史明坤，胡 兵，應(yīng)花山，余安瀾，沈政偉，姜 黎

應(yīng)用于角膜膠原交聯(lián)術(shù)的紫外LED照射儀的設(shè)計(jì)

史明坤，胡 兵，應(yīng)花山，余安瀾，沈政偉，姜 黎

目的：設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于角膜膠原交聯(lián)術(shù)的紫外LED照射儀，可進(jìn)行光強(qiáng)均勻的照射，以滿足角膜膠原術(shù)的需求。方法：以資源豐富的C8051F410單片機(jī)作為控制系統(tǒng)核心，采用觸摸屏作為人機(jī)交互界面，并通過精密電阻對(duì)工作電流進(jìn)行采樣，以實(shí)時(shí)監(jiān)控紫外LED的工作狀態(tài)；通過使用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX設(shè)計(jì)和優(yōu)化的非球面鏡勻光系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)紫外LED均勻照明。結(jié)果：在距離透鏡45 mm、直徑約為12 mm的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了均勻光強(qiáng)分布。最大輻照度為90.223 5 mW/cm2，探測(cè)器光通量為247.3 mW，光源能量利用率為60%。結(jié)論：該紫外LED照射儀在均勻度和輻照度方面均達(dá)到了角膜膠原交聯(lián)術(shù)的需求，并在醫(yī)院眼科中心通過對(duì)小白兔眼睛的照射實(shí)驗(yàn)已經(jīng)驗(yàn)證了照射儀的性能，可以滿足角膜膠原交聯(lián)術(shù)的需求。

紫外LED；角膜膠原交聯(lián)術(shù)；非球面鏡；觸摸屏

0 引言

角膜膠原交聯(lián)術(shù)（corneal collagen cross-linking，CCL）是最近幾年用來治療圓錐角膜和角膜潰瘍的新技術(shù)，它通過增加角膜基質(zhì)膠原纖維間的連接強(qiáng)度來延緩甚至阻止角膜擴(kuò)張，提高對(duì)酶消化的抵抗力，其安全性已在國(guó)外獲得驗(yàn)證?？刂坪脤?shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)角膜之后的前房、晶狀體及其他組織不會(huì)造成損傷[1-2]。

CCL運(yùn)用了光氧化反應(yīng)，反應(yīng)原料為紫外線A（UVA）和核黃素滴眼液（riboflavin）[3]。核黃素在角膜基質(zhì)達(dá)到飽和狀態(tài)后，在370 nm波長(zhǎng)的紫外光照射下，產(chǎn)生一些活性氧自由基（ROS），活性氧自由基處于非穩(wěn)定狀態(tài)，直到誘導(dǎo)角膜基質(zhì)膠原纖維間形成新的共價(jià)鍵后才變?yōu)榉€(wěn)定的形式，這個(gè)過程就稱為cross-linking。CCL的效果主要有：增加角膜的硬度[4]和增加角膜的耐酶性[5]。紫外光核黃素角膜膠原交聯(lián)療法的出現(xiàn)，為圓錐角膜、醫(yī)源性角膜擴(kuò)張、角膜潰瘍等疾病的治療帶來了新的希望[6]。

本文所述的紫外LED照射儀可產(chǎn)生（370±5）nm波長(zhǎng)的紫外光，且為基于點(diǎn)光源的紫外LED照射儀，具有體積小、易于攜帶、操作便捷、功率控制精度高等優(yōu)點(diǎn)[7]。該照射儀使用單片機(jī)控制，高精度電阻采樣，可實(shí)時(shí)監(jiān)控照射儀的工作狀態(tài)，并采用了非球面鏡構(gòu)成的勻光系統(tǒng)。實(shí)踐表明，本照射儀的性能滿足角膜膠原交聯(lián)術(shù)的需求，為角膜膠原交聯(lián)術(shù)提供了有效可靠的光源。

1 總體設(shè)計(jì)

紫外LED照射儀由光源系統(tǒng)和控制系統(tǒng)2部分組成，總體構(gòu)架如圖1所示。

光源系統(tǒng)是由非球面鏡、光闌和紫外LED組成的勻光系統(tǒng)；控制系統(tǒng)以C8051F410單片機(jī)為核心，通過高精度的電阻采樣實(shí)現(xiàn)對(duì)光功率實(shí)時(shí)控制，由LED驅(qū)動(dòng)電源、系統(tǒng)控制單元和界面操作單元構(gòu)成。

紫外LED照射儀的界面操作單元實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交流的功能，主要由觸摸屏及其控制單元組成，通過觸摸屏可調(diào)節(jié)光功率以及照射時(shí)間等參數(shù)。調(diào)節(jié)好照射參數(shù)后點(diǎn)擊觸摸屏上的啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)控制單元隨即收到啟動(dòng)信號(hào)并控制LED驅(qū)動(dòng)電源工作，紫外LED發(fā)出對(duì)應(yīng)功率的紫外光，紫外光通過非球面鏡勻光系統(tǒng)均勻地照射在目標(biāo)物體表面。

