：光敏二极管(2)将半导体激光器(1)的输出功率转化为等比例的电流信号，此电流信号通过光功率监测电路(3)后，转化为等比例的电压信号，再将此电压信号送A/D转换器(4)进行A/D转换；转换后的数字信号与给定值构成控制偏差，通过单片机进行PID控制(6)运算构成控制量；再经过D/A转换器(7)后对LD(1)的驱动电流进行控制，从而控制激光功率，以实现提插补泻。本发明还具有时间和功率可调，传统针刺补泻手法可选，激光照射安全剂量可控制等特点。它可取代传统针灸，而且具有传统针灸许多无法比拟的优点，能从医院走向家庭，并推广成为大众的医疗保健产品。

权利要求书
1.  一种基于PID控制激光针灸治疗仪，包括半导体激光器(1)、光敏二极管(2)、光功率监测电路(3)、A/D转换器(4)、单片机主控制电路(5)、PID控制(6)、D/A转换器(7)、激光驱动电路(8)、激光保护电路(9)、直流电机控制电路(10)和光学系统(11)，其特征是：光敏二极管(2)将半导体激光器(1)的输出功率转化为等比例的电流信号，此电流信号通过光功率监测电路(3)后，转化为等比例的电压信号，再将此电压信号送A/D转换器(4)，进行A/D转换；转换后的数字信号与给定值构成控制偏差，通过单片机进行PID控制(6)运算，构成控制量；再经过D/A转换器(7)后对LD(1)的驱动电流进行控制，从而控制激光功率，以实现提插补泻。

2.  根据权利要求1所述的基于PID控制激光针灸治疗仪，其特征是：经过软件设计的数字信号经D/A转换器(7)转换后，控制直流电机(10)的转速快慢，通过带动光学系统(11)旋转，使线偏振光电矢量旋转，来实现捻转补泻。

3.  根据权利要求1或2所述的基于PID控制激光针灸治疗仪，其特征是：单片机主控制电路(5)以MSP430系列单片机作为控制平台，半导体激光器(1)的输出额定功率为30mW，波长为650nm。

4.  根据权利要求1所述的基于PID控制激光针灸治疗仪，其特征是：采用数字PID控制激光二极管的驱动电流。

5.  根据权利要求1所述的基于PID控制激光针灸治疗仪，其特征是：通过光功率增长的速度的快慢为补泻中的重插与轻插，减少的速度的快慢为补泻中的重提与轻提；光功率的变化幅度为针刺的幅度；光功率的变化频率为针刺的快慢频率。

6.  根据权利要求1所述的基于PID控制激光针灸治疗仪，其特征是：通过单片机程序对虫口模型产生的取值在[0，1]的混沌序列进行数学方法的处理，从而达到对占空比以混沌序列对应数值的递增或递减，来实现灸疗补泻手法。

7.  根据权利要求1所述的基于PID控制激光针灸治疗仪，其特征是：光学系统(11)是由透镜A(12)、1/4波片(13)、线偏振器(14)、透镜B(15)、医用光纤(16)组成；通过线偏振光电矢量的旋转实现捻转补泻手法，线偏振光电矢量的旋转即为捻转，电矢量旋转的快慢即为针刺捻转的频率快慢，其大小相应于针刺捻转的力度轻重。

8.  根据权利要求1所述的基于PID控制激光针灸治疗仪，其特征是：半导体激光器(LD)(1)被安装在光学系统(11)的散热器(4-10)内，散热器(4-10)内装有镜框(4-9)，镜框(4-9)内安装透镜A(13)。

9.  根据权利要求8所述的基于PID控制激光针灸治疗仪，其特征是：镜框(4-9)固定在套管(4-8)内，套管(4-8)用六角锁紧螺母(4-7)锁紧在支架(4-6)的一端，支架(4-6)的另一端安装光纤(17)及光纤保护套管(4-5)。

