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小功率激光照射有着很好的临床治疗效果，但常用的激光治疗仪使用不便，限制了其应用。介绍JK77型半导体激光治疗仪的硬件结构、控制及保护系统以及治疗仪的临床应用，显示该治疗仪广阔的应用前景。
一、引言
激光技术的迅速发展使得激光照射在临床治疗中得到普遍的应用，但目前常用激光器体积大，价格贵，操作复杂。JK77型半导体激光治疗仪，主要是针对体外照射治疗领域而设计的小功率激光治疗仪。适合临床照射治疗甚至家居理疗保健作用。它克服了常用激光治疗仪的不足，价低、操作简单、安全可靠的优点。在小功率激光治疗领域中具有广阔的前景。目前临床应用效果良好。
二、硬件结构
Jk77型半导体治疗仪由电源、电源控制、单片机控制系统、激光二极管驱动系统以及激光二极管组成，电源分别为单片机和激光二极管供电。同时单片机对电源进行控制、使得激光二极管的供电可根据需要设置和调节。单片机控制激光二极管驱动系统，对激光二极管的输出功率、工作时间等调节控制。
（一）控制及保护系统
1.控制板1为数据双备份处理板，主要功能如下：
首先将触摸屏显示按键参量通过RS232串口，将双时钟数据送到控制板（MCU备份1中保存并执行相应的控制命令，再通过CLPD端口切换串口（RS232）将数据送到控制板MCU中，进行数据处理和执行相应的控制及采集数据命令；同时MCU备份1中的数据会不停的送到MCU备份2中备份，并且控制端口送到CPLD中进行检测，实现双备份双计时工作状态.一旦MCU备份1数据出现逻辑问题停止或死机后，CPLD检测没有数据通过（超过1秒钟）时，会马上切换到MCU备份2串口进行数据通信，并保护告警等，确保工作正常。
2.控制板2为数据控制采集板，主要功能如下：
采集光电池电压，当激光器打开时，将光导纤维探头插入测试孔中，当光电池检测有660μm红外光时，会在不同的光功率照射下产生不同的电流值，通过MCU的ADC采集处理，将数据送到LCD屏显示。
3.光束传输系统：激光器的光束在光纤接口处（在触摸屏右下方）与光导纤维治疗头耦合，通过光导纤维传输激光束。
4.报警装置失效保护和冗余设计冗余报警控制备份结构的主电路由两个功能相同且同时处于工作状况的单片机组成，由切换电路控制其中一路正常工作，另一路等待切换。
当主控制单片机的单元发生故障时（如死机或程序跑飞），切换电路立即动作（CPLD），使另一个单元单片机切换同步工作。同时复位主单片机，如果复位程序正常启动会同步切换主单片机，如果主控制单片机复位后依然不能运行（主、从有8位通信数据线），辅路单片机会切断激光控制电源，并发出报警提示，此时只有切断电源才会恢复正常。
a）单片机时钟级同步的实现
系统的所有单片机必须达到时钟级的同步。
第二步是实现机器周期脉冲同步。
第三步是同步指令周期。
b）电源控制
主控元件需要保证足够电流容量，高稳定LDO来实现。不能采用继电器，以避免触点电源跳变。
c）报警与控制
不同状态下核心控制模块有不同的信号输出，异常状态同时也是报警信号。正常状态输出绿灯，出错状态输出黄灯，失败状态输出红灯。黄灯输出时系统可以暂时继续工作，等到系统空闲或许可时进行纠错。红灯输出时系统立即进入保护状态，输出端呈现高阻状态，需要时可以马上纠错，恢复系统。
系统恢复需要对控制模块进行复位，复位脉冲可以是自身的失败状态输出，也可以是出错脉冲输出和其他信号的组合逻辑。控制模块的复位，实际是对各单片机重新进行时序对齐和复位单片机程序。
激光辐射控制是由单片机控制双定时操作的，控制操作失败或元器件损坏，激光的控制继电器断开，切断激光器电源，无激光输出。激光的控制继电器正常工作时处于吸合状态，一旦出现器件损坏，激光控制器电源被切断，无激光输出。
（二）半导体激光激二极管
激光二极管体积小、发光效率高、能量集中、单色性好，为电流型原件。当输入电流大于其阀值时激光二极管开始发光。当输入电流达到工作电流时即输出额定功率。医用照射治疗激光功率一般在5—50mW。设计者可根据需要的最大功率选用不同的管子。