圖1 紫外LED照射儀總體構(gòu)架

2 光源系統(tǒng)

紫外光照射人眼時(shí)，對(duì)照射深度是有一定要求的，若局部紫外光過強(qiáng)，照射深度超過了安全區(qū)域（如圖2所示）則會(huì)對(duì)人眼造成不可修復(fù)的傷害[8]。因此，需要對(duì)紫外LED的出射光進(jìn)行光束整形，使其成為空間光強(qiáng)均勻分布的光束。

圖2 紫外光照射深度示意

該紫外LED照射儀采用1片非球面鏡對(duì)光源進(jìn)行二次配光，從而達(dá)到均勻照射的目的，基本結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。非球面鏡的設(shè)計(jì)由傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化完成。首先，由點(diǎn)光源出發(fā)在序列設(shè)計(jì)模式中得到基本鏡面設(shè)計(jì)，再將其轉(zhuǎn)化為非序列設(shè)計(jì)；然后，將紫外LED的光源配光曲線輸入軟件得到簡(jiǎn)化的近似光源，通過編寫非序列探測(cè)器評(píng)價(jià)函數(shù)（NSDD）對(duì)鏡面參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；最后，設(shè)計(jì)得到的光學(xué)系統(tǒng)可將光源出射光在一定工作距離內(nèi)整形成為空間光強(qiáng)均勻分布的光束。

圖3 非球面鏡勻光基本結(jié)構(gòu)示意

在ZEMAX軟件的序列設(shè)計(jì)模式中將鏡面后表面類型選為Even Asphere面型，將曲率半徑、conic及r2、r4、r6、r8、r10的系數(shù)設(shè)為變量[9]，偶次非球面公式如下：

式中：c為基準(zhǔn)球面曲率（c=1/R，R為基準(zhǔn)球面曲率半徑）；k為二次曲面參數(shù)conic；a1，a2，…，a8為高次項(xiàng)系數(shù)。

通過默認(rèn)評(píng)價(jià)函數(shù)Angular Radius對(duì)鏡面進(jìn)行優(yōu)化，使得點(diǎn)光源出射光準(zhǔn)直得到鏡面初步設(shè)計(jì)，然后將優(yōu)化好的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為非序列模式。

該紫外LED照射儀選用ENGIN公司生產(chǎn)的LZ1-00U600紫外LED作為照射光源，典型出射光功率為410 mW，通過ZEMAX中的光源模型Source Radial，將LED制造商提供的光源配光曲線輸入ZEMAX中得到光源基本模型[10]。原廠提供的光源配光曲線和輸入后軟件生成的配光曲線如圖4所示，可以看出，輸入的配光曲線與廠家提供的配光曲線相匹配。

圖4 配光曲線對(duì)比

選用石英玻璃JGS1為透鏡材料，365 nm波長(zhǎng)紫外光透過率超過90%，透鏡厚度為7 mm，直徑為12 mm，光源與透鏡前表面距離為d=5 mm。通過編寫軟件評(píng)價(jià)函數(shù)NSDD改變優(yōu)化參數(shù)所占權(quán)重值（weight），對(duì)透鏡后表面參數(shù)進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化，NSDD優(yōu)化操作數(shù)見表1。

首先使用NSDD操作數(shù)將ZEMAX中所有探測(cè)器清零，然后通過NSTR操作數(shù)使得ZEMAX進(jìn)行光線的追跡。第2個(gè)NSDD操作數(shù)可讀出像素?cái)?shù)據(jù)的半徑值的均方根值（root mean square，RMS值），用于約束光斑直徑。第3個(gè)NSDD操作數(shù)用于讀出探測(cè)器總的光通量，并用于保持光通量最大，使得光源能量利用率得以提高。最后一個(gè)NSDD操作數(shù)返回值為所有非0像素?cái)?shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差（RMS值），將目標(biāo)值（Target）設(shè)為0可使得目標(biāo)照射面上輻照度分布均勻。在開始優(yōu)化時(shí)使用正交下降優(yōu)化法（orthogonal descent optimizer）得到初步解，然后用阻尼最小二乘法（damped least squares）提煉結(jié)果。

表1 NSDD優(yōu)化操作數(shù)

經(jīng)過反復(fù)調(diào)整優(yōu)化參數(shù)權(quán)重得到非球面鏡參數(shù)為：c=9.301 69，k=-0.560 34，a1=-0.054 31，a2= -5.463 66×10-4，a3=-5.107 80×10-6，a4=-2.016 49× 10-8，a5=-5.177 86×10-9。為了限制光斑大小，在透鏡前表面和透鏡后25 mm處分別加入一個(gè)光闌，使得整個(gè)系統(tǒng)入射孔徑為Φ1=10 mm，出射孔徑為Φ2= 12 mm。系統(tǒng)的3D模型和光強(qiáng)分布如圖5所示。