10.  根据权利要求8所述的基于PID控制激光针灸治疗仪，其特征是：电机(4-1)置于散热片(4-10)上，电机轴的齿轮(4-2)与置于管套(4-8)外的下齿轮(4-3)啮合，1/4波片(14)安装在套管(4-7)末端，线偏振片(15)与下齿轮(4-3)粘牢，透镜B(16)固定在线偏振片(15)上。

说明书基于PID控制激光针灸治疗仪
技术领域
本发明是将传统中医针灸理论和实践与现代仪器科学技术相结合而发明的医疗仪器，是以MSP430单片机作为控制平台，将经典PID控制理论融入激光二极管功率控制中，并引入混沌数学模型方法来实现新型的动态、深层且易控的灸疗方法的模拟，可实现传统中医中最基本的针刺补泻手法与灸疗补泻手法的半导体激光针灸治疗仪。
背景技术
现代针灸治疗仪器的研究和发展已逐步走上了现代科技发展与结合的道路，尤其在基于传统中医理论基础上，结合计算机、微电子和激光等多种技术开发的性能完善且功能强大的智能化仪器，是传统中医针灸理论和实践与现代仪器科学技术的重要结合，激光针灸治疗以无痛、无感染、无明显禁忌穴，安全、不晕针且剂量可控、操作简便等优点，被广泛的应用于内科、外科、妇科、儿科、神经科、皮肤科、口腔科、耳鼻喉等各科。然而，目前各种激光针灸仪器还存在着缺点和不足：某种波长激光针灸单纯的照射方法，如He-Ne激光针灸仪器等，采用连续型的直接照射，这是一种最简单的工作方式，治疗也最简单但是在治疗方法及针灸手法方面都极为单一，缺乏灵活性，更无法实现博大精深的中医针灸理论，而采用脉冲激光照射，对此有所改进，通过简单的电子电路能输出简单的、一定规律的照射光信号，但是总的来说这种方式只能简单的模拟传统针灸中最简单的针灸手法，而且无法达到针刺与灸疗效果的结合实现，通常这种信号也存在容易被人体适应的缺点。后来的微机控制的激光针灸仪采用微机分别控制CO2激光器和He-Ne激光器开关电源，使其分别模拟激光针和激光灸，从软件上实现其按针灸规律变化，但这种机型最大的不足就是仪器体积和重量大，给使用带来不便。据了解有的光源达一米多长，而且仅光源就有一百多斤重，不仅如此，昂贵的价格也使其走入家庭医疗保健受到限制。
随着现代针灸仪器的迅速发展，有学者在多年研究实践和对传统针灸要旨的理解基础上提出了“人体动态、深层刺激”的理论，即对人体系统有效的、合适的刺激信号一定是动态和具有深层刺激效果的。这种理论是对传统针灸经验的科学总结，也是从工程技术角度理论上的提升，这种理论不仅用来指导现代针灸器具的开发，也可用来指导临床实践。目前，市场上有许多针灸治疗仪，大多都存在输出信号不满足动态性要求，有些即使满足了动态性要求但不满足符合中医传统针灸方法的规律性要求，比如对灸疗的补泻手法上还没有实现。换句话说，国内外所有的基于信号刺激的针灸治疗仪还没有将几千年不断丰富的，被实践证明极为有效的且符合人体调整自然规律的灸法集成到现代针灸仪器中。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述不足，本发明提供一种基于PID控制激光针灸治疗仪，该发明能够实现传统灸法的动态深沉刺激效果，可实现传统中医中最基本的针刺补泻手法和灸疗补泄手法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：以MSP430系列单片机作为控制平台，选用输出额定功率为30mW，波长为650nm的AlGaInP半导体激光器作为光源，基于PID控制激光针灸治疗仪还包括半导体激光器、光敏二极管、光功率监测电路、AD转换器、MSP430单片机主控制电路、PID控制、DA转换器、激光驱动电路、激光保护电路、直流电机控制电路和光学系统。