本设计输出最大功率20mW。考虑输出光经透镜和光纤有部分衰减，因此系统所用的激光二极管、功率50mW、波长650nm。
（三）恒流源电路
为了实现高的电流稳定度，驱动电路大多采用负反馈的控制方法，恒流控制原理如图2所示。稳流电路由基准电压电路、电压-电流转换电路、恒流输出电路和反馈电路组成。电路工作时，基准电压经过适当放大后送入运放A1的同相端，运放A1控制VQ1基极电流的大小，从而获得相应的输出电流，输出电流在取样电阻R上产生取样电压，该取样电压经A2放大后作为反馈电压反馈回电压放大器A1的反相输入端，并与同相输入端的电压进行比较，对输出电压进行调整，进而对VQ1基极的输出电流进行调整，使整个闭环反馈系统处于动态的平衡中，以达到稳定输出电流的目的。
但在实际情况下电阻的温度系数和基准电压的温度系数将影响输出电流的稳定性。由于选取的取样电阻R为欧姆级，而（Ra+Rb）为数十千欧姆级，影响输出电流稳定度的主要因素是取样电阻的温度系数和电压基准的稳定度。在本恒流源中，选用取样电阻精度是0.1%，温度系数是±2.5×10-5/℃，电压基准的温度系数小于1×10-6/℃。
（四）脉冲控制电路
对许多LD应用来说，有时希望脉冲输出，因为脉冲输出时LD结发热很小。LD工作在低占空比和短脉宽状态时允许比CW电流电平高得多的脉冲电流电平，而且多数不需要制冷。脉冲LD电源控制技术的关键在于对电流脉冲波形的控制，外控调制信号采用TTL方波，LD输出跟随控制信号以开关方式输出。 根据上述设计思想设计脉冲控制接口电路，其原理图如图3所示。由非门单元，晶体管VQ3，光电耦合器组成。当脉冲为高电平时，非门输出低电压，使光电耦合器截止，光电耦合器输出低电平，使晶体管VQ3截止，VQ3集电极输出高电平使VQ1、VQ2导通，LD正常工作；反之，光电耦合器导通，使VQ3导通，VQ3集电极输出低电平，使VQl、VQ2截止，LD不工作。在没有外控脉冲控制信号时，接口悬空，非门输入高电平，输出低电压，光电耦合器不工作，晶体管VQ3截止，VQ3集电极为高电平，使VQ1导通，保证LD的正常连续发光。
三、应用
1.半导体激光治疗仪JK77—Ⅰ型主要用于调节血脂。
治疗时激光治疗头距手腕上或肘弯上静脉血管15mm处照射，时间1小时，输出功率15mW，10-15天为一疗程。
2.半导体激光治疗仪JK77—Ⅱ型主要用于治疗前列腺炎。
治疗时由医护人员根据指诊确定的前列腺位置，把治疗头插入肛门，使出光口对准前列腺。时间15分钟，输出功率10mW。10-15天为一疗程。
3.半导体激光治疗仪JK77—Ⅲ型主要用于治疗急性化脓性中耳炎。
治疗时拿着治疗头耳道内照射患侧耳道，治疗头入耳道深度1厘米左右，照射前清洗耳道，每次照射10分钟，输出功率5mW，5-10天为一疗程。
结束语
沈阳机电研究设计院激光研究所研制的JK77型半导体激光治疗仪，经临床证明激光体外照射，中心波长650nm—680nm的低强度激光体外照射血液时，能够降低血脂和血粘度，并可改善微循环的质量。因此本治疗仪适用于高血脂、高血粘度及亚健康状态的治疗。本治疗仪体积小、质量轻、操作简单、携带方便、安全可靠、耗电小。
参考文献
[1]魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例；北京航空航天大学；2002.
[2]黄光明，刘承宜，刘松豪.激光剂量与其生物效应之间的关系；激光生物学报，1998；7：90-92.
[3]韦兴昌，刘开祥，俸军林等.低能量氦氖激光血管内照射疗法；中华理疗杂志；1995，18：45-48.
[4]刘承宜，罗刚跃，李学梅.关于低强度激光生物效应的文献探讨——生物信息模型；中国激光医学杂志；1999，8：121-122.
[5]郭培源.电子电路及电子器件.2版.北京.高等教育出版社；2003.