圖5 勻光系統(tǒng)的3D模型及光強(qiáng)分布

從圖5（b）和圖5（c）中可以很直觀地看出，在距離透鏡45 mm、直徑約為12 mm的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了均勻光強(qiáng)分布。最大輻照度為90.223 5 mW/cm2，探測(cè)器光通量為247.3 mW，光源能量利用率為60%。

3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)單元以C8051F410單片機(jī)為核心，內(nèi)部資源豐富，外圍電路簡(jiǎn)潔，采用C語言編程，方便功能擴(kuò)展，并具有多個(gè)數(shù)字/模擬接口，可以用于采集LED和環(huán)境的不同參數(shù)，做到實(shí)時(shí)監(jiān)控。操作界面單元采用5.7 in（1 in=25.4 mm）液晶觸摸屏，通過單片機(jī)的串口通信接口，可以方便地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，且界面簡(jiǎn)潔易于操作。紫外LED照射儀驅(qū)動(dòng)電源采用PTH12040W電源模塊對(duì)LED工作電壓進(jìn)行控制，并通過高精度采樣電阻對(duì)LED工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。操作流程如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)工作流程

3.1 界面操作單元

使用觸摸屏作為界面操作單元的核心不僅讓操作界面簡(jiǎn)潔易于操作，而且使得單片機(jī)編程的復(fù)雜性降低，可擴(kuò)展性得到增強(qiáng)。觸摸屏通過串口通信（RS232標(biāo)準(zhǔn)）與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，但由于單片機(jī)供電電壓為5 V，必須使用電壓轉(zhuǎn)換芯片將輸出電壓轉(zhuǎn)換為RS232電壓才能正常進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。本系統(tǒng)選用MAX232作為電壓轉(zhuǎn)換芯片，通信電路如圖7所示。圖中IC02為MAX232芯片，T1IN和R1OUT引腳分別接到單片機(jī)串口通信引腳P0.4/TX和P0.5/RX，引腳T1OUT和R1IN分別接到排針CN05的5號(hào)和6號(hào)引腳，而5號(hào)、6號(hào)引腳分別接到觸摸屏的TX和RX引腳，從而通過MAX232芯片使得低電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成高電平，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)和觸摸屏之間的通信。

圖7 MAX232電壓轉(zhuǎn)換電路

3.2 紫外LED驅(qū)動(dòng)電源

向觸摸屏控制系統(tǒng)中導(dǎo)入圖形文件和配置文件后，點(diǎn)擊屏幕上相應(yīng)功能的按鈕，觸摸屏通過串行通信接口向單片機(jī)發(fā)送相應(yīng)的指令。單片機(jī)接收指令后對(duì)指令進(jìn)行識(shí)別和處理，一方面通過通信接口將控制指令反饋給觸摸屏改變觸摸屏的顯示狀態(tài)，另一方面生成具體的控制信號(hào)發(fā)送給紫外LED驅(qū)動(dòng)電源，電源根據(jù)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)紫外LED。紫外LED驅(qū)動(dòng)電源通過電壓源驅(qū)動(dòng)方式對(duì)LED進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使用德州儀器生產(chǎn)的PTH12040W電源模塊對(duì)紫外LED驅(qū)動(dòng)電壓的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，將單片機(jī)具有DAC功能的引腳接到電源模塊的Track引腳，通過單片機(jī)改變Track引腳的電壓值調(diào)節(jié)LED兩端驅(qū)動(dòng)電壓。

阻值為1 mΩ的高精度檢流電阻PBV-R001-F1-1.0將紫外LED的工作電流值反饋給單片機(jī)，電流采樣電路如圖8所示。圖中J01和J02分別接LED的正負(fù)極，檢流電阻與紫外LED串聯(lián)，由于R22電阻很大，產(chǎn)生的電流可忽略不計(jì)，故檢流電阻通過的電流值與紫外LED的工作電流值相等，并通過U+和U-引腳將電流信息以電壓的形式反饋到單片機(jī)的具有ADC功能的引腳，由單片機(jī)計(jì)算得到LED的工作電流，通過單片機(jī)與觸摸屏的數(shù)據(jù)交換對(duì)紫外LED工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與調(diào)節(jié)。

