基于PWM的弱视治疗仪光源设计与实现

1　引言

在人类双眼视觉发育的关键期内,由于各种原因导致眼睛接受的有效光线刺激减少,使得矫正视力低于正常视力而形成弱视。这种常见的发育性疾病,发病率高,难以治愈,因此,一直以来引起众多研究者对弱视发病机制研究的兴趣,并热衷于有效弱视治疗方法的研究[1]。

早在1940年Bangerter等提出一种主动提高旁中心注视性弱视疗法,称为后像疗法。经过几年的研究以及临床应用, Bangerter在1953年又提出一种改进的增视疗法,这种方法是用强光刺激旁中心注视点,使之产生抑制,同时训练提高中心凹视力的增视疗法(Pleoptics)。目前,国内外的弱视治疗仪的光源设计都根据Bangerter的这两种方法。后像综合疗法主要是让强光炫耀弱视眼后,在闪烁灯光下令患者注视视标,弱视眼用其未炫耀过的黄斑注视。因为炫耀过的黄斑以外视网膜区的后像是个黑暗区,而被保护的黄斑区是能看见的发亮区,强光炫耀后的弱视眼的注视点逐渐向黄斑中心凹移动,达到视力增进的目的。在上述治疗理论实现中,光源设计是其中十分重要的部分,直接影响治疗的效果。国内传统弱视治疗仪,有代表性的是广州博视医疗保健研究所研制的弱视综合治疗仪,该仪器的光源系统由白炽灯、透镜、磨砂玻璃和红色滤光片组成,这种光源设计方案存在光源亮度不稳定,会产生闪烁,光强级别也比较少,一般只有5种不同光强。白炽灯光经红色滤光片后,光强损失90%,并且经过滤光片的光线波长不稳定,波长会在620~700nm范围内变化,此外白炽灯光谱中包含紫外波长和红外波长会对人体,尤其是眼睛造成损害。国外产品有美国Neurovision公司开发计算机程序训练矫治弱视患者,但是受计算机显示器最大亮度的限制,这种仪器达不到最佳的治疗效果。随着半导体工艺的快速发展,大功率发光二极管(light emitting diodeLED)无论是在发光强度,峰值波长,半波带宽等各项参数性能上都有很大的提高,而且LED的发光方向性强,适合弱视治疗仪的局部重点照明的场合,有效地提高了光能的利用率,对白光LED而言,光谱几乎全部集中于可见光波段,避免了非可见光区电磁波对人眼的损害。对于红色LED,光谱集中于红色光频段,发光纯度高,波长可以稳定在625nm附近,误差在10nm以内。LED光源作为一种冷光源,具有环保、耗电量低、寿命高的优点,符合现在流行的绿色光源的设计思想。因此LED成为弱视治疗仪光源设计的最佳选择[2]。LED驱动早期采用电阻限流的方式,但是这种方式不能保证恒流,电流会随着输入电压的变化而变化,电流的不稳定会导致LED光源的不稳定,并且对LED光强的调节也比较复杂,由于弱视治疗仪要求满足光源照度均匀,强度可调的基本要求,因此电阻限流式LED光源明显不适合作为弱视治疗仪的光源。目前LED主流控制方法是采用脉宽调制(PWM)驱动,这种控制方式的好处是效率高,恒流能力好,并且改变PWM脉冲的占空比就可以调节LED光源的发光强度,因此本文采用PWM驱动方式来设计弱视治疗仪的光源[4]。