[6]陈凯良.恒流源及其应用电路.浙江科学技术出版社出版时间.1992，08.
（作者单位：沈阳机电研究设计院沈阳激光研究所）
一、引言
激光技术的迅速发展使得激光照射在临床治疗中得到普遍的应用，但目前常用激光器体积大，价格贵，操作复杂。JK77型半导体激光治疗仪，主要是针对体外照射治疗领域而设计的小功率激光治疗仪。适合临床照射治疗甚至家居理疗保健作用。它克服了常用激光治疗仪的不足，价低、操作简单、安全可靠的优点。在小功率激光治疗领域中具有广阔的前景。目前临床应用效果良好。
二、硬件结构
Jk77型半导体治疗仪由电源、电源控制、单片机控制系统、激光二极管驱动系统以及激光二极管组成，电源分别为单片机和激光二极管供电。同时单片机对电源进行控制、使得激光二极管的供电可根据需要设置和调节。单片机控制激光二极管驱动系统，对激光二极管的输出功率、工作时间等调节控制。
（一）控制及保护系统
1.控制板1为数据双备份处理板，主要功能如下：
首先将触摸屏显示按键参量通过RS232串口，将双时钟数据送到控制板（MCU备份1中保存并执行相应的控制命令，再通过CLPD端口切换串口（RS232）将数据送到控制板MCU中，进行数据处理和执行相应的控制及采集数据命令；同时MCU备份1中的数据会不停的送到MCU备份2中备份，并且控制端口送到CPLD中进行检测，实现双备份双计时工作状态.一旦MCU备份1数据出现逻辑问题停止或死机后，CPLD检测没有数据通过（超过1秒钟）时，会马上切换到MCU备份2串口进行数据通信，并保护告警等，确保工作正常。
2.控制板2为数据控制采集板，主要功能如下：
采集光电池电压，当激光器打开时，将光导纤维探头插入测试孔中，当光电池检测有660μm红外光时，会在不同的光功率照射下产生不同的电流值，通过MCU的ADC采集处理，将数据送到LCD屏显示。
3.光束传输系统：激光器的光束在光纤接口处（在触摸屏右下方）与光导纤维治疗头耦合，通过光导纤维传输激光束。
4.报警装置失效保护和冗余设计冗余报警控制备份结构的主电路由两个功能相同且同时处于工作状况的单片机组成，由切换电路控制其中一路正常工作，另一路等待切换。
当主控制单片机的单元发生故障时（如死机或程序跑飞），切换电路立即动作（CPLD），使另一个单元单片机切换同步工作。同时复位主单片机，如果复位程序正常启动会同步切换主单片机，如果主控制单片机复位后依然不能运行（主、从有8位通信数据线），辅路单片机会切断激光控制电源，并发出报警提示，此时只有切断电源才会恢复正常。
a）单片机时钟级同步的实现
系统的所有单片机必须达到时钟级的同步。
第二步是实现机器周期脉冲同步。
第三步是同步指令周期。
b）电源控制
主控元件需要保证足够电流容量，高稳定LDO来实现。不能采用继电器，以避免触点电源跳变。
c）报警与控制
不同状态下核心控制模块有不同的信号输出，异常状态同时也是报警信号。正常状态输出绿灯，出错状态输出黄灯，失败状态输出红灯。黄灯输出时系统可以暂时继续工作，等到系统空闲或许可时进行纠错。红灯输出时系统立即进入保护状态，输出端呈现高阻状态，需要时可以马上纠错，恢复系统。
系统恢复需要对控制模块进行复位，复位脉冲可以是自身的失败状态输出，也可以是出错脉冲输出和其他信号的组合逻辑。控制模块的复位，实际是对各单片机重新进行时序对齐和复位单片机程序。
激光辐射控制是由单片机控制双定时操作的，控制操作失败或元器件损坏，激光的控制继电器断开，切断激光器电源，无激光输出。激光的控制继电器正常工作时处于吸合状态，一旦出现器件损坏，激光控制器电源被切断，无激光输出。
（二）半导体激光激二极管
激光二极管体积小、发光效率高、能量集中、单色性好，为电流型原件。当输入电流大于其阀值时激光二极管开始发光。当输入电流达到工作电流时即输出额定功率。医用照射治疗激光功率一般在5—50mW。设计者可根据需要的最大功率选用不同的管子。