圖8 電流采樣電路

4 結(jié)論

本文從紫外LED照射儀的總體構(gòu)架出發(fā)，討論了非球面鏡勻光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，并通過ZEMAX光學(xué)軟件的設(shè)計(jì)，在距離透鏡45mm、直徑約為12mm的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了均勻照明，最大輻照度為90.223 5 mW/cm2，光源能量利用率為60%，滿足了角膜膠原交聯(lián)術(shù)的需求。該照射儀通過單片機(jī)控制，高精度電阻采樣反饋，并采用觸摸屏作為人機(jī)界面，不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，還由于觸摸屏顯示圖形直觀清晰使得照射儀操作簡(jiǎn)單易懂。該照射儀已在廣州軍區(qū)武漢總醫(yī)院眼科中心對(duì)小白兔眼睛的照射實(shí)驗(yàn)中得以應(yīng)用。角膜膠原交聯(lián)術(shù)7 d后，通過電鏡觀察實(shí)驗(yàn)組較對(duì)照組角膜膠原纖維排列更密集，細(xì)胞輕度腫脹（如圖9所示），說明該照射儀可以滿足現(xiàn)階段角膜膠原交聯(lián)術(shù)實(shí)驗(yàn)的基本要求。

圖9 角膜膠原交聯(lián)術(shù)實(shí)驗(yàn)

[1]Mazzotta C，Traversi C，Caporossi T，et al.Treatment of progressive keratoconus by riboflavin-UVA-induced cross-linking of corneal collagen-Ultrastructural analysis by Heidelberg Retinal Tomograph in vivo confocal microscopy in humans[J].Cornea，2007，26（4）：390-397.

[2]Mazzotta C，Traversi C，Baiocchi S，et al.Corneal healing after riboflavin ultraviolet-A collagen cross-linking determined by confocal laser scanning microscopy in vivo：early and late modifications[J]. American Journal of Ophthalmology，2008，146（4）：527-533.

[3]Kohlhaas M，Schilde T，Wittig C.Biomechanical evidence of the distribution of cross-links in corneas treated with riboflavin and ultraviolet A light[J].Journal of Cataract and Refractive Surgery，2006，32（2）：279-283.

[4]Wollensak G，Wilsch M，Spoerl E，et al.Collagen fiber diameter in the rabbit cornea after collagen crosslinking by riboflavin/UVA[J]. Cornea，2004，23（5）：503-507.

[5]Spoerl E，Wollensak G，Seiler T.Increased resistance of crosslinked cornea against enzymatic digestion[J].Current Eye Research，2004，29（1）：35-40.

[6]李婧，姜黎，沈政偉.角膜交聯(lián)術(shù)新進(jìn)展與臨床運(yùn)用[J].國(guó)際眼科雜志，2010，10（9）：1 713-1 715.

[7]鄧麒麟，吳云峰，孫文博.紫外LED照射器的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子器件，2012，35（1）：57-60.

[8]Spoerl E，Mrochen M，Sliney D，et al.Safety of UVA-Riboflavin cross-linking of the cornea[J].Cornea，2007，26（4）：385-389.

[9]李林.LED照明光學(xué)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].西安：中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，2012：37-45.

[10]Nicholson M.How to model LEDs and other complex sources[DB/ OL].（2005-08-26）[2014-05-10].http：//kb-en.radiantzemax.com/ Knowledgebase/How-to-Model-LEDs-and-Other-Complex-Sources.

（收稿：2014-05-08 修回：2014-08-09）

Design of UV-LED irradiator applied in corneal collagen cross-linking

SHI Ming-kun1,HU Bing1,YING Hua-shan1,YU An-lan1,SHEN Zheng-wei2,JIANG Li2
（1.Department of Laser Engineering,College of Optical and Electronic Information,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China;2.Wuhan General Hospital of Guangzhou Military Area Command,Wuhan 430074,China）

ObjectiveTo design a UV-LED irradiator with uniform illumination in order to meet the need of corneal collagen cross-linking.MethodsC8051F410 was used as the core unit,and touch screen as the interface.Precision resistance was applied to sampling of working current in order to monitor the status of UV-LED irradiator at real time. Optical software ZEMAX was used to design and optimize the aspheric lens to realize uniform illumination.ResultsAt a distance of 45 mm from lens the irradiator achieved uniform irradiance in 12 mm diameter area.Irradiance maximum value was 90.223 5 mW/cm2,radiant flux was 247.3 mW,and utilization factor reached 60 percent.ConclusionThe performance of the irradiator can fully meet the needs of corneal collagen cross-linking.In the rabbit eyes irradiation experiments the performance of the UV-LED irradiation has been verified. [Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（1）：19-22]

UV-LED;corneal collagen cross-linking;aspheric lens;touch screen

R318.6；R454.2

A

1003-8868（2015）01-0019-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.01.019

史明坤（1989—），男，主要研究方向?yàn)殡娫醇夹g(shù)，E-mail：smk03@ 163.com。

430074武漢，華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院激光工程系（史明坤，胡 兵，應(yīng)花山，余安瀾）；430074武漢，廣州軍區(qū)武漢總醫(yī)院（沈政偉，姜 黎）