为了实现传统灸法的动态刺激效果，虫口模型作为一个混沌数学模型被引入本发明，通过采用混沌序列占空比信号消除人体适应性，调整和控制输出占空比的改变以达到灸疗的补泻手法的实现。
本发明通过对混沌数学模型，应用作图法讨论参数对混沌性的影响，并选择适合的参数和初始值，通过虫口模型(xn+1＝μxn(1-xn))的迭代产生一系列取直在[0，1]的混沌序列，单片机程序对混沌序列进行数学方法的处理后，进行在每个周期的累加，从而达到对占空比以混沌序列对应数值的递增或递减，来实现补泻手法。在一个周期内，有高电平和低电平，高电平对应有刺激，低电平对应无刺激。一个周期内有无刺激的变化形成了动态刺激，同时这种变化形成了刺激的规律，调整一个周期内高低电平来改变占空比，可以实现强度的调节。频率的调节就是周期的时间长短调节。
本发明基于以上的数字控制信号，具有动态刺激特性，这种动态深层刺激信号能够直接到达或接近皮肤下一定深度的腧穴，推动经气感传，气至病所，激发人体自身的调整功能，达到治病的目的。
本发明采用了闭环反馈，PID控制的方法，同时利用数字PID控制算法实现对传统中医针刺算法的控制，即利用光敏二极管的特性，监测从LD输出的光强度，将其转换为电信号，经过信号放大后，送A/D转换器转换。转换后的数字信号与给定值构成控制偏差，通过单片机进行PID控制运算，构成控制量，对LD的驱动电流进行控制，从而控制激光功率。PID控制具有算法简单、鲁棒性好和可靠性高等优点，因此采用了闭环PID控制，保证了流过LD的电流的稳定性，使系统的抗干扰能力大大加强。
本发明的有益效果是：该治疗仪除具备了激光针灸仪的常见功能外，还具有时间和功率可调，传统针刺补泻手法可选，激光照射安全剂量可控制等特点。它可取代传统针灸，而且具有传统针灸许多无法比拟的优点，本发明能从医院走向家庭，并推广成为大众医疗保健产品。
附图说明
图1是基于PID控制激光针灸治疗仪的系统结构框图；
图2是基于PID控制激光针灸治疗仪的电路图；
图3是基于PID控制激光针灸治疗仪光路产生装置的结构框图；
图4是基于PID控制激光针灸治疗仪光路产生装置的结构图；
图5是增量式PID算法的程序框图；
图6是针灸手法选择流程图。
具体实施方式
实施例
图1公开的是本发明的一个实施例，光敏二极管(PD)2将半导体激光器(LD)1的输出功率转化为等比例的电流信号，此电流信号通过光功率监测电路3后，转化为等比例的电压信号，再将此电压信号送MSP430单片机的A/D转换接口4，进行A/D转换。转换后的数字信号与给定值构成控制偏差，通过单片机5进行PID控制运算，构成控制量。再经过D/A转换后对半导体激光器(LD)1的驱动电流进行控制。从而控制激光功率，以实现提插补泻。光功率增长的速率即为补泻中的重插与轻插，减少的速率即为补泻中的重提与轻提；光功率的变化幅度即为针刺的幅度；光功率的变化频率即为针刺的快慢频率。经过软件设计的数字信号经D/A转换器7转换后，控制直流电机10的转速快慢，通过带动光学系统11旋转，使线偏振光电矢量旋转，来实现捻转补泻。电矢量旋转的快慢即为针刺捻转的频率快慢，其大小相应于针刺捻转的力度轻重。
在图2中，电源由5V电池供电，单片机MSP430F169电源Vcc为3.3V。单片机TMS、TCK、TDI、TDO及RST/NMI外接JTAG调试器，与PC机连接进行在线调试与开发。P6.0是ADC 4的AO通道作为输入端，接光功率采样电路。光功率采样电路由放大器LM358、电阻R6～R8、光敏二极管PD组成，P6.6是DAC7的DACO作为输出端，控制半导体激光器(LD)1驱动电路的输入电压Vin，其输出电压用于驱动半导体激光器(LD)1，并控制其电流的变化，进而控制其的光功率的变化。