本设计输出最大功率20mW。考虑输出光经透镜和光纤有部分衰减，因此系统所用的激光二极管、功率50mW、波长650nm。
（三）恒流源电路
为了实现高的电流稳定度，驱动电路大多采用负反馈的控制方法，恒流控制原理如图2所示。稳流电路由基准电压电路、电压-电流转换电路、恒流输出电路和反馈电路组成。电路工作时，基准电压经过适当放大后送入运放A1的同相端，运放A1控制VQ1基极电流的大小，从而获得相应的输出电流，输出电流在取样电阻R上产生取样电压，该取样电压经A2放大后作为反馈电压反馈回电压放大器A1的反相输入端，并与同相输入端的电压进行比较，对输出电压进行调整，进而对VQ1基极的输出电流进行调整，使整个闭环反馈系统处于动态的平衡中，以达到稳定输出电流的目的。
但在实际情况下电阻的温度系数和基准电压的温度系数将影响输出电流的稳定性。由于选取的取样电阻R为欧姆级，而（Ra+Rb）为数十千欧姆级，影响输出电流稳定度的主要因素是取样电阻的温度系数和电压基准的稳定度。在本恒流源中，选用取样电阻精度是0.1%，温度系数是±2.5×10-5/℃，电压基准的温度系数小于1×10-6/℃。
（四）脉冲控制电路
对许多LD应用来说，有时希望脉冲输出，因为脉冲输出时LD结发热很小。LD工作在低占空比和短脉宽状态时允许比CW电流电平高得多的脉冲电流电平，而且多数不需要制冷。脉冲LD电源控制技术的关键在于对电流脉冲波形的控制，外控调制信号采用TTL方波，LD输出跟随控制信号以开关方式输出。 根据上述设计思想设计脉冲控制接口电路，其原理图如图3所示。由非门单元，晶体管VQ3，光电耦合器组成。当脉冲为高电平时，非门输出低电压，使光电耦合器截止，光电耦合器输出低电平，使晶体管VQ3截止，VQ3集电极输出高电平使VQ1、VQ2导通，LD正常工作；反之，光电耦合器导通，使VQ3导通，VQ3集电极输出低电平，使VQl、VQ2截止，LD不工作。在没有外控脉冲控制信号时，接口悬空，非门输入高电平，输出低电压，光电耦合器不工作，晶体管VQ3截止，VQ3集电极为高电平，使VQ1导通，保证LD的正常连续发光。
三、应用
1.半导体激光治疗仪JK77—Ⅰ型主要用于调节血脂。
治疗时激光治疗头距手腕上或肘弯上静脉血管15mm处照射，时间1小时，输出功率15mW，10-15天为一疗程。
2.半导体激光治疗仪JK77—Ⅱ型主要用于治疗前列腺炎。
治疗时由医护人员根据指诊确定的前列腺位置，把治疗头插入肛门，使出光口对准前列腺。时间15分钟，输出功率10mW。10-15天为一疗程。
3.半导体激光治疗仪JK77—Ⅲ型主要用于治疗急性化脓性中耳炎。
治疗时拿着治疗头耳道内照射患侧耳道，治疗头入耳道深度1厘米左右，照射前清洗耳道，每次照射10分钟，输出功率5mW，5-10天为一疗程。
结束语
沈阳机电研究设计院激光研究所研制的JK77型半导体激光治疗仪，经临床证明激光体外照射，中心波长650nm—680nm的低强度激光体外照射血液时，能够降低血脂和血粘度，并可改善微循环的质量。因此本治疗仪适用于高血脂、高血粘度及亚健康状态的治疗。本治疗仪体积小、质量轻、操作简单、携带方便、安全可靠、耗电小。
参考文献
[1]魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例；北京航空航天大学；2002.
[2]黄光明，刘承宜，刘松豪.激光剂量与其生物效应之间的关系；激光生物学报，1998；7：90-92.
[3]韦兴昌，刘开祥，俸军林等.低能量氦氖激光血管内照射疗法；中华理疗杂志；1995，18：45-48.
[4]刘承宜，罗刚跃，李学梅.关于低强度激光生物效应的文献探讨——生物信息模型；中国激光医学杂志；1999，8：121-122.
[5]郭培源.电子电路及电子器件.2版.北京.高等教育出版社；2003.
[6]陈凯良.恒流源及其应用电路.浙江科学技术出版社出版时间.1992，08.
（作者单位：沈阳机电研究设计院沈阳激光研究所）