P1.0与P2.0接半导体激光器(LD)1的过流保护电路9，用于对过流情况进行控制。激光驱动电路8和保护电路9由运算放大器U3～U4、二极管D1～D4、三极管Q1～Q2、电容C1～C6、电阻R1～R3、继电器K组成，P6.7是DAC 7的DAC1作为输出端，接直流电机的控制电路10，通过P6.7输出电压值的不同来控制直流电机的输入电压，以控制电机的转速快慢。直流电机的控制电路由直流电机FF-030PK、运算放大器U5、电阻R4、三极管Q3、二极管D5组成。
在图3中，半导体激光器(LD)1发出的带一定发散角的激光经过透镜A13后，为平行光垂直入射到四分之一波片14。由于半导体激光器(LD)1出射的激光为部分偏振光，当其经过四分之一波片14后成为圆偏振光，并垂直入射到线偏振片15，当直流电机18带动线偏振片旋转时，入射到透镜B 16的激光的电矢量将随之以一定的角速度旋转，即实现了传统针刺补泻的捻转补泻。线偏振片的旋转角速度大，则对应捻转的频率快，角速度小，则反之。入射光的强度大与小则对应捻转的力度的重与轻。最后由透镜B 16将激光会聚到光纤17内，再通过治疗头12照射人体。
图4中，半导体激光器(LD)1被安装在散热器(4-10)内，透镜A 13安装在镜框(4-9)上，镜框固定在套管(4-8)内，套管(4-8)用六角锁紧螺母(4-7)锁紧在支架(4-6)的一端，电机(4-1)置于散热片(4-10)上，电机轴上带有上齿轮(4-2)，下齿轮(4-3)置于管套(4-8)外，并用202胶与六角锁紧螺母(4-7)粘牢，1/4波片14安装在套管(4-7)末端，线偏振片15用202胶与下齿轮(4-3)粘牢，透镜B 16固定在线偏振片15上，光纤17加装光纤保护套管(4-5)，用螺钉固定在支架(4-6)的另一端上，调节光纤的位置，使光纤的球街头精确地位于透镜B 16的焦点上。
在图5中，按模拟PID控制算法，以一系列的采样时刻点kT代表连续时间t，以和式替积分，以一阶后向差分近似代替微分，即可得离散位置式PID表达式：
u(k)=kp(e(k)+TTIΣj=0ke(j)+TDT(e(k)-e(k-1)))=]]>
kpe(k)+kpTTIΣj=0ke(j)+kpTDT(e(k)-e(k-1))]]>
式中，kp为比例系系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数；由递推原理可得：u(k-1)=kpe(k-1)+kpTTIΣj=0k-1e(j)+kpTDT(e(k-1)-e(k-2))]]>
则：
Δu(k)＝u(k)-u(k-1)＝kp(e(k)-e(k-1))+kie(k)+kd(e(k)-2e(k-1)+e(k-2)))
其中ki=kpTTI,]]>kd=kpTDT]]>
e(k)＝r(k)-y(k)；
u(k)--------第k次采样时刻的输出值；
u(k-1)------第k-1次采样时刻的输出值；
Δu(k)------输出的控制增量；
e(k)----第k次采样时刻的输入偏差值；
r(k)--------给定值；
y(k)--------测定值；
T----------采样周期。
在图6中，系统对单片机进行初始化，通过设置标志位flag为“0”“1”“2”来选择连续照射、针刺和灸疗，针刺中提供了提插补泻、捻转补泻、疾徐补泻和平补平泻等针刺手法选择，由aflag设置为“1”“2”“3”“4”来选择，灸疗中择提供了雀啄灸法、混沌序列灸法以及补泻手法等选择，由mflag设置为“1”“2”来选择，在方式2中，由SelAB设置为“0”和“1”来对补和泻两种手法进行设定选择，“2”为混沌序列波形。